基于分布式无线传感网络的智能变频风机的研究应用

孙凯，连京华，李惠敏，殷若新

（山东省农业科学院家禽研究所，山东济南250023）

基于分布式无线传感网络的智能变频风机的研究应用

孙凯，连京华*，李惠敏，殷若新

（山东省农业科学院家禽研究所，山东济南250023）

随着我国养殖业的不断发展，家禽养殖规模化和现代化发展已成为必然，越来越多的养殖企业开始利用环境自动化控制技术对禽舍进行有效管理，取得了显著的生产效益。标准化、规模化的程度在家禽养殖业的占比越高，环境因素所起的作用越大。

通风对于环境控制的重要性不言而喻。良好的通风可以排出舍内水蒸气、各种有害气体、粉尘以及多余的热量，从而保证鸡体健康。风机是依靠输入的机械能而提高气体压力并排送气体的机械，是目前家禽养殖中主要的通风设备。实际生产中禽舍环控风机主要包括变频和定频两种。定频风机价格低廉，应用广泛，设备简单，故障率低，但缺点同样突出，每次启动消耗能源多，舍内环境变化波动强烈，易使家禽产生应激反应。变频风机很好却能解决了以上问题，开机初期，高频运转，可以快速改善舍内环境；达到设定温度时，降频运转不停机，室温变动小；稳定运转后，低频低功率运转，节能省电。因此变频风机成为本次研究应用的首选。

1 系统组成

市场上销售的变频风机对温度的实时感知是通过一个温度传感器来实现的，由于禽舍空间结构的复杂性，高处和低处的空气质量、风机旁边和远处的空气质量、禽舍中部和靠墙的空气质量差别都较大，一个传感器难以获取科学、客观的数据。分布式无线传感网络通过设置在多个重要代表位置的温度传感器获取数据，由计算机程序校对后获得最接近客观事实的舍内温度信息，进而控制风机运行。该系统主要由无线温度传感节点、控制节点（控制器和数据通讯部件）、基站、监控终端组成。变频风机系统结构见图1。

图1 智能变频通风系统结构示意图

无线温度传感节点根据测定要求布置在禽舍内，通过自组织方式组成分布式无线智能传感网络，每个传感器把各自采集到的数据实时经多跳路由发往基站，控制电路实时获取的风机设备的状态信息通过多跳方式由控制节点发往基站，基站通过串口把汇总数据发向监控终端（服务器），监控终端内安装专业软件的控制算法对数据进行计算和分析，得出风机设备最优运行方案，以多跳方式将控制命令通过基站发往控制节点，控制风机设备的运行状态。

2 系统软硬件设计

本系统涉及到多个无线温度传感节点，节点的可靠运行是整个系统的基本要求，本系统实用的传感节点包括传感器、无线通信模块、处理器、存储器。无线温度传感节点架构见图2。

图2 无线温度传感节点架构图

处理器电路是传感器、通信模块、储存电路及控制器的核心，还负责控制驱动电路流程和总线通讯协议逻辑。因此处理器采用低成本、高速率的STC15W204S芯片。无线通讯模块主芯片采用TI的CC2530，2.4G载频，棒状天线，使用电池供电。

2.1 系统基站系统基站由基带板、主控传输板以及电源模块组成。主控传输板接收网络发来的传感器数据和控制数据后发往基带板转换处理，基带板先把数据处理为物理量数据，变换之后通过串口发往监控终端,监控终端的用户程序接收到传感器数据和被控设备状态信息。计算出优化方案后数据反向传回控制模块，控制风机设备运行。

2.2 操作系统本系统选择的SOS是一种从设计上着重考虑动态性的更适合多个无线节点的操作系统。它由一个公共的内核和模块组成，它有自己的消息机制，动态内存机制可以动态加载和动态卸载模块，以及其他的一些服务。它有丰富的模块供调用，模块会同时负责很多部分的功能，包括底层驱动、路由协议、数据采集、无线通信、多跳网络等。

2.3 监控终端应用程序为保障系统的可靠性和有效性，特别编写了监控终端应用程序。测试结果显示该应用程序的稳定性良好，算法科学、高效，bug得到了最大程度的修正。应用程序结构见图3。

图3 应用程序结构图

3 应用测试和功能实现

该畜禽舍环境监控系统在济南某蛋鸡舍进行现场安装与运行，养殖场蛋鸡舍都装有风机设备、小窗和湿帘等来控制禽舍的通风、降温。禽舍长101.2m、宽为16.4m。存栏40000只蛋鸡，配置包括自动化饮水、喂料系统和自动清粪系统，根据现场情况设计配备了8个传感节点、1个无线网络控制节点、8台变频风机、1个小型基站及1台作为监控终端的商用服务器组成。

智能变频风机系统可以长期稳定运行，良好实现了数据采集、介质访问、基站与监控终端的即时通信、算法科学等设计目的；系统能够实现对禽舍温度参数的实时采集、处理、存储、显示及无线网络监控，无线传感器网络节点模块化设计、组网灵活、增减方便；系统后期可根据用户要求，通过更新监控终端应用程序和修改硬件设置后在传感器节点添加光照、氨气、粉尘等多种传感器，方便实现系统升级。该系统采用的分布式无线网络传输系统，避免了传统的有线环境监控系统因布线繁杂带来安全性问题和数据有效性问题，变频风机设备的应用也解决了定频风机使用过程中带来的温差过大的问题。因而，该系统的研究应用具有良好的发展前景。

S818.5

A

1673-1085（2017）06-0019-02

2017-05-15

*通讯作者。