基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的豬只飲水測量系統(tǒng)

高云等

摘 要：針對目前豬場不能對豬飲水量精確測量等不利因素，設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和TinyOS的豬只飲水測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)化養(yǎng)豬，實時監(jiān)測豬只的飲水情況，并能將數(shù)據(jù)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸至PC機，科學(xué)分析豬只的生長狀況，并對疾病進(jìn)行有效的防控，進(jìn)而可以在豬場自動化設(shè)計、環(huán)境檢測、疾病預(yù)防等方面做出改進(jìn)。這對中國現(xiàn)代化養(yǎng)豬，規(guī)范化養(yǎng)豬，提高生產(chǎn)率，推動養(yǎng)豬技術(shù)發(fā)展有著重要意義。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；TinyOS；實時監(jiān)測；飲水

我國有著非常悠久的養(yǎng)豬歷史，養(yǎng)豬業(yè)發(fā)展前景巨大，但是在養(yǎng)豬技術(shù)方面仍然比較落后，而且許多豬場面臨一系列生產(chǎn)管理問題。目前市面上的豬飲水設(shè)備中，測量豬飲水的稱重系統(tǒng)可以對豬飲水量稱重，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)分析不足，未能定量分析豬的生長健康狀況[1]。本項目涉及基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的豬場飲水測量系統(tǒng)，實時監(jiān)測豬的飲水情況，進(jìn)行科學(xué)分析豬的健康狀況，并對疾病進(jìn)行有效的防控。本裝置避免了人們過大的勞動強度，改善了豬場的設(shè)備環(huán)境，提高了生產(chǎn)效率，能科學(xué)地分析觀察豬的健康狀況，從而有效地預(yù)防疾病，對于我國智能化養(yǎng)豬的發(fā)展有著重要的意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本項目是提供一種監(jiān)測豬只的飲水測量系統(tǒng)。包括飲水機械裝置和在裝置周圍布置的微型傳感器節(jié)點。在保證不影響豬只的正常飲水的情況下，通過傳感器檢測豬只的飲水信息，傳感器節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點建立通信模式，并通過串口與電腦連接，實時監(jiān)測豬只的飲水健康狀況，實現(xiàn)對豬只疾病的預(yù)測。本系統(tǒng)能夠精確計量豬只的飲水量，并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)識別豬只的ID號，進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化統(tǒng)一管理。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機械裝置：機械裝置部分由鴨嘴式豬飲水器、水槽、水流量傳感器和不銹鋼水管等組成。鴨嘴式豬只飲水器由閥體、閥芯、密封圈、回味彈簧、塞蓋、濾網(wǎng)等組成。整體結(jié)構(gòu)簡單，耐腐蝕，工作可靠，不漏水，壽命長，豬飲水時，嘴含飲水器，咬壓下閥桿，水從閥芯和密封圈的間隙流出，進(jìn)入豬的口腔，當(dāng)豬嘴松開后，靠回位彈簧張力，閥桿復(fù)位，出水間隙被封閉，水停止流出，鴨嘴式豬只飲水設(shè)備密封性能好，水流出時壓力降低，流速較低，符合豬只飲水要求。水槽的作用是防止多余濺射出來的水浪費，同時也可作為儲水裝置供豬只飲用。飲水槽底部的漏水槽外表面設(shè)有電容式傳感器且漏水槽內(nèi)部放有浮球，若豬飲水時有水濺落到飲水槽中時，水會流到漏水槽中，漏水槽底部的浮球會慢慢浮起來，利用電容式傳感器檢測，通過單片機控制電路模塊控制水泵將漏水槽中多余的水抽走并利用出水流量計節(jié)點計量；搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將進(jìn)水流量計節(jié)點和出水流量計節(jié)點的數(shù)據(jù)相減，最后得出豬只精確的飲水量，機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖2所示，該裝置包括：PC機12、USB轉(zhuǎn)串口線11、基站10、無線節(jié)點9、進(jìn)水流量計8、飲水管7、豬飲水器6、飲水槽5、控制電路模塊4、水泵3、無線節(jié)點2、出水流量計1。

具體實施原理分析如下：當(dāng)豬飲水時，碰觸豬飲水器，水流通過進(jìn)水流量計和飲水管。若豬飲水時有水濺落到飲水槽中時，飲水槽中的水流到漏水槽中，此時漏水槽中的浮球會從底部慢慢浮起來，這個過程改變了電容式傳感器的介電常數(shù)，從而改變了電容值。設(shè)置浮球在漏水槽底部時的電容值為初始值，若電容值不等于初始電容值時，利用控制電路模塊控制水泵將漏水槽中多余的水抽走并通過出水流量計。進(jìn)水流量計和出水流量機與分別與無線節(jié)點和無線節(jié)點相連，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳給基站，基站再通過USB轉(zhuǎn)串口線與PC機進(jìn)行通信。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

TinyOS本身提供了一系列的組件，可以很簡單方便地編制程序，用來獲取和處理傳感器的數(shù)據(jù)并通過無線電來傳輸信息。TinyOS在構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，它會有一個基地控制臺，主要是用來控制各個傳感器子節(jié)點，并聚集和處理它們所采集到的信息[2-8]。TinyOS只要在控制臺發(fā)出管理信息，然后由各個節(jié)點通過無線網(wǎng)絡(luò)互相傳遞[9]，最后達(dá)到協(xié)同一致的目的，方便快捷。（圖3）

節(jié)點監(jiān)測部分：該部分需要在飲水槽附近中布置傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點接入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)?；締雍螅M(jìn)行系統(tǒng)初始化。初始化之后建立網(wǎng)絡(luò)，如果建網(wǎng)不成功則重復(fù)至成功。建網(wǎng)成功后，進(jìn)入循環(huán)，依次判別是否有節(jié)點加入、串口請求采集命令或傳感器節(jié)點響應(yīng)，如果判定需要執(zhí)行，則分別執(zhí)行存儲傳感器地址，向傳感器發(fā)送采集命令，向串口傳輸收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點啟動后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化之后尋找并加入網(wǎng)絡(luò)，如果加入不成功則重復(fù)至成功。加入網(wǎng)絡(luò)后，每隔5分鐘循環(huán)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，完成后發(fā)送到基站[10-11]。具體流程如圖4所示。

3 機械電子裝置設(shè)計

3.1 渦輪流量計

水流量傳感器主要由塑料閥體、水流轉(zhuǎn)子組件和霍爾傳感器組成。正常工作時，渦輪流量計裝在熱水器進(jìn)水端，用于檢測進(jìn)水流量，當(dāng)水通過水流轉(zhuǎn)子組件時，磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并且轉(zhuǎn)速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應(yīng)脈沖信號，反饋給控制器，由控制器判斷水流量的大小進(jìn)行調(diào)控[12]。

其脈沖頻率與流量關(guān)系如圖5所示。

3.2 微型水泵的選擇

選擇潛水泵12v揚程3米迷你微型直流無刷水泵，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

4 上位機部分設(shè)計

客戶端程序使用C#語言進(jìn)行編寫，C#是微軟推出的基于.NET框架的、面向?qū)ο蟮母呒壘幊陶Z言。C#由C語言和C++派生而來，繼承了其強大的性能，同時又以.NET框架類庫為基礎(chǔ)，擁有極高的快速開發(fā)能力。C#“簡單、現(xiàn)代、通用”的設(shè)計原則，以及強類型檢查、自動垃圾收集等功能使得C#非常容易上手且具有很強的編程生產(chǎn)力。

數(shù)據(jù)庫使用微軟公司推出的關(guān)系數(shù)據(jù)庫解決方案Microsoft SQL Server 2008 R2。該平臺不僅支持圖形化界面操作，同時支持SQL直接對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行增刪改查，大大降低了開發(fā)以及管理數(shù)據(jù)設(shè)施的時間和成本。此外該平臺還具有極高的安全性、可靠性、可擴展性，使得用戶只需要關(guān)心應(yīng)用程序的實現(xiàn)。使用數(shù)據(jù)庫可以方便快捷地對傳感器數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲、分析、管理以及共享。

5 結(jié)束語

基于對傳統(tǒng)養(yǎng)豬業(yè)的不利因素和將來智能化養(yǎng)豬檢測系統(tǒng)的綜合考慮，設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和TinyOS的豬只飲水測量系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有成本低、易于操作等優(yōu)點，并且具有很好的移植性，可用于大范圍的畜牧業(yè)養(yǎng)殖監(jiān)測。該系統(tǒng)不僅避免了人們過大的勞動強度，改善了豬場的設(shè)備環(huán)境，而且提高了生產(chǎn)效率，能科學(xué)地分析觀察豬的健康狀況，從而有效地預(yù)防疾病，對于我國智能化養(yǎng)豬的發(fā)展有著重要的意義，為豬場現(xiàn)代化監(jiān)控系統(tǒng)提供新的選擇。

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作者簡介：高云（1974-），女，博士，主要研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、信號處理。

王帥（1993-），男，湖北武漢人，本科，主要研究方向：自動控制、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

黎煊（1980-），男，博士，主要研究方向：農(nóng)業(yè)智能檢測與控制。