嵌入式无线养殖场监控系统的研究与设计

■李 红 王 艳 宋晓燕

（平顶山学院电气信息工程学院，河南平顶山 467000）

畜牧养殖自动化将是养殖的发展趋势。随着无线技术的快速发展，近年来，饲养方式向集约化、自动化与信息化发展。畜牧种类和品种对饲养环境的要求各不相同，但大都受温度的影响，特别是封闭式的养殖环境，不仅光照有限，并且温湿度波动较大。在这样的环境下，禽畜牧的生长繁殖将受较大的影响,无线网络最大的优势就是无需布线，并且监测点设置灵活、架构分明、单点维护方便[1]。针对于此，对养殖场的温度、湿度、光照强度等环境数据进行无线监测，实时反馈数据信息。

本文设计的无线养殖场监控系统采用S3C6410作为核心处理器，底层采用Zigbee无线传感网络采集并发送环境数据，同时利用WiFi传输底层数据。该系统对现场的视频信息和环境信息进行采集和显示，通过上位机软件控制监控设备，方便用户实时监控养殖场。

1 系统的整体架构

本文所设计的无线养殖场监控系统主要由3个部分组成：底层数据采集节点、数据传输器和上位监控模块。底层无线数据采集节点由CC2430芯片、USB摄像头、参数采集模块组成，USB摄像头可在实时采集养殖场的视频信息，参数采集模块主要是对养殖场中的环境信息进行数据采集。数据传输器对环境信息和视频信息进行打包，通过无线WiFi传输给上位控制机。上位监控模块对数据包中的信息进行解码，将视频信息和环境信息实时地反映在屏幕上。无线养殖场监控系统的整体框架如图1所示。

图1 无线养殖场监控系统的整体框架

2 多数据采集结点的数据融合

多传感器数据融合技术对于解决冗余数据提高数据的精确性提供了技术支持，并进一步降低误差数据对整体检测数据的干扰。

2.1 多数据采集结点的数据预处理

无线养殖场中的检测数据集取决于场所布置的无线采集节点的数量，节点越多需要融合的数据量就越多，但是无线节点由于受到各种因素的干扰和本身精度的影响，节点采集数据的可能有一定的误差，为了剔除误差较大的节点数据，对节点采集的所有数据进行前期预处理。文章采用模糊集理论根据容许函数的阈值剔除误差较大的传感器数据。

定义两个数据采集节点间的容许函数为二元模糊关系：R：X×X→ [0,1],满足以下条件[2]：

①R(x,x)=1；②R(x,y)=R(y,x)；③当D(x,y)≤D(x,y')时，R(x,y)≥R(x,y')

其中，X是数据采集节点测量数据的论域；D(x,y)表示x与y之间的距离。根据容许函数的定义，数据容许度类似于数据的可信度，当某一个数据采集节点所采集的数据与均值的差越小表示数据的可信度越高。

某一个数据采集节点在某一时刻得到的测量数据为 x1,x2…,xn，其中，xi=(xix,xiy)，xj=(xjx,xjy)。设，dij表示节点采集值xi和xj间的距离。文章将容许函数定义为：

定义阀值函数A(xi,xj)，

其中ε为xi,yi允许的最大距离,ε与节点的测量精度有关，通过前期数据采集节点的多次校准实验，可以得出节点的误差容许值。A(xi,xj)为1时表示两个节点传感器所采集的数据在容许的范围内，若为0表示两个数据之间没有容许的意义，应剔除掉。

2.2 采集结点的数据分批估计

无线养殖场中需要布置较多类型的无线传感器，这里以温度数据为例进行算法的改进和说明,假设在无线养殖场的一个区域内随机布置n个温度传感器节点，现将将某一时刻单个温度传感器采集的n个数据均分为4组,其中第j组为Tj1,Tj2,Tj3,......Tjnj,nj≥2,j=1,2,3,4 并且，则4组平均值为：

对应的方差为：

根据文献[3]的研究可知，利用统计学中分批估计理论可以求解单传感器4组数据融合的最优估计值T：

单温度传感器4组数据融合之后的可得该温度传感器采集数据的最优方差σ2：

3 数据传输协议的设计

高效稳定的传输协议是信息传输质量的保证，该无线监测系统依据传输数据的数据包大小、传输数据的类型等各方面的特点[4]，设计了两套数据包格式。

3.1 数据传输器与环境参数采集模块的通信

数据传输器与底层数据采集节点之间的通信内容主要为检测数据。采用串口通信，通信时采用半双工方式，数据传输器为主设备，底层数据采集节点为从设备。该协议的数据包主要分为以下几种类型。

表1 询问底层数据采集节点

A表示传感器节点的类型，B表示传感器节点的高位值，C表示传感器节点的低位值。

主设备向从设备发送数据帧以4040H为帧起始符，从设备回复主设备数据帧以5050H为帧起始符。

表2 底层数据采集节点回复

3.2 上位机与数据传输器的通信

上位机与数据传输器之间的通信包含了视频数据和监测数据，因此传输协议在保证视频信息实时性的同时还需要兼顾环境信息传输的可靠性。由于视频信息数据量较大，为主要的传输内容，所以传输方式主要考虑视频信息传输的稳定性。目前较为流行的是采用UDP协议进行传输。但UDP在进行传输的过程中，每次传输的数据包大小不能超过2048字节，而且UDP协议是不面向连接的传输协议，在传输的过程中会导致丢包等情况[5]。TCP协议提供面向连接，可靠的数据传输服务，数据无差错、无重复地进行发送，本系统采用可靠性更高的TCP协议进行数据传输。

3.3 数据传输的过程

数据传输模块以S3C6410作为核心控制器，采用Linux系统作为运行环境。系统通电后，Linux系统初始化，随后向上位机发送连接请求指令。具体的数据通信流程如图2所示。

图2 数据通信流程

数据传输器的程序流程主要有以下步骤：

①系统上电后首先进行初始化，然后运行脚本建立WiFi连接并运行主程序；

②数据传输器与上位机建立TCP连接，并发送连接请求，上位机对数据传输器进行信息注册；

③周期性采集视频信息，并向上位机发送视频信息，在得到上位机确认指令后断开TCP连接；

④读取底层无线数据采集节点的环境信息，建立TCP连接并向上位机发送环境信息，在得到上位机确认指令后断开TCP连接。

4 上位机应用软件设计

上位机部分采用VS2012进行软件设计，用户手动输入本机的IP地址和需要监听的端口号。当计算机通过路由器接收到连接指令后，将注册信息显示在主界面。监控界面如图3所示。

图4显示了养殖场环境数据的显示界面，界面不仅数字式显示当前养殖场环境的情况，并以波形的形式显示采集数据的数据变化情况，这便于工作人员精确形象的分析养殖场环境状况。

图3 无线养殖场监控系统的登陆界面

图4 无线养殖场监控系统数据显示界面

5 结语

本文设计的无线养殖场监控系统采用S3C6410作为核心处理器，底层采用Zigbee无线传感网络采集并发送环境数据，同时利用WiFi传输底层数据。实现了对养殖场环境信息检测和实时视频传输。为解决养殖场中多传感器监测数据的融合精度低的问题，还提出了一种改进型的分批估计融合算法，同时根据无线监测系统传输数据的大小和数据类型，设计了两套数据包格式。实验验证该系统基本满足养殖场环境监测需求，有较广泛的应用前景和实用价值。