封閉禽舍傳感器節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)

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本文作者：曹元軍1金濯2翟旭軍2王新忠3作者單位：1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院2.江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術(shù)學(xué)院3.江蘇大學(xué)生物機(jī)電工程研究院

工廠化蛋雞舍在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)全封閉的設(shè)施，雞舍內(nèi)部環(huán)境受設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的制約和影響，形成了不同于外部環(huán)境的“雞舍小氣候”。雞舍氣候信息主要包括室內(nèi)的溫度、濕度、光照、二氧化碳、氨氣和硫化氫等環(huán)境因子。雞舍設(shè)施的全封閉性決定了雞舍與外界的物質(zhì)與能量交換，這種交換會(huì)引起雞舍小氣候環(huán)境的變化，進(jìn)而在一定程度上又會(huì)影響蛋雞的生長(zhǎng)及其產(chǎn)蛋率。雞舍氣候信息采集的智能化和信息化是實(shí)施工廠化蛋雞養(yǎng)殖的關(guān)鍵技術(shù)之一，國(guó)內(nèi)外已有科研人員將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks，WSN)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田信息采集。為滿足農(nóng)業(yè)信息采集中監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)的需求，研究人員結(jié)合不同的應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)計(jì)了多種專用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)［1－6］。由于封閉式蛋雞舍設(shè)施的特殊性，雞舍環(huán)境信息有線采集設(shè)備易出故障，且設(shè)備的投入成本與維護(hù)成本較高，因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將盡顯其優(yōu)勢(shì)。為此，筆者在盡可能延長(zhǎng)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通信距離的基礎(chǔ)上，合理地設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，以有效提高節(jié)點(diǎn)的生存周期。

1節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)通過(guò)自組網(wǎng)的形式將采集的信息發(fā)送至系統(tǒng)監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)封閉式蛋雞舍設(shè)施的溫度、空氣濕度、光照、二氧化碳、氨氣和硫化氫等環(huán)境因子的采集。傳感器節(jié)點(diǎn)由微處理器模塊、無(wú)線通信模塊、串口通信模塊、傳感器模塊和電源模塊組成，如圖1所示。為了提升傳感器節(jié)點(diǎn)的通信距離，微控制器(CPU)采用AVR系列單片機(jī)ATmega128L，對(duì)比普通51系列單片機(jī)而言，ATmega128L代碼執(zhí)行效率更高，抗干擾能力更強(qiáng)，同時(shí)，ATmega128L單片機(jī)具有低功耗的特點(diǎn)(1μA～25mA，WDT關(guān)閉時(shí)為100nA)。該設(shè)計(jì)的無(wú)線通信模塊采用功耗低、發(fā)射功率可微調(diào)的nRF905模塊，其高斯頻移鍵控(GFSK)調(diào)制方式抗干擾能力強(qiáng)，能夠很好地抑制噪聲環(huán)境對(duì)信息采集系統(tǒng)的影響。設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的CPU時(shí)鐘頻率為7．3228MHz，nRF905設(shè)定在433MHz國(guó)家開(kāi)放頻段。溫濕度傳感器采用SHT11，光強(qiáng)度傳感器采用美國(guó)TAGS公司的光強(qiáng)度數(shù)字TSL2561。有害氣體濃度的監(jiān)測(cè)傳感器分別為:CO2濃度傳感器選用美國(guó)FIGARO公司生產(chǎn)的TGS4160，NH3傳感器選擇的型號(hào)為MIC－NH3智能傳感器，硫化氫傳感器選擇的型號(hào)為(H2S傳感器)M－100。

2節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)上述節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)，結(jié)合封閉式蛋雞舍設(shè)施信息采集周期性強(qiáng)、時(shí)間間隔短、單次數(shù)據(jù)傳輸量大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于C語(yǔ)言的軟件系統(tǒng)。

2．1節(jié)點(diǎn)軟件構(gòu)成

節(jié)點(diǎn)軟件由操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序構(gòu)成。WSN利用TinyOS操作系統(tǒng)，采用AVRStudio4．07開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，包括各個(gè)硬件模塊的驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集和通信協(xié)議。在TinyOS環(huán)境下為節(jié)點(diǎn)用NesC語(yǔ)言編寫了相應(yīng)的執(zhí)行程序。AVRStudio4．07平臺(tái)采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎ?個(gè)TinyOS應(yīng)用程序與多個(gè)組件(Component)連接，構(gòu)成1個(gè)執(zhí)行模塊(Module)。組件是硬件的抽象概念，組件間由接口(Interface)互相連接。該設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)的TinyOS應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．2節(jié)點(diǎn)休眠的設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)節(jié)省能量的最主要的方式是休眠機(jī)制。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)目前沒(méi)有傳感任務(wù)并且不需要為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)傳感數(shù)據(jù)時(shí)，關(guān)閉節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊甚至計(jì)算模塊以節(jié)省能量。因而，一個(gè)傳感任務(wù)發(fā)生時(shí)，只有與之相連的區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)，從而形成一個(gè)活動(dòng)區(qū)域。如圖3所示，活動(dòng)區(qū)域隨著數(shù)據(jù)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳送而移動(dòng)，這樣原先活動(dòng)的節(jié)點(diǎn)在離開(kāi)活動(dòng)區(qū)域后可以轉(zhuǎn)成休眠模式從而節(jié)省能量。

2．3同步控制

時(shí)鐘同步是該設(shè)計(jì)分布式系統(tǒng)的重要組成部分，采用TDMA－MAC協(xié)議。具有休眠機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要嚴(yán)格的時(shí)間同步機(jī)制，用來(lái)準(zhǔn)確接入信道和及時(shí)喚醒。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)運(yùn)行工作時(shí)的物理時(shí)鐘依靠對(duì)自身晶振中斷計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)。如果節(jié)點(diǎn)晶振的頻率誤差和初始計(jì)時(shí)時(shí)刻不同，就會(huì)使節(jié)點(diǎn)之間物理時(shí)鐘不同步。通過(guò)計(jì)算出物理時(shí)鐘與邏輯時(shí)鐘的關(guān)系，構(gòu)造對(duì)應(yīng)的邏輯時(shí)鐘以達(dá)成同步。無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)在應(yīng)用基站充當(dāng)時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)，發(fā)送數(shù)據(jù)包具有當(dāng)前時(shí)鐘讀數(shù)的同步指令，當(dāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)接收到該同步指令后，計(jì)算延時(shí)參數(shù)并調(diào)整本節(jié)點(diǎn)的邏輯時(shí)鐘值，以和基站節(jié)點(diǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)構(gòu)成同步。傳感節(jié)點(diǎn)在和基站節(jié)點(diǎn)同步后作為新的基準(zhǔn)點(diǎn)，一環(huán)接一環(huán)由里向外同步，直至覆蓋整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2．4節(jié)點(diǎn)程序的調(diào)試

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件和軟件設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了程序初步調(diào)試。程序調(diào)試平臺(tái)為AVRStudio4．07，調(diào)試步驟如下:①在啟動(dòng)AVRStudio4．07之前，將JTAG仿真器與PC機(jī)串口連接起來(lái);②JTAG仿真器的數(shù)據(jù)電纜連接到目標(biāo)板的JTAG接口;③在確認(rèn)PC、JTAGICE和目標(biāo)板正確連接后，按照下列順序依次接通電源的操作:打開(kāi)目標(biāo)板電源，即SW1撥至“ON”處，然后接通JTAG電源，JTAG仿真器上的綠黃兩燈同時(shí)亮表示連接成功，若有任意一燈不亮，就說(shuō)明連接沒(méi)有成功;④在PC上打開(kāi)AVRStudio4．07，調(diào)試節(jié)點(diǎn)程序，如下圖4、5所示。

3結(jié)語(yǔ)

為解決傳統(tǒng)封閉式蛋雞舍設(shè)施的溫度、空氣濕度、光照、二氧化碳、氨氣和硫化氫等環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)中所存在的監(jiān)測(cè)區(qū)域面積小、采樣率低、工作量大等問(wèn)題，該研究探討了將無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)技術(shù)作為封閉式蛋雞舍環(huán)境監(jiān)測(cè)中數(shù)據(jù)采集和傳輸載體的可行性，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)程序的調(diào)試。下一步應(yīng)采用所設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)進(jìn)一步的封閉式蛋雞舍環(huán)境因子信息采集試驗(yàn)，提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。