养鸡场嵌入式远程监测系统的设计
摘要：引入嵌入式Ｗｅｂ服务器（ＥＷＳ）技术，采用ＤＳＰ＋ＡＲＭ双ＣＰＵ结构，设计并实现了基于嵌入式Ｗｅｂ服务器的养鸡场远程监测系统。通过对Bｏａ服务器的设置与改进，实现了动态交互和历史数据保存等功能，客户端通过浏览器即可对养鸡场中的各项环境参数进行实时远程监控及保存。经现场和远程测试，该系统达到了设计要求。
关键词：嵌入式Ｗｅｂ服务器；养鸡场；Bｏａ服务器；远程监测；数据采集 我国养鸡业规模化、机械化的程度越来越高，传统手工管理已不能满足大、中型鸡场信息处理的需求［１，２］。计算机技术和自动控制技术与传统家禽养殖业逐步结合，利用现代传感技术、计算机技术、通讯技术以及因特网技术等使养殖生产中的信息能够及时获取和流通，进而实现了鸡的生产方式从传统的以物流管理为核心到以信息流管理为核心的转变［３］。在鸡的养殖过程中，对养鸡场环境有严格的要求，必须对养鸡场的温度、相对湿度及通风条件等进行精确的测控以保障鸡群健康，提高养鸡场的生产效率［４］。现代计算机技术和因特网应用为养鸡场的信息实时传播提供了新的途径，其高速实时性、良好的互动性以及开放性为养鸡场的监测提供了保障［５，６］。基于嵌入式Ｗｅｂ服务器（Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｅｒ，ＥＷＳ）的思想，设计了养鸡场的远程监测系统，通过监测养鸡场的环境参数，如温度、相对湿度、通风口的风向、风速等；利用嵌入式Ｗｅｂ服务器技术，与养鸡场监测设备集成在一起，结合开放的ＴＣＰ／ＩＰ网络通信协议，用户利用Ｗｅｂ浏览器远程监测养鸡场的运行参数，对养鸡场实现远程实时监控，提高养鸡场现场测试和监控水平，实现养鸡场的有效管理和鸡只养殖过程的全自动监控。 １ 系统的总体设计 采用基于嵌入式Ｗｅｂ服务器养鸡场的远程监测系统［７］，系统的总体结构如图１所示。系统主要由养鸡场数据采集系统、嵌入式Ｗｅｂ服务器以及远程监控客户端等构成。养鸡场远程监测系统采用ＤＳＰ＋ＡＲＭ双ＣＰＵ结构，由于需要采集和保存大量参数，通过ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２构建实时数据采样平台，主要对养鸡场运行中的关键参数，包括温度、相对湿度、通风口的风向、风速等进行采集、处理和存储。ＡＲＭ平台则采用３２位ＡＲＭ７微处理器Ｓ３Ｃ４５１０，网络接口以ＲＴＬ８０１９ＡＳ芯片为核心，以μＣＬｉｎｕｘ为操作系统，移植Ｂｏａ作为Ｗｅｂ服务器，它支持ＣＧＩ接口，便于引入ＴＣＰ／ＩＰ协议栈实现网络接入，并作为Ｗｅｂ服务器将采集的数据通过以太网传送给远程客户端。双ＣＰＵ结构可有效发挥ＤＳＰ采样、运算和逻辑判断的优势，又能充分利用ＡＲＭ平台实现人机交互和通讯的特长，避免单一ＡＲＭ平台执行采样及运算等多种功能后，人机交互和通讯周期变长，影响系统响应速度。 远程监控客户端通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ实现服务器端和客户端之间的通信，远程用户在浏览器上输入ＥＷＳ的ＵＲＬ地址，便可进入ＥＷＳ网页，同时进入养鸡场远程监测操作界面。用户通过监测操作界面设置控制参数，运行客户端应用程序将它们传递到服务器端；服务器端程序则通过动态链接库将控制信息发送至数据采集系统，控制采集系统进行实时参数采集，采集完毕将结果反馈至服务器后，由ＥＷＳ端通信程序将其返回到用户端界面，实时监测养鸡场各项参数，从而实现远程实时监测养鸡场的运行状况。 ２ 养鸡场数据采集系统设计 运用ＤＳＰ高速运算和多种片上外设的特点完成对养鸡场监测信号的捕捉、采样、转换、计算以及与ＡＲＭ的通信等工作。ＴＩ公司的３２位定点芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２主频达到１５０ ＭＨｚ，具有１２位的Ａ／Ｄ转换器，片内含１２８ Ｋ×１６位片内ＦＬＡＳＨ，１８ Ｋ×１６位ＳＲＡＭ，片上资源丰富。ＤＳＰ完成温度、湿度、风向、风速等环境参数的采样，结果由ＤＳＰ进行分析处理并进行保存，并将结果送到双口ＲＡＭ中，以供ＡＲＭ系统调用。ＡＲＭ系统完成统计、存储、通讯以及人机交互等功能。养鸡场数据采集系统的功能框图见图２。养鸡场环境控制是一个完整的系统，包括温度、湿度、通风条件、光照、有害气体、灰尘等综合环境因素，必须及时了解各类参数，对养鸡场进行实时监控［８］。 ２．１ 温度参数的采集 温度对鸡只养殖性能影响最大，有关研究表明，温度是导致家禽出现冷热应激，影响鸡群健康的首要环境因素。在鸡的不同生长阶段中，对温度的要求非常严格而且是不断变化的，所以养鸡场的温度实时监控要求非常高。但养鸡场现场环境非常恶劣，干扰信号较强，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器，可有效减小模拟信号受干扰而产生的测量误差，确保测量精度。本文实时温度测量采用ＤＳ１８Ｂ２０智能温度传感器，它是单总线式数字温度传感器，在测量点已把被测信号数字化，且在单总线上传送数字信号，具备较强的抗干扰能力，且能长距离传输数据，从而提高了系统的可靠性，适合恶劣环境的现场温度测量。ＤＳ１８Ｂ２０还具有体积小、精度高、宽电压适用范围等优点，非常适合多点温度检测系统，在工农业生产制造、气象观测以及科学研究中被广泛应用。 ２．２ 湿度参数的采集 在养鸡场日常管理中，湿度控制是一项重要内容，但往往不被人们重视。空气湿度对鸡只蒸发散热和非蒸发散热都有影响，无论温度高低，高湿度对鸡的热调节都是不利的，而低温则可减轻高湿和低湿的不良作用。养鸡场过于干燥或过分潮湿，都会为鸡群的管理带来很大的负面影响，造成鸡只不适，引发鸡只多种疾病，造成不可挽回的损失。养鸡生产中常用的是相对湿度，对鸡只而言，适宜的相对湿度为６０％～７０％，低于４０％为低湿，高于８０％为高湿。本系统选用ＨＵＭＩＲＥＬ公司的变容式相对湿度传感器ＨＳ１１０１完成对空气湿度的测量。ＨＳ１１０１采用独特的电容式单元设计，无需校准的互换性，高可靠性和长期稳定性，具有响应速度快、体积小、线性度好、较稳定等优点。将ＨＳ１１０１置于５５５振荡电路中，就将电容值的变化转为电压频率信号，可以直接被计算机所采集，无需经Ａ/Ｄ转换就可直接与目标相连，输出的信号为频率型，灵敏度高，分辨率好、抗干扰能力强。２．３ 通风参数的采集
养鸡场通风的主要目的是排出鸡舍内有害气体、改善养鸡场空气质量，同时排出养鸡场内多余的热量和降低养鸡场内湿度，并提供足够的氧气。保持养鸡场的适度通风，对保证鸡群的生产性能和健康状况十分有益。测量养鸡场内外的风速和风向，及时了解内外通风情况是养鸡场的基本环境要求。系统在采集风速及风向信号时所用到的风速传感器为Ｒ.Ｍ. Ｙｏｕｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ公司生产的ＭＯＤＥＬ ０５１０３ Ｗｉｎｄ Ｍｉｏｎｉｔｏｒ。其风速传感器是通过风测仪来测量水平风的速度和方向的。来流风驱动风测仪的螺旋桨使之旋转，通过安装在螺旋桨轴上的六对磁极，在旋转的过程中，在线圈中产生与风速大小相对应的一定频率的正弦信号，采用频压转换的方式直接将频率大小转化为电压的大小，送往ＤＳＰ的Ａ/Ｄ转换器，转换为数字量表示的风速大小。风测仪中来流风方向信号的产生通过一个高精度电位器来实现。由外部给电位器提供一个稳定的电压，风测仪输出了一个与当前风向角度相对应的模拟电压。系统直接采用５Ｖ参考电压作为风测仪的输入电压，将风测仪测量得到的风向模拟信号经滤波处理后，得到一个幅值与风向成线性关系的模拟信号，再利用ＤＳＰ的Ａ/Ｄ转换模块转换为数字信号。 ３ 嵌入式Ｗｅｂ服务器的设计与实现 ３．１ 嵌入式Ｗｅｂ服务器软硬件平台 将嵌入式Ｗｅｂ服务器技术引入养鸡场实时远程监测和控制中，硬件平台核心为Ｓａｍｓｕｎｇ公司的３２位网络微处理器Ｓ３Ｃ４５１０，它集成了ＡＲＭ７ＴＤＭＩ核，是一款适用于中端应用的微控制器，系统扩展器件为：存储器（８ ＭＢ ＳＤＲＡＭ、 ２ ＭＢ ＮＯＲ ＦＬＡＳＨ），网络控制芯片为ＲＴＬ８０１９ＡＳ，ＬＣＤ显示模块以及应用按键等硬件资源，实现数字信号的采集、存储和网络传递的硬件支持，同时嵌入式Ｗｅｂ服务器还负责将养鸡场数据采集系统采集的养鸡场各项参数数据转换为ＴＣＰ／ＩＰ协议格式，通过以太网将其发送到远端的监控浏览器客户端上［９］。 系统的软件平台核心为μＣＬｉｎｕｘ，它是一个源码公开的操作系统内核，从Ｌｉｎｕｘ２．０／２．４内核派生而来，其核心代码短小精悍、简单易学［１０］。为了满足嵌入式系统需求，μＣＬｉｎｕｘ在标准Ｌｉｎｕｘ基础上进行了适当的裁减和优化，形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式操作系统。μＣＬｉｎｕｘ体积很小，但仍保留了Ｌｉｎｕｘ系统几乎所有的优秀特性，包括稳定、良好的移植性、强大的网络功能、出色的文件系统支持。μＣＬｉｎｕｘ作为本系统的软件操作平台，需要根据本文的应用特点对其进行功能扩展，包括底层的硬件驱动、文件系统、用户图形Ｉ／Ｏ（ＧＵＩ）等，才能建立实用的实时操作系统，以适用于养鸡场监测的应用系统。 ３．２ 嵌入式Ｗｅｂ服务器系统软件设计 设计的嵌入式Ｗｅｂ服务器处于用户监控客户端和养鸡场的中间，嵌入式Ｗｅｂ服务器必须提供若干机制实现对养鸡场数据参数的监视和控制，为浏览器提供和发送Ｗｅｂ页并处理浏览器提交的数据，并且能实现用户安全登陆认证等功能［１１］。其内部体系结构如图３所示，主要包括ＨＴＴＰ引擎、虚拟文件系统、配置模块、安全模块以及应用程序接口模块等［１２］。嵌入式Ｗｅｂ服务器作为一个数据载体，可以将本地的数据和信息通过互联网传递给远端发出请求的客户，它能监听客户请求的服务，根据客户请求的类型提供相应的服务。客户端使用普通的浏览器接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ就可以和Ｗｅｂ服务器进行通信。 ３．２．１ Ｂｏａ服务器及其配置 养鸡场设备的监控在响应远端客户的请求时，不仅需要根据客户请求的类型提供一些静态页面，而且需要与客户端进行交互，例如实时温度数据查询、通风口风速风向实时状态查询等，所以必须使用动态Ｗｅｂ技术。该设计选择了一个支持ＣＧＩ、适用于嵌入式系统、支持动态Ｗｅｂ技术Ｂｏａ服务器来实现。嵌入式Ｗｅｂ服务器Ｂｏａ和普通的服务器一样，能够完成接收客户请求、分析请求、响应请求、向客户端返回请求结构等任务。其工作流程如图４所示。 由于μＣＬｉｎｕｘ的代码中己经包含了Ｂｏａ服务器的源代码，故可以通过重新编译μＣＬｉｎｕｘ内核来添加Ｂｏａ服务器。为使Ｂｏａ能够正常运行，需要对其参数进行配置。表１描述了对其主要参数进行修改和配置的过程。 ３．２．２ 嵌入式Ｗｅｂ服务器端数据（历史数据）保存的实现 本系统是用于远程客户端通过浏览器对养鸡场设备的运行状况进行监控，为保证系统查询或者决策参考，必须考虑嵌入式服务器端的数据保存问题，这对一段时期内考察各种环境因素对鸡只生长和疾病影响具有十分重要的意义。对Ｓ３Ｃ４５１０进行了芯片外部存储空间的扩展，通过在Ｓ３Ｃ４５１０微处理器的外围地址空间扩展一片１６ ＭB的ＮＡＮＤ－Ｆｌａｓｈ芯片来存储采集的各项数据。嵌入式文件系统在ＮＡＮＤ－ＦＬＡＳＨ存储芯片中保存了两个网页文件ｔｅｍｐ．ｈｔｍ和ｈｉｓ．ｈｔｍ，分别用来显示当前电网的运行参数以及保存历史数据。由于文件系统中每个文件设置了内存缓冲区，因此，当ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２处理计算完一个周期的温度湿度等采样参数后，送到双口ＲＡＭ中由Ｓ３Ｃ４５１０调用，并且对内存缓冲区中的ｔｅｍｐ．ｈｔｍ文件中的参数信息进行实时更新。本系统中以文件格式对历史数据进行保存，在嵌入式Ｗｅｂ服务器端实现历史数据库，用以保存两个月中整点时刻的环境参数值，供查询、决策参考及影响分析。针对需要保存的数据量不是很大的特点，系统中通过一个嵌入式文件ｈｉｓ．ｈｔｍ来实现历史数据的保存。在整点时刻到来时，在ｈｉｓ．ｈｔｍ文件中增加当前时间信息以及养鸡场各项运行参数值信息，同时回写到ＮＡＮＤ－ＦＬＡＳＨ芯片中进行保存。系统中，对整点时刻的判定是通过Ｓ３Ｃ４５１０微处理器的实时时钟（ＲＴＣ）来实现的。 ４ 小结 利用互联网为途径，引入嵌入式Ｗｅｂ服务器技术，在基于嵌入式操作系统μＣＬｉｎｕｘ和Ｓ３Ｃ４５１０微处理器的平台上，设计了经济小巧的嵌入式Ｗｅｂ服务器，并将它与养鸡场数据采集系统结合在一起，采用ＤＳＰ＋ＡＲＭ双ＣＰＵ结构，构造并实现了养鸡场远程监测系统。客户端通过普通Ｗｅｂ浏览器即可进行远程实时监测养鸡场的各项参数数据，移植和改进了Ｂｏａ服务器，实现了客户端与Ｗｅｂ服务器的动态交互，并且针对养鸡场实时监测的数据保存问题，实现了文件格式对历史数据保存功能。整个系统与传统的监控方式相比，简化了系统结构，将信息采集和信息发布都集成到现场的测控设备中，具备使用方便灵活，功能强大，扩展性强等特点。经某养鸡场现场和远程测试，完全达到设计要求，大大降低了养鸡场监控和通信系统的运行、维护的工作量和费用，养鸡场管理人员可以远程地管理、监视和检测养鸡场内的情况，提高了养鸡场现场测试和控制设备的管理水平，实现了有效管理养鸡场。在该系统的基础上还可添加视频监控、报警及自动控制等功能，实现对舍内环境、喂饲饮水、孵化育雏和卫生防疫等生产过程的全自动监控。 参考文献： ［１］ 王立方，陆昌华，胡肄农． ２０万羽蛋鸡场电脑管理信息网络系统的实现［Ｊ］． 农业工程学报，１９９９（４）：２０７－２１１． ［２］ 王思珍，贾伟星．鸡舍温湿度对鸡生长发育及生产性能的影响［Ｊ］． 农村实用工程技术，２００２（７）：２０－２１． ［３］ 冯 雪．肉鸡舍环境控制与饲养管理［Ｊ］．中国禽业导刊，２０１０（３）：５２． ［４］ 布 仁，红 华． 环境因子对蛋鸡生产性能的影响［Ｊ］． 家畜生态，２００１，２２（２）：４０－４３． ［５］ 王文成，刘福荣，李 健． 肉仔鸡鸡舍温度自动控制系统的研究［Ｊ］． 农机化研究，２００８（４）：１７１－１７３． ［６］ 刘文奎． 试论养禽业中的环境控制与调节（上）［Ｊ］．中国家禽，２００３（９）：３６－３９． ［７］ 袁 毅．基于嵌入式Ｗｅｂ服务器的网络视频监控［Ｊ］．电网技术，２０００，２４（５）：７１－７３． ［８］ 王劲竹，程艳军，刘景波，等． 肉仔鸡鸡舍温度和湿度的控制［Ｊ］． 养殖技术顾问，２００６（８）：５． ［９］ 王建锋，张 浩，彭道刚．基于ＡＲＭ的嵌入式远程监测系统研究与设计［Ｊ］．华东电力，２００８（２）：１３９－１４２． ［１０］ 李 岩，王建卫，纪 颖，等． 基于ＡＲＭ嵌入式μＣＬｉｎｕｘ系统原理及应用［Ｍ］． 北京： 清华大学出版社，２００９． ［１１］ ＢＥＮＴＨＡＭ Ｊ． 嵌入式系统Ｗｅｂ服务器－ＴＣＰ／ＩＰ Ｌｅａｎ［Ｍ］． 陈向群，译． 北京： 机械工业出版社，２００３． ［１２］ 韩小涛，尹项根，张 哲，等． 嵌入式Ｗｅｂ服务器技术及其在电力系统中的应用综述［Ｊ］． 电网技术，２００３（５）：５８－６２．