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摘要：通过对养鸡场环境因子的测量和控制，可确保鸡处于最适生长环境。为使鸡舍环境信息监控系统不再依赖有线网络传输技术、现场布线更为简单、通信监控稳定可靠，提出多点对点蓝牙-GPRS网关设计，采用多点均衡判别和在网关中引入CRC数据包校验的方法来降低错误监控事件发生率。系统在感知层针对资源有限的CC2540实现了1个蓝牙主机同3个从机的稳定性通信，带有传感器的蓝牙从模块的终端节点可实现6个环境参数的采集，同时还可利用红外遥控执行设备。现场采集到的信息通过多点对点蓝牙-GPRS网关转为GPRS数据包发送到传输层的远端服务器，服务器利用数据挖掘的方法进行多点均衡判别来达到优化控制。应用层以Android手机为客户端，以C/S模式对养鸡场进行可靠监控，客户端具有远程设置界面，可设置6个环境参数的变化区间来使终端节点自动调节鸡场环境，客户端还有远程记录鸡生长日志功能。系统将建成鸡舍环境参数与生长状况信息库，可为后期养殖技术的提高和食品安全的溯源提供全面可靠的数据支持。
关键词：多点对点；蓝牙-GPRS；CC2540；多点均衡；环境参数；远程设置；鸡舍
中图分类号： S126；TP277.2 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0394-05
随着我国城市化的不断发展，过去散养鸡的方式越来越被大规模、集中式的养鸡场方式所替代。然而，鸡生长过程中在不同阶段对环境因素有着不同的要求[1-3]，因此这种高密度的养殖需要合理的信息监控系统。信息监控系统在养鸡场的应用既可以节约大量的劳动成本，又可以让养鸡场环境时刻保持最适合鸡生长的状态，从源头上降低鸡疾病发生率，从而确保鸡又快又好地生长。
当今国外养鸡场监控大都采用工控监控设备，价格昂贵[4]，国内养鸡场监控对有线网络传输技术依耐性强，布线复杂。而在现实中，国内养鸡场大都处于偏僻、有线通信设施差的地区。如今蓝牙4.0BLE技术低功耗，且在通信传输速率、价格上已经优于ZigBee，而且蓝牙4.0BLE传输距离已达到了60～100 m[5]。此外，蓝牙4.0BLE的星形网络拓扑依赖的不再仅仅是以手机为中心节点，市场上已经出现了诸多CC254X系列的主机。因此，蓝牙4.0BLE技术在中小规模养鸡场环境信息监控方面的应用已经有了可能。
针对以上情况，本研究开发了基于蓝牙4.0BLE技术的鸡舍环境信息监控系统，该系统以Android智能手机为客户端，以全程无线的通信方式对养鸡场的信息进行可靠监控。同时，使用者可在客户端以日志形式记录鸡的生长信息并存于服务器中。本研究首次建成鸡舍环境参数与生长状况信息库，以期为今后养殖技术的提高和食品安全可溯源提供全面可靠的数據。
1 系统总体设计
这个基于蓝牙4.0BLE技术的鸡舍环境信息监控系统，采用物联网的感知层、传输层、应用层3层设计模式。系统涉及的通信方式，都采用无线传输方式，系统涉及红外、蓝牙和GPRS无线通信技术。系统总体结构见图1。
（1）感知层。蓝牙从模块的数据采集终端既作为数据采集终端又作为驱动执行设备的红外发射器[6]。执行设备有：具有红外感应的加温空调、风机、加湿器、天窗和照明设备。多个蓝牙从模块数据采集终端与多点对点蓝牙-GPRS网关以主从方式实现通信连接。本设计采用3个带有传感器的蓝牙从模块和GPRS3G 500万像素可旋转摄像头作为数据采集终端节点，实现对养鸡场内6个环境参数多地点采集和对现场图片取景多角度采集，6个环境参数为温度、相对湿度、光照度、二氧化碳浓度、氨气浓度和硫化氢浓度[1-2，7]。将采集的3组6个环境参数打成数据包，再利用多点对点蓝牙-GPRS网关，将蓝牙数据包格式转化为GPRS数据包格式，并通过该网关发送出去。
（2）传输层。利用GPRS网络，将上述GPRS数据包通过GPRS网络发给具有公网IP的远程服务器。服务器每隔5 min 就收到1次来自感知层的环境数据，服务器利用数据挖掘的方法对同一时间3个不同节点采集的6个环境参数进行多点均衡判别，根据事先定好的规则给出控制结论，达到优化控制的目的。长此以往服务器端将会获取大量重复数据，因此利用数据分析方法去除冗余数据，再作存储。
（3）应用层。采用安卓智能手机作为客户端，当然还可以采用图1中的其他移动设备或固定设备，以C/S模式获取养鸡场的实时信息，客户端还可以控制调节养鸡场内的环境
因子。在客户端上如滑动空调加温按钮至开状态，服务器就会接收到控制信息，经过分析就会给多点对点蓝牙-GPRS网关发送对应的GPRS数据包控制信息。该网关收到信息后将其转换为蓝牙数据包，并根据数据包解析出的蓝牙从模块的地址信息将打开空调的控制信号发给指定的蓝牙从模块数据采集终端。该从模块处理器根据控制信息，会自动发出对应的红外编码信号给空调红外接收器，空调就会自动开启[6]。客户端还具有远程记录鸡生长日志功能。服务器端根据每天采集的环境参数和生长日志形成鸡舍环境参数与生长状况信息库。
2 多点对点蓝牙-GPRS网关设计
采用多点对点蓝牙-GPRS网关，摆脱了以往单从节点失效而数据不能传输的问题，或因单从节点错误传输而导致错误监控的事故。同时，采用多节点均衡判别，可提高采集数据的可靠性。
2.1 硬件设计
该网关由蓝牙4.0射频模块、超低功耗MSP430F149处理器、GPRS射频模块组成。多点对点蓝牙-GPRS网关系统见图2。本网关硬件主要由蓝牙4.0BLE模块（包括1个集中器和3个节点设备）、MCU控制器模块、GPRS射频模块、储存器模块和显示模块组成。蓝牙4.0BLE模块的核心采用制造者科技有限公司生产的CC2540-EB核心板，该核心板主要包括CC2540单片机、全尺寸倒F天线、晶振和扩展接口。CC2540-EB核心版供电电压3.3 V，室内有效传输距离可达60 m。其中CC2540单片机是由TI公司推出的完全支持蓝牙4.0BLE协议的8位单片机[5]。MCU控制器模块采用TI公司的MSP430F149，该低功耗处理器具有2个通用异步串行接口，且都为TTL接口[8-9]。GPRS射频模块采用透传模块KS97，该模块能够将串口接收到的数据通过GPRS网络进行无线传送。存储器模块采用金斯顿2G SD卡，采用SPI模式与单片机MSP430F149相连接。该SD卡用作存放事先计算好的CRC16值表，该多点对点蓝牙-GPRS网关在进行数据包CRC校验时采用查表法将大大提高单片机MSP430F149的计算速度。LCD显示模块采用12864液晶屏，用来实时显示养鸡场内的温度等6个环境参数。如图2所示，蓝牙射频模块与MSP430F149单片机串口0的TXD、RXD相连接，GPRS射频模块则接在MSP430F149单片机的串口1上，SD存储卡采用SPI模式与单片机MSP430F149相连接。 2.2 软件设计
2.2.1 多点对点蓝牙-GPRS网关软件流程图设计 多点对点蓝牙-GPRS网关软件流程见图3。该软件的功能好比数据翻译器，实现蓝牙数据格式同GPRS数据格式的相互轉换。该网关的运行，首先要进行初始化，包括串口初始化、12864液晶显示初始化、SD存储卡初始化、波特率设置、使能中断等操作。接下来的软件程序流程将进入1个大的循环体中，流程如下：（1）MSP430F149处理器对串口0和串口1进行周期性的状态扫描，扫描到高电平信号就跳到（2）。（2） MSP430F149处理器对高电平信号串口采取辨别，如果来自串口0，那么把串口1定义成输出端，跳到（3）；反之将串口0定义成输出端，跳到（4）。（3）接收串口0的蓝牙数据包，调
用SD存储卡中的CRC16值表进行CRC16校验。校验失败则丢弃当前数据包跳到（1）；校验成功则对该蓝牙数据包进行解析，分离出采集节点的地址信息和数据荷载，进而在将其封装为GPRS格式的数据包。如果上报时间5 min已到，则把GPRS格式的数据包从串口1发出，跳到（1）；若上报时间未到，则跳到（1）。（4）接收串口1的GPRS格式数据包，调用SD存储卡中的CRC16值表进行CRC16校验。如果校验失败，则丢弃当前数据包，跳到（1）；如果校验成功，则对该GPRS数据包进行解析，分离出采集节点的地址信息、控制信息，进而将其封装为蓝牙格式的数据包。从串口0发出，跳到（1）。
2.2.2 蓝牙主机与3个蓝牙从机实现上电自动连接 本系统在蓝牙主从机采集与控制这一模块功能的开发上，编译环境采用IAR8.10，蓝牙协议栈采用BLE-CC254x-1.3.2，程序下载烧写器采用CC DEBUGGER。使用IAR开发的极大好处就是用户只需要打开TI公司提供的BLE协议栈，根据实际项目进行文件的部分修改即可。利用协议栈在后期开发中不再需要编写底层的复杂代码，开发者只需调用相应的API接口函数，即可实现控制底层的功能。蓝牙4.0BLE协议栈如图4所示。该协议栈实现了TI的蓝牙4.0BLE的协议。TI的蓝牙4.0BLE协议由控制器、主机2大部份组成。协议栈用分层的思想，上层可以调用下层提供的函数来实现所需要的功能[5]。而一般用户直接接触的是通用访问配置文件层（GAP）、通用属性配置文件层（GATT）。GAP定义了使用ATT服务的框架，若GAP服务的UUID相互匹配，那么2个设备就可建立连接，GATT规定了配置文件（profile）的结构，在BLE中凡是被服务或profile用到的数据块都称作“特性”，2个建立连接设备之间的所有数据通信都是利用GATT子程序来处理的[5]。
图5是蓝牙主机与3个蓝牙从机实现上电自动连接的流程，此处共4个模块、1个主机、3个从机。上电后，从机通过传感器采集到鸡场环境数据存放到自身属性表的特性中，周期性地处于广播状态；而主机仅需要扫描和连接2个动作。
流程图中部分关键代码：打开协议栈文件夹需要修改simpleBLECentral.c、simpleBLEPeripheral.c及其对应的头文件及 profile文件和该系统模块对应的hal层驱动等。
osal_set_event（simpleBLETaskId，START_CONNECT_EVT）；//启动1个连接事件
If（pEvent->gap.hdr.status==SUCESS）；//回调函数返回状态为SUCESS，表明连接成功
{simpleBLEConnHandle[connectedPeripheralNum]=pEvent->linkCmpl.connectionHandle；//保存当前connectionHandle
connectedPeripheralNum ；//已建立连接数 1
.............}
If（（connectedPeripheralNum
关键词：多点对点；蓝牙-GPRS；CC2540；多点均衡；环境参数；远程设置；鸡舍
中图分类号： S126；TP277.2 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0394-05
随着我国城市化的不断发展，过去散养鸡的方式越来越被大规模、集中式的养鸡场方式所替代。然而，鸡生长过程中在不同阶段对环境因素有着不同的要求[1-3]，因此这种高密度的养殖需要合理的信息监控系统。信息监控系统在养鸡场的应用既可以节约大量的劳动成本，又可以让养鸡场环境时刻保持最适合鸡生长的状态，从源头上降低鸡疾病发生率，从而确保鸡又快又好地生长。
当今国外养鸡场监控大都采用工控监控设备，价格昂贵[4]，国内养鸡场监控对有线网络传输技术依耐性强，布线复杂。而在现实中，国内养鸡场大都处于偏僻、有线通信设施差的地区。如今蓝牙4.0BLE技术低功耗，且在通信传输速率、价格上已经优于ZigBee，而且蓝牙4.0BLE传输距离已达到了60～100 m[5]。此外，蓝牙4.0BLE的星形网络拓扑依赖的不再仅仅是以手机为中心节点，市场上已经出现了诸多CC254X系列的主机。因此，蓝牙4.0BLE技术在中小规模养鸡场环境信息监控方面的应用已经有了可能。
针对以上情况，本研究开发了基于蓝牙4.0BLE技术的鸡舍环境信息监控系统，该系统以Android智能手机为客户端，以全程无线的通信方式对养鸡场的信息进行可靠监控。同时，使用者可在客户端以日志形式记录鸡的生长信息并存于服务器中。本研究首次建成鸡舍环境参数与生长状况信息库，以期为今后养殖技术的提高和食品安全可溯源提供全面可靠的数據。
1 系统总体设计
这个基于蓝牙4.0BLE技术的鸡舍环境信息监控系统，采用物联网的感知层、传输层、应用层3层设计模式。系统涉及的通信方式，都采用无线传输方式，系统涉及红外、蓝牙和GPRS无线通信技术。系统总体结构见图1。
（1）感知层。蓝牙从模块的数据采集终端既作为数据采集终端又作为驱动执行设备的红外发射器[6]。执行设备有：具有红外感应的加温空调、风机、加湿器、天窗和照明设备。多个蓝牙从模块数据采集终端与多点对点蓝牙-GPRS网关以主从方式实现通信连接。本设计采用3个带有传感器的蓝牙从模块和GPRS3G 500万像素可旋转摄像头作为数据采集终端节点，实现对养鸡场内6个环境参数多地点采集和对现场图片取景多角度采集，6个环境参数为温度、相对湿度、光照度、二氧化碳浓度、氨气浓度和硫化氢浓度[1-2，7]。将采集的3组6个环境参数打成数据包，再利用多点对点蓝牙-GPRS网关，将蓝牙数据包格式转化为GPRS数据包格式，并通过该网关发送出去。
（2）传输层。利用GPRS网络，将上述GPRS数据包通过GPRS网络发给具有公网IP的远程服务器。服务器每隔5 min 就收到1次来自感知层的环境数据，服务器利用数据挖掘的方法对同一时间3个不同节点采集的6个环境参数进行多点均衡判别，根据事先定好的规则给出控制结论，达到优化控制的目的。长此以往服务器端将会获取大量重复数据，因此利用数据分析方法去除冗余数据，再作存储。
（3）应用层。采用安卓智能手机作为客户端，当然还可以采用图1中的其他移动设备或固定设备，以C/S模式获取养鸡场的实时信息，客户端还可以控制调节养鸡场内的环境
因子。在客户端上如滑动空调加温按钮至开状态，服务器就会接收到控制信息，经过分析就会给多点对点蓝牙-GPRS网关发送对应的GPRS数据包控制信息。该网关收到信息后将其转换为蓝牙数据包，并根据数据包解析出的蓝牙从模块的地址信息将打开空调的控制信号发给指定的蓝牙从模块数据采集终端。该从模块处理器根据控制信息，会自动发出对应的红外编码信号给空调红外接收器，空调就会自动开启[6]。客户端还具有远程记录鸡生长日志功能。服务器端根据每天采集的环境参数和生长日志形成鸡舍环境参数与生长状况信息库。
2 多点对点蓝牙-GPRS网关设计
采用多点对点蓝牙-GPRS网关，摆脱了以往单从节点失效而数据不能传输的问题，或因单从节点错误传输而导致错误监控的事故。同时，采用多节点均衡判别，可提高采集数据的可靠性。
2.1 硬件设计
该网关由蓝牙4.0射频模块、超低功耗MSP430F149处理器、GPRS射频模块组成。多点对点蓝牙-GPRS网关系统见图2。本网关硬件主要由蓝牙4.0BLE模块（包括1个集中器和3个节点设备）、MCU控制器模块、GPRS射频模块、储存器模块和显示模块组成。蓝牙4.0BLE模块的核心采用制造者科技有限公司生产的CC2540-EB核心板，该核心板主要包括CC2540单片机、全尺寸倒F天线、晶振和扩展接口。CC2540-EB核心版供电电压3.3 V，室内有效传输距离可达60 m。其中CC2540单片机是由TI公司推出的完全支持蓝牙4.0BLE协议的8位单片机[5]。MCU控制器模块采用TI公司的MSP430F149，该低功耗处理器具有2个通用异步串行接口，且都为TTL接口[8-9]。GPRS射频模块采用透传模块KS97，该模块能够将串口接收到的数据通过GPRS网络进行无线传送。存储器模块采用金斯顿2G SD卡，采用SPI模式与单片机MSP430F149相连接。该SD卡用作存放事先计算好的CRC16值表，该多点对点蓝牙-GPRS网关在进行数据包CRC校验时采用查表法将大大提高单片机MSP430F149的计算速度。LCD显示模块采用12864液晶屏，用来实时显示养鸡场内的温度等6个环境参数。如图2所示，蓝牙射频模块与MSP430F149单片机串口0的TXD、RXD相连接，GPRS射频模块则接在MSP430F149单片机的串口1上，SD存储卡采用SPI模式与单片机MSP430F149相连接。 2.2 软件设计
2.2.1 多点对点蓝牙-GPRS网关软件流程图设计 多点对点蓝牙-GPRS网关软件流程见图3。该软件的功能好比数据翻译器，实现蓝牙数据格式同GPRS数据格式的相互轉换。该网关的运行，首先要进行初始化，包括串口初始化、12864液晶显示初始化、SD存储卡初始化、波特率设置、使能中断等操作。接下来的软件程序流程将进入1个大的循环体中，流程如下：（1）MSP430F149处理器对串口0和串口1进行周期性的状态扫描，扫描到高电平信号就跳到（2）。（2） MSP430F149处理器对高电平信号串口采取辨别，如果来自串口0，那么把串口1定义成输出端，跳到（3）；反之将串口0定义成输出端，跳到（4）。（3）接收串口0的蓝牙数据包，调
用SD存储卡中的CRC16值表进行CRC16校验。校验失败则丢弃当前数据包跳到（1）；校验成功则对该蓝牙数据包进行解析，分离出采集节点的地址信息和数据荷载，进而在将其封装为GPRS格式的数据包。如果上报时间5 min已到，则把GPRS格式的数据包从串口1发出，跳到（1）；若上报时间未到，则跳到（1）。（4）接收串口1的GPRS格式数据包，调用SD存储卡中的CRC16值表进行CRC16校验。如果校验失败，则丢弃当前数据包，跳到（1）；如果校验成功，则对该GPRS数据包进行解析，分离出采集节点的地址信息、控制信息，进而将其封装为蓝牙格式的数据包。从串口0发出，跳到（1）。
2.2.2 蓝牙主机与3个蓝牙从机实现上电自动连接 本系统在蓝牙主从机采集与控制这一模块功能的开发上，编译环境采用IAR8.10，蓝牙协议栈采用BLE-CC254x-1.3.2，程序下载烧写器采用CC DEBUGGER。使用IAR开发的极大好处就是用户只需要打开TI公司提供的BLE协议栈，根据实际项目进行文件的部分修改即可。利用协议栈在后期开发中不再需要编写底层的复杂代码，开发者只需调用相应的API接口函数，即可实现控制底层的功能。蓝牙4.0BLE协议栈如图4所示。该协议栈实现了TI的蓝牙4.0BLE的协议。TI的蓝牙4.0BLE协议由控制器、主机2大部份组成。协议栈用分层的思想，上层可以调用下层提供的函数来实现所需要的功能[5]。而一般用户直接接触的是通用访问配置文件层（GAP）、通用属性配置文件层（GATT）。GAP定义了使用ATT服务的框架，若GAP服务的UUID相互匹配，那么2个设备就可建立连接，GATT规定了配置文件（profile）的结构，在BLE中凡是被服务或profile用到的数据块都称作“特性”，2个建立连接设备之间的所有数据通信都是利用GATT子程序来处理的[5]。
图5是蓝牙主机与3个蓝牙从机实现上电自动连接的流程，此处共4个模块、1个主机、3个从机。上电后，从机通过传感器采集到鸡场环境数据存放到自身属性表的特性中，周期性地处于广播状态；而主机仅需要扫描和连接2个动作。
流程图中部分关键代码：打开协议栈文件夹需要修改simpleBLECentral.c、simpleBLEPeripheral.c及其对应的头文件及 profile文件和该系统模块对应的hal层驱动等。
osal_set_event（simpleBLETaskId，START_CONNECT_EVT）；//启动1个连接事件
If（pEvent->gap.hdr.status==SUCESS）；//回调函数返回状态为SUCESS，表明连接成功
{simpleBLEConnHandle[connectedPeripheralNum]=pEvent->linkCmpl.connectionHandle；//保存当前connectionHandle
connectedPeripheralNum ；//已建立连接数 1
.............}
If（（connectedPeripheralNum
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