基于ARM與Web的養(yǎng)殖場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳光輝+王巍琳

摘要摘要：隨著時(shí)代不斷發(fā)展，規(guī)模化養(yǎng)殖的進(jìn)程也不斷加快，高效的管理機(jī)制越來(lái)越受到重視。然而，目前養(yǎng)殖場(chǎng)面臨自動(dòng)化程度低、監(jiān)控系統(tǒng)布線(xiàn)困難，以及費(fèi)用高等缺陷。針對(duì)該現(xiàn)狀，提出一種基于ARM+WiFi+Web的一套全方位自動(dòng)化的養(yǎng)殖場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場(chǎng)的信息化管理。嵌入式服務(wù)層的核心芯片采用STM32，在嵌入式終端搭建Linux操作系統(tǒng)環(huán)境，并編寫(xiě)相應(yīng)的應(yīng)用程序。用戶(hù)層可以通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控養(yǎng)殖場(chǎng)養(yǎng)殖系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程監(jiān)控；STM32；WiFi；Web；Linux

DOIDOI：10.11907/rjdk.162295

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2017）001007802

引言

隨著時(shí)代不斷發(fā)展，規(guī)?；B(yǎng)殖的進(jìn)程也隨之加快，其逐漸成為主要的養(yǎng)殖方式。這使得養(yǎng)殖戶(hù)在養(yǎng)殖牲畜時(shí)，會(huì)更加關(guān)心環(huán)境監(jiān)測(cè)及調(diào)控，還有疫病的預(yù)防和控制。但是，以往的人工監(jiān)測(cè)及調(diào)控存在很多缺點(diǎn)，比如監(jiān)測(cè)和調(diào)控效率低下、經(jīng)濟(jì)效益偏低，以及不能及早發(fā)現(xiàn)病況，給規(guī)?；B(yǎng)殖帶來(lái)很大阻礙。針對(duì)這種現(xiàn)狀，目前很多規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)已采用傳感器檢測(cè)牲畜圈的溫度、濕度、光照及有害氣體濃度等環(huán)境信息，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，但存在信息采集實(shí)時(shí)性差、功能單一等缺點(diǎn)[12]；也有采用模擬攝像機(jī)進(jìn)行視頻監(jiān)控，但存在布線(xiàn)難、費(fèi)用高等缺點(diǎn)。這些方式本質(zhì)上還是采用人工觀察的方式監(jiān)測(cè)牲畜行為，這樣做不僅浪費(fèi)時(shí)間和精力，而且人工觀察得到的數(shù)據(jù)帶有較強(qiáng)的主觀性，不利于精確、穩(wěn)定、連續(xù)地記錄[3]。

因此，本文提出了基于ARM+WiFi+Web 的一套全方位自動(dòng)化的養(yǎng)殖場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。在該系統(tǒng)的控制下，通過(guò)ARM處理環(huán)境和健康數(shù)據(jù)，采用無(wú)線(xiàn)保真（WIreless FIdelity，WiFi）傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集與實(shí)時(shí)監(jiān)控[4]，客戶(hù)端通過(guò)Web直接遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)，不需要任何客戶(hù)端軟件。

1系統(tǒng)功能

整個(gè)系統(tǒng)由硬件及軟件組成。其中，硬件主要由用戶(hù)端、網(wǎng)絡(luò)、嵌入式終端（服務(wù)器）和控制設(shè)備構(gòu)成（見(jiàn)圖1）。用戶(hù)端主要是通過(guò)智能設(shè)備（PC、手機(jī)等）接入Internet網(wǎng)絡(luò)，在智能設(shè)備的瀏覽器上將嵌入式服務(wù)器IP地址輸入即可，之后便可遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制整個(gè)養(yǎng)殖系統(tǒng)的實(shí)時(shí)情況；網(wǎng)絡(luò)情況，主要是通過(guò)WiFi入網(wǎng)，并通過(guò)Internet網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)；嵌入式終端（服務(wù)器）是本系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)設(shè)備和環(huán)境的數(shù)據(jù)采集分析處理以及對(duì)用戶(hù)命令的響應(yīng)；控制設(shè)備主要包括傳感器模塊、風(fēng)機(jī)控制模塊和視頻監(jiān)控模塊3個(gè)模塊。傳感器模塊由各傳感器組成（溫濕度傳感器、NH3傳感器等），主要負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)；風(fēng)機(jī)控制模塊（見(jiàn)圖2）是通過(guò)中央處理芯片（STM32F103ZET6）采集分析數(shù)據(jù)控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；視頻監(jiān)控模塊，是通過(guò)在每個(gè)養(yǎng)殖圈放置USB攝像頭，然后由嵌入式服務(wù)器通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⒁曨l數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，最后將JavaScript嵌入到網(wǎng)頁(yè)上，從而在網(wǎng)頁(yè)上顯示視頻數(shù)據(jù)，這樣用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)即可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)到每一個(gè)養(yǎng)殖圈的具體情形。 軟件主要是系統(tǒng)環(huán)境搭建，即在Linux操作系統(tǒng)上安裝基本服務(wù)、編寫(xiě)攝像頭驅(qū)動(dòng)、編譯U-Boot和內(nèi)核、制作文件系統(tǒng)[5]。

2硬件設(shè)計(jì)

嵌入式終端核心控制器采用ST公司的基于ARM CORTEX-M3內(nèi)核STM32F103ZET6處理器，此外，還擴(kuò)展了64MB NADA FLASH、64MB的SDRAM、一個(gè)USB接口、一個(gè)WIRELESS接口。將攝像頭連接到USB口采集圖像以及通過(guò)各傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)與WIRELESS接口連接的WiFi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。WiFi模塊采用板載ai-thinker公司的ESP8266模塊的ATK-ESP8266。系統(tǒng)將WiFi網(wǎng)絡(luò)和Internet作為通信承載網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)牲畜排泄出現(xiàn)異常行為時(shí)（通過(guò)圖像處理技術(shù)分析生長(zhǎng)過(guò)程中各狀態(tài)下出現(xiàn)的異常行為）[6]，報(bào)警圖像通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)經(jīng)Internet發(fā)送到客戶(hù)端。

本文中系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括搭建Linux+ Boa服務(wù)器+Sqlite3數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境，Linux下的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)以及WiFi網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)[7]。

3.1Linux系統(tǒng)移植

首先在STM32F103ZET6開(kāi)發(fā)板上移植嵌入式Linux2.6.38.4內(nèi)核以及Yaffs文件系統(tǒng)，構(gòu)建一個(gè)基本的ARM+Linux平臺(tái)[8]，再在其上移植Boa服務(wù)器[9]。BOA 服務(wù)器是一個(gè)非常小巧的快速和安全的嵌入式Web服務(wù)器[10]，能夠生成動(dòng)態(tài)頁(yè)面，用戶(hù)只需通過(guò)Web瀏覽器就能查看現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)情況。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒介是通過(guò)移植Sqlite3數(shù)據(jù)庫(kù)獲得。

3.2外設(shè)驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)

底層驅(qū)動(dòng)是在Linux內(nèi)核下開(kāi)發(fā)出來(lái)的，底層驅(qū)動(dòng)有：WiFi驅(qū)動(dòng)、USB攝像頭驅(qū)動(dòng)以及串口驅(qū)動(dòng)等，并將相應(yīng)的API提供給應(yīng)用程序。在結(jié)構(gòu)體中定義I/O口、外設(shè)的初始化及中斷等函數(shù)，并使驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng)調(diào)用之間相互關(guān)聯(lián)。應(yīng)用程序調(diào)用I/O口函數(shù)讀取外設(shè)中的數(shù)據(jù)時(shí)，最終會(huì)調(diào)用結(jié)構(gòu)體中的對(duì)應(yīng)函數(shù)。

3.3Linux系統(tǒng)下的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

應(yīng)用程序主要有兩個(gè)功能：①處理WiFi傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，將WiFi發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，之后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并作出相應(yīng)決策，判斷是否需要更改風(fēng)機(jī)狀態(tài)以及是否存在病豬，如果需要，通過(guò)向WiFi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送對(duì)應(yīng)指令來(lái)控制風(fēng)機(jī)作出相應(yīng)改變或者通過(guò)Internet向用戶(hù)發(fā)送報(bào)警圖像；②對(duì)用戶(hù)的需求進(jìn)行處理，并編寫(xiě)與之相對(duì)應(yīng)的CGI來(lái)回應(yīng)用戶(hù)請(qǐng)求，將養(yǎng)殖場(chǎng)的情況通過(guò)CGI顯示到網(wǎng)頁(yè)上，同時(shí)，用戶(hù)可通過(guò)在瀏覽器的網(wǎng)頁(yè)上發(fā)送相應(yīng)指令控制對(duì)應(yīng)設(shè)備，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于ARM+WiFi+Web的遠(yuǎn)程智能化自動(dòng)監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖場(chǎng)的方法。通過(guò)嵌入式技術(shù)，很好地解決了傳統(tǒng)人工檢測(cè)控制效率低下、經(jīng)濟(jì)效益低等問(wèn)題。通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)與Web技術(shù)[11]，解決了目前監(jiān)控系統(tǒng)布線(xiàn)難的問(wèn)題，提供了一種遠(yuǎn)程監(jiān)控牲畜、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及智能調(diào)控的養(yǎng)殖系統(tǒng)。

本研究是一個(gè)較好的探索，系統(tǒng)核心硬件僅包含CORTEX-M3處理器、WIRELESS接口、WiFi模塊和USB攝像頭，在系統(tǒng)上運(yùn)行的嵌入式Linux操作系統(tǒng)是不收費(fèi)的，一套產(chǎn)品的費(fèi)用能夠?yàn)榇蟊娝邮?。可以預(yù)見(jiàn)，該系統(tǒng)在智能化牲畜養(yǎng)殖業(yè)中將會(huì)有很廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢(qián)東平，王建新，隋美麗.畜禽舍環(huán)境溫度監(jiān)控系統(tǒng)模糊控制算法的實(shí)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36（12）：9598.

[2]馬亮，滕光輝，李志忠.嵌入式Web服務(wù)器在蛋雞舍網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，11（3）：8892.

[3]周道雷，席磊，李保明，等.豬的行為特征與飼養(yǎng)方式的改進(jìn)[J].黑龍江畜牧獸醫(yī)，2006（10）：6364.

[4]張學(xué)武，何玉鈞.基于WiFi的遠(yuǎn)程視頻傳輸智能機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].電子科技，2013，26（2）：46.

[5]王玲，王超峰，鄭奎.基于ARM的蛋雞養(yǎng)殖場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

[6]朱偉興，浦雪峰，李新城，等.基于行為監(jiān)測(cè)的疑似病豬自動(dòng)化識(shí)別系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（1）：188192.

[7]沈洪銳，張晶晶，莫文艷.基于ARM+ZIGBEE+Internet的一體化水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].科技風(fēng)，2015（11）：40.

[8]高麗萍，周斌.在嵌入式Linux下OV9650驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)[J].軟件導(dǎo)刊，2012，11（4）：7375.

[9]趙聯(lián)政，王桂海.基于ARM平臺(tái)的嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計(jì)[J].軟件導(dǎo)刊，2015，14（7）：1012.

[10]王棟.一種簡(jiǎn)易Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子科技，2016，29（1）：121123.

[11]張超，仲梁維，陳彩鳳.基于Web的車(chē)間實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子科技，2015，28（11）：120124.