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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.泰州職業技術學院2.江蘇畜牧獸醫職業技術學院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，雞舍內部環境受設計結構的制約和影響，形成了不同于外部環境的“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境的變化，進而在一定程度上又會影響蛋雞的生長及其產蛋率。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殖的關鍵技術之一，國內外已有科研人員將無線傳感器網絡(WirelessSensorNetworks，WSN)技術應用于農田信息采集。為滿足農業信息采集中監測周期長的需求，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絡節點［1－6］。由于封閉式蛋雞舍設施的特殊性，雞舍環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，無線傳感器網絡的應用將盡顯其優勢。為此，筆者在盡可能延長無線傳感器節點通信距離的基礎上，合理地設計硬件系統和軟件系統，以有效提高節點的生存周期。

1節點硬件設計

節點硬件設計通過自組網的形式將采集的信息發送至系統監控中心，實現對封閉式蛋雞舍設施的溫度、空氣濕度、光照、二氧化碳、氨氣和硫化氫等環境因子的采集。傳感器節點由微處理器模塊、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境對信息采集系統的影響。設計節點的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公司的光強度數字TSL2561。有害氣體濃度的監測傳感器分別為:CO2濃度傳感器選用美國FIGARO公司生產的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節點軟件設計

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

2．1節點軟件構成

節點軟件由操作系統和應用程序構成。WSN利用TinyOS操作系統，采用AVRStudio4．07開發平臺，開發應用程序，包括各個硬件模塊的驅動、數據采集和通信協議。在TinyOS環境下為節點用NesC語言編寫了相應的執行程序。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。該設計傳感器節點的TinyOS應用程序結構如圖2所示。

2．2節點休眠的設計

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

2．3同步控制

時鐘同步是該設計分布式系統的重要組成部分，采用TDMA－MAC協議。具有休眠機制的無線傳感器網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。在傳感器網絡中，節點運行工作時的物理時鐘依靠對自身晶振中斷計數實現。如果節點晶振的頻率誤差和初始計時時刻不同，就會使節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。無線傳感節點在應用基站充當時間基準點，發送數據包具有當前時鐘讀數的同步指令，當無線傳感器網絡內其他節點接收到該同步指令后，計算延時參數并調整本節點的邏輯時鐘值，以和基站節點基準點構成同步。傳感節點在和基站節點同步后作為新的基準點，一環接一環由里向外同步，直至覆蓋整個無線傳感器網絡。

2．4節點程序的調試

無線傳感器節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仿真器的數據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，調試節點程序，如下圖4、5所示。

3結語

為解決傳統封閉式蛋雞舍設施的溫度、空氣濕度、光照、二氧化碳、氨氣和硫化氫等環境因子的監測中所存在的監測區域面積小、采樣率低、工作量大等問題，該研究探討了將無線傳感器節點技術作為封閉式蛋雞舍環境監測中數據采集和傳輸載體的可行性，設計和開發了無線傳感器節點，并進行了節點程序的調試。下一步應采用所設計的無線傳感器節點，構成無線傳感器網絡，通過進一步的封閉式蛋雞舍環境因子信息采集試驗，提高無線傳感器網絡系統的可靠性和實用性。