封閉禽舍傳感器節(jié)點軟硬件設計

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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)技術學院2.江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術學院3.江蘇大學生物機電工程研究院

工廠化蛋雞舍在結構上是一個全封閉的設施，雞舍內部環(huán)境受設計結構的制約和影響，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。雞舍設施的全封閉性決定了雞舍與外界的物質與能量交換，這種交換會引起雞舍小氣候環(huán)境的變化，進而在一定程度上又會影響蛋雞的生長及其產(chǎn)蛋率。雞舍氣候信息采集的智能化和信息化是實施工廠化蛋雞養(yǎng)殖的關鍵技術之一，國內外已有科研人員將無線傳感器網(wǎng)絡(WirelessSensorNetworks，WSN)技術應用于農(nóng)田信息采集。為滿足農(nóng)業(yè)信息采集中監(jiān)測周期長的需求，研究人員結合不同的應用場合，設計了多種專用的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點［1－6］。由于封閉式蛋雞舍設施的特殊性，雞舍環(huán)境信息有線采集設備易出故障，且設備的投入成本與維護成本較高，因此，無線傳感器網(wǎng)絡的應用將盡顯其優(yōu)勢。為此，筆者在盡可能延長無線傳感器節(jié)點通信距離的基礎上，合理地設計硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，以有效提高節(jié)點的生存周期。

1節(jié)點硬件設計

節(jié)點硬件設計通過自組網(wǎng)的形式將采集的信息發(fā)送至系統(tǒng)監(jiān)控中心，實現(xiàn)對封閉式蛋雞舍設施的溫度、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)點由微處理器模塊、無線通信模塊、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)點的通信距離，微控制器(CPU)采用AVR系列單片機ATmega128L，對比普通51系列單片機而言，ATmega128L代碼執(zhí)行效率更高，抗干擾能力更強，同時，ATmega128L單片機具有低功耗的特點(1μA～25mA，WDT關閉時為100nA)。該設計的無線通信模塊采用功耗低、發(fā)射功率可微調的nRF905模塊，其高斯頻移鍵控(GFSK)調制方式抗干擾能力強，能夠很好地抑制噪聲環(huán)境對信息采集系統(tǒng)的影響。設計節(jié)點的CPU時鐘頻率為7．3228MHz，nRF905設定在433MHz國家開放頻段。溫濕度傳感器采用SHT11，光強度傳感器采用美國TAGS公司的光強度數(shù)字TSL2561。有害氣體濃度的監(jiān)測傳感器分別為:CO2濃度傳感器選用美國FIGARO公司生產(chǎn)的TGS4160，NH3傳感器選擇的型號為MIC－NH3智能傳感器，硫化氫傳感器選擇的型號為(H2S傳感器)M－100。

2節(jié)點軟件設計

針對上述節(jié)點硬件結構，結合封閉式蛋雞舍設施信息采集周期性強、時間間隔短、單次數(shù)據(jù)傳輸量大的特點，設計了基于C語言的軟件系統(tǒng)。

2．1節(jié)點軟件構成

節(jié)點軟件由操作系統(tǒng)和應用程序構成。WSN利用TinyOS操作系統(tǒng)，采用AVRStudio4．07開發(fā)平臺，開發(fā)應用程序，包括各個硬件模塊的驅動、數(shù)據(jù)采集和通信協(xié)議。在TinyOS環(huán)境下為節(jié)點用NesC語言編寫了相應的執(zhí)行程序。AVRStudio4．07平臺采用面向對象的編程方法，1個TinyOS應用程序與多個組件(Component)連接，構成1個執(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。該設計傳感器節(jié)點的TinyOS應用程序結構如圖2所示。

2．2節(jié)點休眠的設計

無線傳感器節(jié)點節(jié)省能量的最主要的方式是休眠機制。當傳感器節(jié)點目前沒有傳感任務并且不需要為其他節(jié)點轉發(fā)傳感數(shù)據(jù)時，關閉節(jié)點的無線通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊甚至計算模塊以節(jié)省能量。因而，一個傳感任務發(fā)生時，只有與之相連的區(qū)域內的傳感器節(jié)點處于活動狀態(tài)，從而形成一個活動區(qū)域。如圖3所示，活動區(qū)域隨著數(shù)據(jù)向網(wǎng)關節(jié)點傳送而移動，這樣原先活動的節(jié)點在離開活動區(qū)域后可以轉成休眠模式從而節(jié)省能量。

2．3同步控制

時鐘同步是該設計分布式系統(tǒng)的重要組成部分，采用TDMA－MAC協(xié)議。具有休眠機制的無線傳感器網(wǎng)絡需要嚴格的時間同步機制，用來準確接入信道和及時喚醒。在傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點運行工作時的物理時鐘依靠對自身晶振中斷計數(shù)實現(xiàn)。如果節(jié)點晶振的頻率誤差和初始計時時刻不同，就會使節(jié)點之間物理時鐘不同步。通過計算出物理時鐘與邏輯時鐘的關系，構造對應的邏輯時鐘以達成同步。無線傳感節(jié)點在應用基站充當時間基準點，發(fā)送數(shù)據(jù)包具有當前時鐘讀數(shù)的同步指令，當無線傳感器網(wǎng)絡內其他節(jié)點接收到該同步指令后，計算延時參數(shù)并調整本節(jié)點的邏輯時鐘值，以和基站節(jié)點基準點構成同步。傳感節(jié)點在和基站節(jié)點同步后作為新的基準點，一環(huán)接一環(huán)由里向外同步，直至覆蓋整個無線傳感器網(wǎng)絡。

2．4節(jié)點程序的調試

無線傳感器節(jié)點硬件和軟件設計完成后，進行了程序初步調試。程序調試平臺為AVRStudio4．07，調試步驟如下:①在啟動AVRStudio4．07之前，將JTAG仿真器與PC機串口連接起來;②JTAG仿真器的數(shù)據(jù)電纜連接到目標板的JTAG接口;③在確認PC、JTAGICE和目標板正確連接后，按照下列順序依次接通電源的操作:打開目標板電源，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亮表示連接成功，若有任意一燈不亮，就說明連接沒有成功;④在PC上打開AVRStudio4．07，調試節(jié)點程序，如下圖4、5所示。

3結語

為解決傳統(tǒng)封閉式蛋雞舍設施的溫度、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)測中所存在的監(jiān)測區(qū)域面積小、采樣率低、工作量大等問題，該研究探討了將無線傳感器節(jié)點技術作為封閉式蛋雞舍環(huán)境監(jiān)測中數(shù)據(jù)采集和傳輸載體的可行性，設計和開發(fā)了無線傳感器節(jié)點，并進行了節(jié)點程序的調試。下一步應采用所設計的無線傳感器節(jié)點，構成無線傳感器網(wǎng)絡，通過進一步的封閉式蛋雞舍環(huán)境因子信息采集試驗，提高無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠性和實用性。