基于嵌入式的远程牛舍监测系统设计

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摘 要：采用LPC2114和51单片机组成采集数据的下位机系统，下位机负责采集监控数据发送到GPRS网络然后转发至internet，最终将数据传输到上位机。上位机将采集到的数据存入数据库，为栏养奶牛的养殖技术改良提供第一手数据。

关键词：嵌入式 奶牛养殖 远程监测

中图分类号：TP8 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）001-048-02

鉴于集约化养殖的需要，为了从技术上提高奶牛养殖的经济效益，设计牛舍监测系统采集数据，一方面做为技术改良的依据，另一方面为工业化养殖提供技术支持。

1 总体设计

考虑到牧区距离城区较远，且存在供电和互联网接入等问题，采用无线通讯进行采集数据的传输。GPRS网络接入费用较低能够较好的满足成本要求。另一方面养殖户较分散，为了获得有一定覆盖度的统计数据采用分布式基于嵌入式ARM的下位机传输数据，并通过internet转发汇总到上位机数据库。基于上述考虑系统由下位机系统和远程上位机系统两个主要部分组成，系统结构框图如图1。下位机采用LPC2114与8051单片机组成主从系统。从机负责采集奶牛ID、温度、湿度、饮水及饲料投放量等信息并串行传输给LPC2114，经汇总处理后按预定协议封包发送至GPRS网络，再经internet传输给远程上位机。上位机接收到数据后将数据存储至奶牛数据库，数据库信息可通过配套的管理信息系统进行管理与编辑，上位机可通过调制解调器唤醒下位机进行数据收发。

2 上位机系统设计

上位机数据库及管理信息系统采用ACCESS开发制作。库中包括奶牛ID表、饲料表、产奶表、族谱表、防疫表、生育表等。奶牛ID表包含的主要字段有： ID号、品种、生日、月龄、体重等；饲料表中包含的主要字段有：饲料名称、干物质（Dry matter，DM）、粗蛋白（Crude protein，CP）、中性洗涤纤维（Neutral detergent feber，NDF）、酸性洗涤纤维（Acid detergent fiber，ADF）、酸性洗涤木质素（Acid detergent lignin，ADL）、奶牛干物质随意采食量（Dry matter voluntary intake，DMI）、钙、磷、矿物质饲料、饲料价格等，其中饲料供应量以单日来计算，按照粗精饲料分级指数（Grading Index，GI）计算出日营养需求量参考值。

3 下位机系统设计

下位机采用LPC2114作为主控芯片，系统主要由软、硬件两部分组成，逻辑结构如图2。硬件部分包括温度传感器、湿度传感器、GPRS模块、触摸屏、键盘和串行数据采集模块等组成。GPRS模块由DTU (Data Transfer unit数据传输单元)和手机卡组成。DTU需经由远程上位机唤醒方启动工作，其他时间处于休眠状态，DTU唤醒后下位机开始与上位机进行数据通讯。串行数据采集模块通过LPC2114的UART0接口与从机相连。键盘连接到GPIO进行输入控制。触摸屏采用四线电阻式，控制芯片为FM7843，采用12位精度。两个传感器连接到LPC2114的AD通道（LPC2114共有4个AD通道）。软件部分主要由bootloader、uC/OSII嵌入式操作系统、人机界面、驱动程序和应用程序组成。Bootloader依所成系统采用汇编语言和C混合编写，其中汇编语言部分主要完成设备初始化。Bootloader和uC/OSI经剪裁后移植到LPC2114上。驱动程序包括键盘、触摸屏、GPIO驱动、GPRS驱动中间件等。应用程序面向uC/OSII开发主要功能有数据录入、工作模式选择等。人机界面由移植后的MINIGUI实现。

4 单片机系统设计

单片机系统中主要外设有：进料电机、光电耦合给水开关、奶牛ID卡读取电路，系统逻辑结构如图3。喂料箱是单片机的主要控制对象，喂料箱有主仓和子仓组成。主仓中主要贮存矿物饲料、蛋白质饲料和热能饲料三类。主仓底部装有螺旋推进器，由单片机控制的电机拖动进给。饲料进入子仓后由压力传感器返回饲料重量信息。给水量由给水开关导通时间粗略计量。奶牛ID卡由IC芯片和射频感应天线组成。读卡电路工作时若ID卡处于5米之内则卡内的LC二阶电路产生谐振并提供短暂电能，发出卡内存储的ID编码，读卡电路接收到编码后传输到单片机端口锁存器。单片机将ID号传给下位机系统，下位机按当日奶牛对应预置值，如相应ID奶牛当日进食次数、精饲料配给量、矿物饲料配给量等进行判断，之后发送进一步控制指令给单片机，单片机依据下位机LPC2114发来的指令决定喂料、给水等操作。在产奶区专门设置了一个单片机负责采集奶牛ID以及日产奶量等信息。

5 结论

表1为四个分布的试验地点采集得到的数据，表中数据均为平均值，通过系统采集的数据可宏观的分析出温度、湿度、饲料供给等参数对奶牛产奶量的影响，为科学化养殖提供依据。以分析改良后的数据存入下位机数据库控制单片机进给量，将数据采集与自动化喂料相结合，为产业化养殖提供了技术支持。

参考文献：

[1] 童超,朱俊株,高如如.基于WindowsCE的远程数据采集与控制系统开发[J].微型机与应用,2011,30(14):21-23.

[2] 黄菁,刘青春.ARM嵌入式系统GPIO扩展键盘设计[J].自动化应用,2011(7):1-2.

[3] 夏忠林,胡丹凤,张博.基于GPRS的嵌入式远程在线监测系统[J],科协论坛(下半月),2011(7):47-48.

[4] V.A.Chitre,J.N.Daigle.IP traffic over GPRS--An Internet service oriented analysis[J].Wireless Communications and Networking,1999(9):1263-1267.

[5] RobertH. Klenke.Experiences Using the Xilinx Microblaze Softcore Processor and uCLinux in Computer Engineering Capstone Senior Design Projects [C]. MSE '07 Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Microelectronic Systems Education,2011:123-124.

[6] John N.Daigle. Analysis of packet networks having contention-based reservation with application to GPRS [J].Transactions on Networking, 2003(11):602-615.