基于树莓派的无人值守信息处理系统

2018-09-19罗顺元李志强马文颢

计算机测量与控制 2018年9期

罗顺元，李志强，马文颢

(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，哈尔滨 150001)

0 引言

随着畜牧养殖产业的规模化、集约化，使得畜牧业生产厂家对畜禽舍环境调控设备的需求量急剧增加。我国的养猪业生产水平和国外发达国家相比还比较落后，其中猪舍或猪场的环境问题是导致我国养猪业生产力水平低下的重要限制因素。猪舍环境是一个多变量、大惯性、非线性系统，并且存在耦合，延时等现象，传统方法在猪舍的环境调控中，环境因素之间缺乏有机的联系，调控系统的设计多不完善，难以适应现代化管理的要求。

近些年来，伴随着传感器与处理器技术蓬勃发展，各式各样的传感器被应用于多种领域。高精度测量传感器的广泛应用使得环境测控系统也取得了迅速的发展。嵌入式系统方面，由英国慈善组织“Raspberry Pi基金会”开发的树莓派微型主板自问世以来以其强大的功能和小巧的体积备受开发者青睐，这款基于ARM的微型主板几乎具备了个人计算机所有的基础功能为低成本硬件应用系统的开发提供了可能。软件方面，数字图像处理技术在许多领域已得到广泛的应用。随着计算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速发展，数字图像处理向更高、更深层次发展。人们已开始研究如何用计算机系统解释图像，实现类似人类视觉系统理解外部世界，这为通过图像识别的方法进行区域无人化监管提供了可能。

综合上述条件，为解决当前国内养猪场成本投入高，硬件铺设困难的问题，结合树莓派开发技术，设计并实现了一种无人值守信息处理系统，以满足对大型猪舍环境管理的需求。

1 系统总体设计

本系统主要应用于大型养猪场，设计的关键在于对环境变量的准确监测和对硬件成本的把控。整体系统可以分为数据采集与处理、数据传输和移动平台3个部分。所采集的环境变量主要为温度、湿度、空气质量、声音以及图像信息。系统中传感器独立外接与中央控制器，各传感器独立工作，采集的数据信息通过物理连接传入树莓派，树莓派将采集到的数据进行处理，并做出相应的响应。处理完毕的数据通过物理连接直接显示于本地显示设备，同时数据通过WiFi传输协议上传至远程监控端，生成运行日志。监控端由一块树莓派搭建而成。系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

2 硬件系统

本系统的硬件部分主要包括核心控制模块，多种传感器模块，声音采集模块，图像采集模块，移动平台，报警模块，WiFi模块，显示模块，供电模块和远程监控端等。

2.1 核心控制模块

核心控制模块是整个系统的核心部件，承担着驱动传感器、接收数据信息、处理信息的中央任务。考虑到成本和技术要求，采用树莓派3B作为核心控制模块。树莓派是当前应用广泛的控制平台之一，它是基于ARM的微型电脑主板，几乎具备传统PC的所有基本功能。树莓派具有丰富的GPIO接口，支持诸如I2C协议，SPI协议，串口通信协议等主流信息传输协议，能够同时挂载多种器件。对于需要挂载在同一针脚的不同器件，可采用时分复用的方式，不同时刻分别驱动不同器件，这样有效解决控制器IO资源分配的问题。

2.2 传感器模块

传感器模块主要用于对环境变量的监测，并将数据传送至核心控制模块进行处理与传输。

2.2.1 温湿度传感器模块

本系统选用AM2302温湿度传感器进行温湿度信息的采集。AM2302是一款含有已校准数字信号输出的温湿度符合传感器，拥有极高的可靠性与卓越的长期稳定性，具有响应快，抗干扰能力强，性价比高等优点。AM2302温湿度传感器模块与树莓派以单总线的方式连接，仅占用一个GPIO接口。供电可直接与树莓派供电口并联，无需外接电路。

2.2.2 烟雾传感器模块

采用MQ－135空气污染监测传感器作为空气指数采集设备。该传感器对氨气、硫化物、苯系蒸气的灵敏度极高，具有寿命长，低成本，驱动简单等优点广泛应用于气体检测领域。MQ－135空气污染监测传感器配备预热电路，通过感应模块电阻值的变化反馈环境信息。MQ－135模拟输出与A/D转换器PCF8591连接。PCF8591挂载在树莓派的I2C总线上，树莓派能够通过寻址获取信息。

2.2.3 声音采集模块

树莓派板载USB口资源，采用树莓派外接USB声卡配合3.5 mm接口麦克风进行声音采集，确保设备能够保证以标准采样频率44100 Hz进行录音。

2.2.4 图像采集模块

选用豪威科技出产的OV5647摄像头模组该模组具有价格低廉，驱动简单等特点。模组通过FFC软排线与树莓派预留的摄像头接口直接相连，能够完成实时采集图像的任务。

2.2.5 显示模块

显示模块选用微雪出品的4.2inch墨水屏模块。相较于LCD显示设备，墨水屏具有功耗低，视角宽，显示清晰，掉电保持等特点，十分适用于猪舍环境的显示应用。墨水屏与树莓派通过SPI总线相连，接收树莓派显示指令。

2.2.6 WiFi模块

树莓派主板具有板载WiFi模块，通过pythonsocket编程可完成双机数据的互传工作。可实现本地数据上传至远程监控端。

2.2.7 报警模块

报警模块采用WT588D语音芯片模块Pulse Width Modulation(PWM)输出直接驱动0.5W/8Ω扬声器。该语音芯片模块带SPI－Flash，可提前录制并存储多段不同的WAV格式报警信号音频，以便在不同的报警需求下播放相应的报警信号。

2.2.8 供电模块

系统供电采用电池供电，所选电池为航模锂电池，后级配合3个7805系列稳压芯片并联，进行稳压输出。单片7805稳压芯片理论输出电压5 V，最大输出电流1.5 A，三片并联理论输出电压为5 V，理论最大供电电流达4.5 A，保证了充足的电流供应。

2.2.9 移动平台

移动平台由四轮小车、电机驱动模块以及陀螺仪MPU6050组成。电机驱动模块选用LM298N双通道电机驱动模块，通过树莓派GPIO进行模拟占空比50%，50Hz的PWM输出，从而对移动平台进行调速。转向部分，通过改变小车舵机控制信号的占空比可以调节舵机转动，实现小车转向。四轮小车中心固定有陀螺仪，能够回传小车运行时在空间坐标系中的位置信息，系统依据陀螺仪回传数据能够进行方向控制，重心调整等动作，保证小车运行稳定。

(1) 添加生物炭可以改变土壤容重、饱和含水量、毛管孔隙度、田间持水量及水分蒸发量，随生物炭含量的增加，土壤容重与饱和含水量表现出相反的趋势，而毛管孔隙度和田间持水量则表现出相同的趋势。

3 软件系统

软件系统主要包括各模块的驱动程序，数据收发程序，数据处理算法程序以及系统响应命令程序。其主要是树莓派端核心控制程序与数据处理程序的设计。

3.1 树莓派端功能的实现

树莓派微型主板在上电后主要完成各个模块的初始化，等待开始信号后，控制数据采集模块进行数据的收集工作，将所收集的数据进行处理并显示，并通过WiFi模块上传至上位机 (PC)。预设监测猪栏数为十个。其程序流程图如图2所示。

图2 树莓派端程序流程图

3.2 环境变量数据处理程序设计

传感器将所采集的环境变量信息通过数据总线上传至树莓派。树莓派对所得数据进行可信度判断后，写入运行日志。数据处理程序读取运行日志中数据，进行数据融合操作，评估程序结合所得的融合结果通过查表的方式对当前环境是否适宜猪只生长做出判断。环境变量数据流如图3所示。

图3 环境变量数据融合过程

现实环境中，环境变量在一定时间内变化的幅度应符合基本物理原理，因此数据预处理部分采用前向比对法，将所得数据与前向可信数据进行比对，判断突变系数，若突变系数不符合现实情况，则说明当前数据为不可信数据，进行舍弃。例如常态下，环境温度值由常温在1秒内上升1倍，即为不可能事件，所得数据为不可信数据。

树莓派将一段时间内的某传感器所有的可信数据样本求取均值即得到该传感器环境变量真值，此真值用于数据融合以及判定是否进行温度调节，湿度调节等操作。

数据融合部分采用线性融合方式，所涉及变量为温度，湿度。首先将环境变量进行归一化得到量纲相同的环境变量值，归一化标准为温度为20℃，湿度为70%。基于畜牧领域专业资料得到猪只生长环境判定中，各变量的权重值，得到模糊融合公式

式中S为融合指标值，T为归一化温度，H为归一化湿度，均无量纲。通过温湿度适宜度利用查表法得到模糊评估结果。模糊评估标准对照表如表1所示，表中数据选取成长期种猪为参考对象。采用优先级查表方式，例如当前数据若满足“舒适”判定，则比对结束，不再向下比对。

表1 模糊评估法评估标准对照表

3.3 图像处理算法

摄像头所捕捉到的图像为RGB格式，即每幅图像由R，G，B3个通道组成，3个通道不同取值的叠加得到彩色的便于观看的图像。因此对图像进行通道分离后，不同通道分离结果分别具有原图像的一部分噪声信息，由于分离后的图像只有单个通道，在噪声去除方面可以得到更好的效果，对去噪后的单通道图像进行特征点的抓取，得到的结果进行通道合成，一定程度上能够提升特征提取结果的准确性。

3.4 声音处理算法

常态下家猪发出的声音能量主要集中于低频段，低频段声音频谱幅度分布可以体现家猪的喜怒哀惧等情绪，当遭遇险情时，家猪发出的声音能量集中于中高频段，中高频段声音频谱幅度分布可以体现某些危险情况，如猪只受伤，外来入侵等，因此通过对于声音幅度的监测一定程度上可以体现当前猪只的状态。

通过对树莓派采集到的声音信号进行采样，并进行傅里叶变换处理，可以得到当前环境下猪舍内部的声音频谱，滤波后保留猪只声音和小部分环境音，对得到的幅度谱进行监控，声音幅度谱变化与猪只行为建立映射，以应对突发状况。

3.5 双机通讯

树莓派与PC之间的通信基于网络通信新领域使用最广泛的通信协议之一——传输控制协议 (TCP协议)编写。树莓派端程序流程图如图4所示。PC端程序流程图如图5所示。

图4 树莓派端通信协议流程图

图5 PC端通信协议流程图

程序设计分为PC端程序和树莓派端程序，TCP通信基于套接字 (Socket)方式实现，通过建立连接和应答来保证通信质量。在物理硬件层，树莓派通过其板载WiFi接入网络，依靠IP地址在组网中进行寻址，通过预设的通信端口建立连接，与PC进行数据的交换。

4 系统测试

经过多次实验，系统整合实物图如图6所示。

整机上电运行，系统稳定。墨水屏显示效果如图7所示 (该图为某次测试结束后的显示状态)。

图7中，Temp为温度值，Humy为湿度值，AQI为空气中烟雾浓度 (数值越高对应烟雾浓度越小)，Evaluate为融合后的评估信息，T_contral为温度控制意见，H_contral为湿度控制意见，A_contral为空气控制意见。

在某一段连续时间内测试数据如表2所示。

由测试效果可知，系统能够正确的采集所需要的环境变量信息并根据预设算法进行数据的处理与显示。

图6 系统整合实物图

图7 本地显示效果图

表2 实验数据表

摄像头采集到的图像通过图像处理算法后，树莓派能够在图像中找到目标并在图中标记，并将结果图像传送至PC。图8为拍摄到相邻两个栏的猪经处理后回传的图像。

图8 PC端得到的图像

图像中的网格状阴影为猪栏，两侧黑色阴影为墙壁，两个灰色阴影区域为实际猪只轮廓。左侧为猪正常站立状态，在图像中呈现一个类椭圆形阴影;右侧是猪转身状态，猪的头部向右侧偏转，图像中呈现一个不规则阴影，通过与预设特征进行比对，得到猪只当前为转身动作的判断。

PC端接收到声音频谱图如图9所示。

图9 声音谱分析

图9中上下两部分分别是常态下猪发出的声音和猪发怒时发出声音的频率谱。从频谱上看，声音能量集中于低频段，说明没有出现危急状况。正常状态下，猪发出声音在0～15 kHz频率段内，幅度分布相对均匀，没有出现能量集中现象;当猪发怒时发出低沉的声音，声音的幅度主要集中于500 Hz以下，系统可以根据不同的幅度分布做出不同的判断。