基于Ruff套件的智能养殖系统设计

全国平 庞朝俞 王平 杨厚林

摘   要：传统智能养殖系统大多存在智能化不足、无法实现远程养殖监测和系统体系结构不明确等问题。文章基于Ruff开发套件，将智能控制与远程养殖监测相结合，设计清晰的智能养殖系统结构，在实现终端底层对温湿度的监测、语音控制灯光以及红外线感应活动情况等功能的同时，将云IoT平台引入智能养殖系统并实现移动端的远程养殖监测。实践表明：该智能养殖系统能够实时掌握养殖场环境信息，有助于提高养殖效率。

关键词：智能养殖;物联网平台;Ruff;消息队列遥测传输协议;语音识别

随着社会的不断发展，肉类的市场需求量越来越大，针对肉类品质方面的要求也更高了，保证肉类质量的关键在于养殖过程[1]。

1    智能养殖系统设计的整体架构

本套系统主要通过收集、处理、分析数据寻找最佳的养殖条件，具备了以下功能：识别养殖人员语音命令的智能电灯;采集养殖场的温湿度，并根据数据智能开启对应设备调节温湿度[2];可以红外感应所养殖的动物是否逃跑或有其他天敌物种接近的蜂鸣器报警;光照传感器和继电器智能开启或关闭补光灯以调节养殖场内的光照强度;火焰报警器在突发火灾时自动报警。此外，将所有数据实时发送到物联网（Internet of Things，IoT）云平台上的表格中，存储、记录、分析养殖的最佳条件，并可通过该云平台随时对本系统发送控制命令，实现对各个设备的控制。养殖系统总体设计如图1所示。

2    系统相关技术

2.1  Ruff物联网感知层相关技术

传感器是整个物联网系统接触物理世界各个模拟量最直接的工具，是一种监测的装置，能够感知被测量的模拟信息，并通过一些手段将这些模拟信息按照一定规律转化成可以进一步处理的电信号或其他可处理的形式，传感器后端的模块再通过模数转换，将物理信息进一步升级为数字信息，方便后续的处理。

2.2  云端涉及的相关技术

2.2.1  MQTT实现原理

实现消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）协议需要客户端和服务器端通信完成，在通信过程中，MQTT协议中有3种身份：发布者（Publish）、代理（Broker或服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，代理是服务器，发布者同时可以是订阅者[3]。

2.2.2  传感器技术

一个传感器模块主要由4部分组成：敏感元件、转换元件、转换电路、辅助电源，如图2所示。工作流程大致是：首先，由敏感元件去探测物理量。其次，将物理量的变换传递给转换元件，转换元件通常将这种变化以一定的方式在其输出端产生电势差或电流变化。再次，将这种微弱的电信号输入进转换电路，在辅助电源的帮助下进行放大滤波等处理。最后，输出一个可用的电信号或其他形式的信号[4]。

3    智能养殖系统实现

总体结构需要用到的外设有温湿度传感器（DHT11模块）、火焰传感器、红外传感器（HC-SR501模块）、继电器模块、蜂鸣器，把这些外设加到Ruff物联网操作系统，让Ruff操作系统对外设进行底层的控制与数据的读取。

设备终端直连外设模块，对其进行直接控制，并直接读数据采集层的数据，将得到的數据上报给IoT云进行处理保存，方便前端的使用。当用户想控制操作系统时，通过前端控制，发送控制命令给IoT云，由IoT云下发命令给终端，终端控制设备层的设备，进行相应的操作。此外，当采集到数据异常时，终端会直接控制设备层，做出警报动作。

3.1  温湿度系统设计

温湿度系统设计总体方案的数据采集用的是DHT11温湿度传感器，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此，该产品具有卓越品质、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

3.2  红外感应设计

红外线感应系统主要是通过红外线传感器来实现，红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的传感器。在物理学中，可见光、不可见光、红外光及无线电等都是电磁波，它们之间的差别只是波长（或频率）的不同。将红外感应传感器部署到开发套件上，当有动物进入其感应范围，传感器就会输出高电平，触发蜂鸣器。

3.3  语音控制灯光系统

语音控制开关灯的整体思想就是通过语音识别成文字，上传到IoT平台上，经过处理下发到设备控制电灯的开关。

本系统用Python实现一个能识别语音的脚本，语音识别需用上百度在线语音识别云服务，通过AI语音设备成文字，然后IoT云会下发控制命令给终端，进行灯光控制。

4    系统运行效果

4.1  环境数据的采集调试

将设备插上电源，等待硬件初始化完成，然后控制Ruff开发板连接热点，让套件连接上网络，可以让硬件和阿里云IoT进行数据传输，如果采集环境数据正常，采集到的数据会发到远程的手机钉钉端。

4.2  语音控制灯光开关功能调试

语音控制开关灯的操作，完成以上的数据接收后，说明设备和PC端是可以实现通信，PC开始运行Python的脚本，对着麦克风说：“打开”或者“open”，Python脚本会向设备发送开灯的指令，然后继续说：“关闭”或者“close”，脚本也会发一个关灯的指令，即可实现灯光的控制。对于语音识别的正确率能够达到80%左右。

5    结语

本系统采用Ruff操作系统实现智能养殖，开发难度下降许多，毕竟这是Ruff的优势，它将底层硬件的工作都封装起来，打破原有软硬件沟通的难题，轻松地结合响应传感器实现响应功能，再利用IoT云打破很多养殖系统的局限—无法远程监控的缺陷，也完成了响应的部分功能。但仍然存在许多不足之处，如对于环境监测参数，只能监测，不能实现自动控制;当监测发现环境参数出现异常时，还需要人工进行校对，大大降低了养殖场养殖效率。

[参考文献]

[1]张晨.农业物联网技术发展浅析[J].特区经济，2013（5）：211-213.

[2]秦永和.湿度传感器测试系统[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2002.

[3]林浒，张家铭，杨海波.基于MQTT协议的即时消息业务设计与实现[J].计算机系统应用，2017（3）：55-56.

[4]黄继昌，徐巧鱼，张海贵，等.传感器工作原理及应用实例[M].北京：人民邮电出版社，1998.