基于无线传感器网络的猪只饮水测量系统

高云等

摘 要：针对目前猪场不能对猪饮水量精确测量等不利因素，设计了基于无线传感器网络和TinyOS的猪只饮水测量系统。该系统能够实现精细化养猪，实时监测猪只的饮水情况，并能将数据通过无线传感网络传输至PC机，科学分析猪只的生长状况，并对疾病进行有效的防控，进而可以在猪场自动化设计、环境检测、疾病预防等方面做出改进。这对中国现代化养猪，规范化养猪，提高生产率，推动养猪技术发展有着重要意义。

关键词：无线传感器网络；TinyOS；实时监测；饮水

我国有着非常悠久的养猪历史，养猪业发展前景巨大，但是在养猪技术方面仍然比较落后，而且许多猪场面临一系列生产管理问题。目前市面上的猪饮水设备中，测量猪饮水的称重系统可以对猪饮水量称重，但是结构复杂，数据分析不足，未能定量分析猪的生长健康状况[1]。本项目涉及基于无线传感网络的猪场饮水测量系统，实时监测猪的饮水情况，进行科学分析猪的健康状况，并对疾病进行有效的防控。本装置避免了人们过大的劳动强度，改善了猪场的设备环境，提高了生产效率，能科学地分析观察猪的健康状况，从而有效地预防疾病，对于我国智能化养猪的发展有着重要的意义。

1 系统结构

本项目是提供一种监测猪只的饮水测量系统。包括饮水机械装置和在装置周围布置的微型传感器节点。在保证不影响猪只的正常饮水的情况下，通过传感器检测猪只的饮水信息，传感器节点与网关节点建立通信模式，并通过串口与电脑连接，实时监测猪只的饮水健康状况，实现对猪只疾病的预测。本系统能够精确计量猪只的饮水量，并通过无线传感器网络识别猪只的ID号，进行数据网络化统一管理。系统总体结构如图1所示。

机械装置：机械装置部分由鸭嘴式猪饮水器、水槽、水流量传感器和不锈钢水管等组成。鸭嘴式猪只饮水器由阀体、阀芯、密封圈、回味弹簧、塞盖、滤网等组成。整体结构简单，耐腐蚀，工作可靠，不漏水，寿命长，猪饮水时，嘴含饮水器，咬压下阀杆，水从阀芯和密封圈的间隙流出，进入猪的口腔，当猪嘴松开后，靠回位弹簧张力，阀杆复位，出水间隙被封闭，水停止流出，鸭嘴式猪只饮水设备密封性能好，水流出时压力降低，流速较低，符合猪只饮水要求。水槽的作用是防止多余溅射出来的水浪费，同时也可作为储水装置供猪只饮用。饮水槽底部的漏水槽外表面设有电容式传感器且漏水槽内部放有浮球，若猪饮水时有水溅落到饮水槽中时，水会流到漏水槽中，漏水槽底部的浮球会慢慢浮起来，利用电容式传感器检测，通过单片机控制电路模块控制水泵将漏水槽中多余的水抽走并利用出水流量计节点计量；搭建无线传感器网络，将进水流量计节点和出水流量计节点的数据相减，最后得出猪只精确的饮水量，机械结构如图2所示。

如图2所示，该装置包括：PC机12、USB转串口线11、基站10、无线节点9、进水流量计8、饮水管7、猪饮水器6、饮水槽5、控制电路模块4、水泵3、无线节点2、出水流量计1。

具体实施原理分析如下：当猪饮水时，碰触猪饮水器，水流通过进水流量计和饮水管。若猪饮水时有水溅落到饮水槽中时，饮水槽中的水流到漏水槽中，此时漏水槽中的浮球会从底部慢慢浮起来，这个过程改变了电容式传感器的介电常数，从而改变了电容值。设置浮球在漏水槽底部时的电容值为初始值，若电容值不等于初始电容值时，利用控制电路模块控制水泵将漏水槽中多余的水抽走并通过出水流量计。进水流量计和出水流量机与分别与无线节点和无线节点相连，通过无线传感器网络将数据传给基站，基站再通过USB转串口线与PC机进行通信。

2 无线传感网络设计

TinyOS本身提供了一系列的组件，可以很简单方便地编制程序，用来获取和处理传感器的数据并通过无线电来传输信息。TinyOS在构建无线传感器网络时，它会有一个基地控制台，主要是用来控制各个传感器子节点，并聚集和处理它们所采集到的信息[2-8]。TinyOS只要在控制台发出管理信息，然后由各个节点通过无线网络互相传递[9]，最后达到协同一致的目的，方便快捷。（图3）

节点监测部分：该部分需要在饮水槽附近中布置传感器节点，传感器节点接入无线传感器网络。基站启动后，进行系统初始化。初始化之后建立网络，如果建网不成功则重复至成功。建网成功后，进入循环，依次判别是否有节点加入、串口请求采集命令或传感器节点响应，如果判定需要执行，则分别执行存储传感器地址，向传感器发送采集命令，向串口传输收到的监测数据。传感器节点启动后，进行系统初始化，初始化之后寻找并加入网络，如果加入不成功则重复至成功。加入网络后，每隔5分钟循环执行数据采集，完成后发送到基站[10-11]。具体流程如图4所示。

3 机械电子装置设计

3.1 涡轮流量计

水流量传感器主要由塑料阀体、水流转子组件和霍尔传感器组成。正常工作时，涡轮流量计装在热水器进水端，用于检测进水流量，当水通过水流转子组件时，磁性转子转动并且转速随着流量变化而变化，霍尔传感器输出相应脉冲信号，反馈给控制器，由控制器判断水流量的大小进行调控[12]。

其脉冲频率与流量关系如图5所示。

3.2 微型水泵的选择

选择潜水泵12v扬程3米迷你微型直流无刷水泵，其技术参数如表1所示。

4 上位机部分设计

客户端程序使用C#语言进行编写，C#是微软推出的基于.NET框架的、面向对象的高级编程语言。C#由C语言和C++派生而来，继承了其强大的性能，同时又以.NET框架类库为基础，拥有极高的快速开发能力。C#“简单、现代、通用”的设计原则，以及强类型检查、自动垃圾收集等功能使得C#非常容易上手且具有很强的编程生产力。

数据库使用微软公司推出的关系数据库解决方案Microsoft SQL Server 2008 R2。该平台不仅支持图形化界面操作，同时支持SQL直接对数据库进行增删改查，大大降低了开发以及管理数据设施的时间和成本。此外该平台还具有极高的安全性、可靠性、可扩展性，使得用户只需要关心应用程序的实现。使用数据库可以方便快捷地对传感器数据信息进行存储、分析、管理以及共享。

5 结束语

基于对传统养猪业的不利因素和将来智能化养猪检测系统的综合考虑，设计了基于无线传感器网络和TinyOS的猪只饮水测量系统。本系统具有成本低、易于操作等优点，并且具有很好的移植性，可用于大范围的畜牧业养殖监测。该系统不仅避免了人们过大的劳动强度，改善了猪场的设备环境，而且提高了生产效率，能科学地分析观察猪的健康状况，从而有效地预防疾病，对于我国智能化养猪的发展有着重要的意义，为猪场现代化监控系统提供新的选择。

参考文献

[1]梁小伊，黄思秀.国内外畜牧业产业化发展概况及趋势[J].华南农业大学学报，2007（1）：50-53.

[2]徐敬东，赵文耀，李淼，等.基于ZigBee的无线传感器网络设计[J].计算机工程，2010，36（10）：110-112.

[3]齐楠，韩波，李平.基于 ZigBee 技术的智能家庭无线传感器网络的设计[J].机电工程，2007，24（2）：20-22.

[4]尹航，张奇松，程志林.基于 ZigBee 无线网络的温湿度监测系统[J].机电工程，2008，25（11）：20-23.

[5]马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述[J].通信学报，2004（4）.

[6]司海飞，杨忠，王 .无线传感器网络研究现状与应用[J].机电工程，2011，28（1）：16-20.

[7]尹航，张奇松，程志林.基于 ZigBee 无线网络的温湿度监测系统[J].机电工程，2008，25（11）：20-23.

[8]王万里，郑扣根，姚翔，等.无线网络传感器及其微型操作系统的研究[J].计算机应用研究，2005（9）.

[9]潘浩.无线传感器网络操作系统TinyOS[M].

[10]朱 ，杨占勇.基于CC2530的无线振动监测传感器节点设计[J].仪表技术与传感器，2012（8）：56-58.

[11]李外云.CC2530与无线传感器网络操作系统TinyOS应用实践[M].

[12]肖素琴，韩厚义.流量及应用指南[M].北京：中国石化出版社，1999.

作者简介：高云（1974-），女，博士，主要研究方向：无线传感器网络、信号处理。

王帅（1993-），男，湖北武汉人，本科，主要研究方向：自动控制、无线传感器网络。

黎煊（1980-），男，博士，主要研究方向：农业智能检测与控制。