基于Ruff套件的智能養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全國(guó)平 龐朝俞 王平 楊厚林

摘? ?要：傳統(tǒng)智能養(yǎng)殖系統(tǒng)大多存在智能化不足、無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)不明確等問(wèn)題。文章基于Ruff開發(fā)套件，將智能控制與遠(yuǎn)程養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)相結(jié)合，設(shè)計(jì)清晰的智能養(yǎng)殖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)終端底層對(duì)溫濕度的監(jiān)測(cè)、語(yǔ)音控制燈光以及紅外線感應(yīng)活動(dòng)情況等功能的同時(shí)，將云IoT平臺(tái)引入智能養(yǎng)殖系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端的遠(yuǎn)程養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)。實(shí)踐表明：該智能養(yǎng)殖系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)掌握養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境信息，有助于提高養(yǎng)殖效率。

關(guān)鍵詞：智能養(yǎng)殖;物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái);Ruff;消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議;語(yǔ)音識(shí)別

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，肉類的市場(chǎng)需求量越來(lái)越大，針對(duì)肉類品質(zhì)方面的要求也更高了，保證肉類質(zhì)量的關(guān)鍵在于養(yǎng)殖過(guò)程[1]。

1? ? 智能養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體架構(gòu)

本套系統(tǒng)主要通過(guò)收集、處理、分析數(shù)據(jù)尋找最佳的養(yǎng)殖條件，具備了以下功能：識(shí)別養(yǎng)殖人員語(yǔ)音命令的智能電燈;采集養(yǎng)殖場(chǎng)的溫濕度，并根據(jù)數(shù)據(jù)智能開啟對(duì)應(yīng)設(shè)備調(diào)節(jié)溫濕度[2];可以紅外感應(yīng)所養(yǎng)殖的動(dòng)物是否逃跑或有其他天敵物種接近的蜂鳴器報(bào)警;光照傳感器和繼電器智能開啟或關(guān)閉補(bǔ)光燈以調(diào)節(jié)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的光照強(qiáng)度;火焰報(bào)警器在突發(fā)火災(zāi)時(shí)自動(dòng)報(bào)警。此外，將所有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）云平臺(tái)上的表格中，存儲(chǔ)、記錄、分析養(yǎng)殖的最佳條件，并可通過(guò)該云平臺(tái)隨時(shí)對(duì)本系統(tǒng)發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)設(shè)備的控制。養(yǎng)殖系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2? ? 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

2.1? Ruff物聯(lián)網(wǎng)感知層相關(guān)技術(shù)

傳感器是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)接觸物理世界各個(gè)模擬量最直接的工具，是一種監(jiān)測(cè)的裝置，能夠感知被測(cè)量的模擬信息，并通過(guò)一些手段將這些模擬信息按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)化成可以進(jìn)一步處理的電信號(hào)或其他可處理的形式，傳感器后端的模塊再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，將物理信息進(jìn)一步升級(jí)為數(shù)字信息，方便后續(xù)的處理。

2.2? 云端涉及的相關(guān)技術(shù)

2.2.1? MQTT實(shí)現(xiàn)原理

實(shí)現(xiàn)消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議需要客戶端和服務(wù)器端通信完成，在通信過(guò)程中，MQTT協(xié)議中有3種身份：發(fā)布者（Publish）、代理（Broker或服務(wù)器）、訂閱者（Subscribe）。其中，消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端，代理是服務(wù)器，發(fā)布者同時(shí)可以是訂閱者[3]。

2.2.2? 傳感器技術(shù)

一個(gè)傳感器模塊主要由4部分組成：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路、輔助電源，如圖2所示。工作流程大致是：首先，由敏感元件去探測(cè)物理量。其次，將物理量的變換傳遞給轉(zhuǎn)換元件，轉(zhuǎn)換元件通常將這種變化以一定的方式在其輸出端產(chǎn)生電勢(shì)差或電流變化。再次，將這種微弱的電信號(hào)輸入進(jìn)轉(zhuǎn)換電路，在輔助電源的幫助下進(jìn)行放大濾波等處理。最后，輸出一個(gè)可用的電信號(hào)或其他形式的信號(hào)[4]。

3? ? 智能養(yǎng)殖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

總體結(jié)構(gòu)需要用到的外設(shè)有溫濕度傳感器（DHT11模塊）、火焰?zhèn)鞲衅鳌⒓t外傳感器（HC-SR501模塊）、繼電器模塊、蜂鳴器，把這些外設(shè)加到Ruff物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，讓Ruff操作系統(tǒng)對(duì)外設(shè)進(jìn)行底層的控制與數(shù)據(jù)的讀取。

設(shè)備終端直連外設(shè)模塊，對(duì)其進(jìn)行直接控制，并直接讀數(shù)據(jù)采集層的數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)上報(bào)給IoT云進(jìn)行處理保存，方便前端的使用。當(dāng)用戶想控制操作系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)前端控制，發(fā)送控制命令給IoT云，由IoT云下發(fā)命令給終端，終端控制設(shè)備層的設(shè)備，進(jìn)行相應(yīng)的操作。此外，當(dāng)采集到數(shù)據(jù)異常時(shí)，終端會(huì)直接控制設(shè)備層，做出警報(bào)動(dòng)作。

3.1? 溫濕度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫濕度系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案的數(shù)據(jù)采集用的是DHT11溫濕度傳感器，是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此，該產(chǎn)品具有卓越品質(zhì)、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。

3.2? 紅外感應(yīng)設(shè)計(jì)

紅外線感應(yīng)系統(tǒng)主要是通過(guò)紅外線傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，紅外線傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的傳感器。在物理學(xué)中，可見光、不可見光、紅外光及無(wú)線電等都是電磁波，它們之間的差別只是波長(zhǎng)（或頻率）的不同。將紅外感應(yīng)傳感器部署到開發(fā)套件上，當(dāng)有動(dòng)物進(jìn)入其感應(yīng)范圍，傳感器就會(huì)輸出高電平，觸發(fā)蜂鳴器。

3.3? 語(yǔ)音控制燈光系統(tǒng)

語(yǔ)音控制開關(guān)燈的整體思想就是通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別成文字，上傳到IoT平臺(tái)上，經(jīng)過(guò)處理下發(fā)到設(shè)備控制電燈的開關(guān)。

本系統(tǒng)用Python實(shí)現(xiàn)一個(gè)能識(shí)別語(yǔ)音的腳本，語(yǔ)音識(shí)別需用上百度在線語(yǔ)音識(shí)別云服務(wù)，通過(guò)AI語(yǔ)音設(shè)備成文字，然后IoT云會(huì)下發(fā)控制命令給終端，進(jìn)行燈光控制。

4? ? 系統(tǒng)運(yùn)行效果

4.1? 環(huán)境數(shù)據(jù)的采集調(diào)試

將設(shè)備插上電源，等待硬件初始化完成，然后控制Ruff開發(fā)板連接熱點(diǎn)，讓套件連接上網(wǎng)絡(luò)，可以讓硬件和阿里云IoT進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如果采集環(huán)境數(shù)據(jù)正常，采集到的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)到遠(yuǎn)程的手機(jī)釘釘端。

4.2? 語(yǔ)音控制燈光開關(guān)功能調(diào)試

語(yǔ)音控制開關(guān)燈的操作，完成以上的數(shù)據(jù)接收后，說(shuō)明設(shè)備和PC端是可以實(shí)現(xiàn)通信，PC開始運(yùn)行Python的腳本，對(duì)著麥克風(fēng)說(shuō)：“打開”或者“open”，Python腳本會(huì)向設(shè)備發(fā)送開燈的指令，然后繼續(xù)說(shuō)：“關(guān)閉”或者“close”，腳本也會(huì)發(fā)一個(gè)關(guān)燈的指令，即可實(shí)現(xiàn)燈光的控制。對(duì)于語(yǔ)音識(shí)別的正確率能夠達(dá)到80%左右。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)采用Ruff操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能養(yǎng)殖，開發(fā)難度下降許多，畢竟這是Ruff的優(yōu)勢(shì)，它將底層硬件的工作都封裝起來(lái)，打破原有軟硬件溝通的難題，輕松地結(jié)合響應(yīng)傳感器實(shí)現(xiàn)響應(yīng)功能，再利用IoT云打破很多養(yǎng)殖系統(tǒng)的局限—無(wú)法遠(yuǎn)程監(jiān)控的缺陷，也完成了響應(yīng)的部分功能。但仍然存在許多不足之處，如對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)，只能監(jiān)測(cè)，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制;當(dāng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，還需要人工進(jìn)行校對(duì)，大大降低了養(yǎng)殖場(chǎng)養(yǎng)殖效率。

[參考文獻(xiàn)]

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[3]林滸，張家銘，楊海波.基于MQTT協(xié)議的即時(shí)消息業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2017（3）：55-56.

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