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1、.译文：无线监控猪舍温度变化的数据采集系统摘要：随着越来越大的兴趣在监测猪仓库的空间变化水平温度，导致了新的无线数据采集系统的发展。使用以往的研究放置在一个保护容器个人商业数据记录器，然后降低到动物的笔。这些传统系统所需的显著精力单独下载每个记录器以及张贴，处理数据与所有测量点一个时间同步的文件。新开发的无线系统允许所有测量点同时被收集并记录到一个单一的外部数据文件中。具体的项目目标包括：（ 1 ）开发能够满足数据的无线传感器网络节点猪精谷仓和（ 2 ）通过实验测试的无线节点的性能评价。各个无线节点都与一个特定的ID，它是预先设置记录与所述传感器数据，以提供谷仓中的数据的源位置明确的指标。各个
2、节点使用一个高精度热敏电阻的温度感测和能够发送一个额外的模拟信号和数字信号的八位数据记录器。数字输入普遍用于收集通风监控风扇活动的数据，额外的模拟通道可用于其他环境感测或监测静压力。当动力从一个单一的3.6伏，1200 毫安电池，在5分钟的采样时间间隔发送时无线节点有3.5年的使用寿命。该系统已成功开发并实施了4年的研究猪谷仓整理。关键词：仪器仪表，网状网络，ZigBee，环境监测，嵌入式系统引言数据采集系统已经历了显着的进步，近年来主要是由于降低成本和增加的电子控制器的功能和微机系统（逻辑的研究，2002）。许多应用中，如环境监测室内的动物，有直接受益于增加的技术能力，使监测和数据收集在以前
3、是不可能的。新的传感器也被先进的嵌入式开发系统允许更精确的测量环境参数（达尔等人，2007年）。在动物环境数据采集的最近的工作一直围绕一个原则使用一个固定的移动实验室的数据处理和收集中心点（希伯等人，2001；施密特等人。，2002；威廉和麦金尼，2001；新等人。，2003；赞恩等人。，2002；赵等人，2005）。传感器接口线和气体取样管从移动实验室所需的测量装点为了方便同时多点数据采集。虽然这个系统提供了一个准确的方法来收集和储存环境数据，它有一些局限性，包括高成本；安装，采样点的低流动性，和潜在的传感器误差线引起的降解，水分的发展，电气噪声。在动物环境中的数据采集的一种替代方法是使用位
4、于无线发射器在每个测量点到电子传感器的数据传输回一个公共点。无线系统已成功地应用在许多农业环境中的应用（注释17，2003 ;尼科尔斯，2004 ; Hamrita和Hoffacker ，2005; Butler等，2006; 。 Kim等人，2006）。无线传感中的应用密闭动物饲养操作（CAFOs的）会提高传感器定位的流动性，降低安装的总成本，以及从湿气或电噪声源限制传感器误差。最近的工作有记载这在家禽生产设施层限制的无线数据传输的具体因素（ DARR ， 2007年） 。相较于家禽设施，猪仓库中提供信号的方式少衰减和一般保持高于动物笼子一个开放的自由空间。这种开放式的设计可以用于将所述数据
5、采集系统的优势，并允许从高度可靠的无线数据传输位于所述动物的水平传感器。这项工作的目的是设计一个传感器的结构，支持高密度，无线传感在猪仓库中操作温度。本文将具体处理技术设计的无线数据采集系统包括：1与无线网络的拓扑布局的选择：2基于链路预算模型所需的传输功率的计算，3新的无线温度变送器的性能特点4. 猪仓库的无线数据采集系统温度测量的成本分析。方法：猪仓库整理设备的描述：无线数据采集系统在本文中描述了一个1000头猪育肥猪。仓库的一般尺寸分别为12.5米和60米（图1）。六个人位于沿西仓壁，每个连接作为一个单独的通风阶段。在内部，仓库里有48个动物的笼子，每个尺寸为2.5米，5.75米，通道两
6、侧分别有24个。在满负荷时，21只动物分别位于每个笼子。每个笼子里装有自动喂养和浇水系统。为了评估在笼子里，随时间变化的应用的目的，一个温度传感器将位于每两个动物笼子的交界处。需要24个温度传感器才能测出最后的结果。额外的感知能力是需要在通风墙收集风扇活动数据从单个振动传感器和监视器的压降的建筑墙体。风机的活动和压力降的组合将被用来计算每个风扇的通风率。图1：安装在动物水平的无线温度猪整理操作示意图显示器，无线通风监视器，和一个无线数据采集系统无线网络的拓扑结构和布局：无线网状网络拓扑结构被选择作为网络平台，为这个项目。网状网络技术允许单个消息的路由通过其他无线节点。一个商业ZigBee网状网
7、络模块（ETRX2，TELEGESIS）被选为担任嵌入式系统为这个项目。每个单独的无线节点配置了一个Zigbee模块通信以及用于附加的传感器单元适当信号和电源的条件。这些特别的Zigbee模块提供自动网络配置和可调节发射功率从-22 dBm至+17 dBm。集中式无线数据记录器位于育肥猪中心。这个记录器接收无线传感器的数据通过网状网络和存储传感器的价值观，传输节点识别号码，并直接向可移动闪存存储卡的数据和接收时间。整齐对于数据记录器，以响应从远程节点设置为连续全信息的请求。第二全功率无线模块位于通风风扇。这个模块是连接个人风机振动传感器（达尔，2007年），它提供了一个数字逻辑反馈相关的个人的
8、风扇活动。无线模块也被连接到一个模拟输出信号差压传感器通过信号调理放大电路。采样风扇活动和仓库差压间隔设置为15秒。在每一个15秒的时间间隔，这无线模块发送一个无线消息的数据记录器所蕴涵的独特的节点标识符，每个风扇的活动状况，和仓压差的大小。这种高给出了该模块的全功率状态的采样频率是可行的。由于连续电流的压差传感器消耗和无线模块，这全功率状态要求数据记录器可以提供连续的电源，而不是一个电池电源。结合集中式数据记录器和通风监测由网状骨干网络。在每一个测量点，单个无线模块被用于记录在动物水平的温度上5分钟的采样时间间隔。在采样间隔，当传感器模块进入低功耗的睡眠模式，它们完全地放弃了网状网络。一个内
9、部定时器在指定的时间间隔五分钟将唤醒每一个节点。短暂的稳定期后，每个节点记录的局部温度，并沿与所述源节点的识别号码发送的传感器值到最接近全功率节点。如果在笼子里的传感器是最密切位于数据记录器，然后将传感器数据，节点ID和时间戳将被直接记录到闪存。如果通风监测是最接近的节点，则消息将直接发送到通风模块作为中介，然后被转发的无线数据记录器。这种增强的能力将消息路由通过任何全功率主动节点增加网络的可靠性，降低了传输强度要求每个节点。无线温度传感器节点设计：无线温度传感器节点是由etrx2 ZigBee模块与接口热敏电阻温度传感器（图2）。热敏电阻被连接在一个静态电阻系列提供一个可变的输出电压在预期内
10、的温度范围内的猪完成谷仓。由于热敏电阻电桥电路是纯粹是一个电阻元件，它将直流如果直接连接到电池电源电压。为了限制这种静态电流降低采集误差与电池的电源电压的变化有关，该桥电路供电直接从ZigBee模块的数字输出引脚。该电源的输出电压总是相同的内部模拟参考电压数字转换，消除了量化误差。用一个3.6伏的AA电池，1000 M毫安评级被用来供给操作电源。AA尺寸提供优良的包装特点和安培小时容量适合扩展操作。一个通用的头安装允许访问所有额外的模拟和数字通道的ZigBee模块。访问可以直接连接的基于振动风扇活动传感器无线模块。RS232通讯端口还装有微机接口能力和下载传感器的配置文件。一个外部天线是用来最
11、大限度地提高无线传输性能。虽然这增加包装成本，天线的增益是在表面安装天线增加。远程在美国佛罗里达州的C适配器电缆连接到ZigBee模块天线。整个ZigBee模块然后放在一个PVC外壳，只有天线移植到外面。一个标准的二分之一英寸电缆接头是用来提供稳定的天线以及天线之间的密封连接与内框区域。图2：制造的无线温度传感器（左）全封闭的无线传感器两英寸天线稳定平方PVC房（右）网络映射结构：唯一的网络ID或泛号码。只能用相同数量潘节点将下同步802.15.4 implementationThe ETRX2模块采用一个全功能的802.15.4 Zigbee的实施（IEEE，2003）。这功能允许单个传感器
12、节点自动形成的网状网络而无需用户进行任何的源代码要求的通信层。在使用这一个关注自动化网络的程序是，是否位于相邻的仓房的节点将数据传输到正确的数据记录器。为了确保数据记录的可靠性，在一个谷仓的所有节点都分配了一个989。数据记录器是编程软件作为网络库。这是在一个特殊的设计802.15.4协议，允许单个节点进行编程的数据传输结束点没有这是已知的实际节点ID。每个无线温度传感器进行编程简单的发送他们的温度信息反馈给网络汇聚在适当的时候指定他们的采样间隔。结果与讨论链路预算的传输范围的计算： 成功的关键无线传感器网络是保持一个积极的链路预算，这表明这可在接收器处的功率高于其内部的灵敏度。该应用程序的目
13、标是覆盖无线传感器，从而临界传输距离的CAFO的范围内尽最大的区域用于无线节点必须被识别。无线温度传感器将设在该动物从中分隔每个动物笼的栏杆顶部水平或约2英尺。栏杆进行了的金属条和不显示的无线天线上的一个显著的影子。数据记录器将位于靠近谷仓的上层再增加无线之间的直接视线路径发射器和无线数据记录仪。基于这些条件，自由空间路径损耗可以预测作为信号衰减的主要来源。 链路预算的公式可用于预测的最大传输距离为所述无线温度节点。如果积极的链路预算存在，那么发射信号功率，减去路径损耗损失和可靠性因子，是大于最小接收灵敏度（等式1） Link Budget = Pr PL + Pt FS (1) Where:
14、 Pr = Receiver Sensitivity (dB) PL = System Path Loss (dB) Pt = Power Transmitted (dB) FS = Factor of Safety (dB)接收器灵敏度是由ETRX2模块定义为-97 dBm的。先前的工作表明，可靠的动物的环境中适当的因子为10 dBm的（DARR，2007年b）。在最大+17 dBm的链路预算或最高可接受的路径损耗的传输功率为-90 dBm的。解决弗里斯自由空间路径损耗为2.4 GHz的一个已知的工作频率方程和0dBi的估计天线增益得到250m的最大发射范围。这个值是多少更大，预期的传输范围
15、的要求，主要是由于高正增益发射机的特性。缩手的发射功率将提供有益的力量消费特征，而是一个五分钟的采样间隔期间在有限的当前使用的过度可靠性利益大于潜在的节省电流消耗。温度测量的误差预算：用于热敏电阻的半桥式信号调理电路是由一个200千欧电阻的和一个100千欧热敏电阻具有0.1和1的准确度等级。超过预期的室内温度跨度10C至35C的电桥输出电压有0.3269伏的变化。当与测得的内部10位，1.2伏的满量程范围模拟到数字化ETRX2模块，传感器的转换器分辨率是每比特0.090C。内部模拟到数字转换器是针对工厂引用修剪其产生的高测量精度的参考电压。会发生错误，虽然由于的电阻和热敏电阻的精度范围。将发生
16、的最大整体误差率时，电阻和热敏电阻的精度超出阶段。如果实际的电阻为0.1 ，高，实际热敏电阻值是1 的低，反之亦然，这将导致在电桥电压的最大误差。当考虑到这种情况和估计的回归由热敏电阻预期响应（式2）提供，误差的值的范围可从图3中可以看到。Temperature (C) = 47.43885 (volts)2 118.41893 (volts) + 64.78829图3示出的0.43C在30下的真实温度的最大测量误差条件，其中在电阻和热敏电阻的变化产生了积极的误差分量。这表明该预测温度值会比实际温度高。该的所有的错误条件的标准偏差为0.22，为的平均值的95置信区间理论上的传感器为0.11。图3：根据从回归估计误差和互动热敏电阻的最大测量误差热敏电阻和电阻桥精度。
