基于無線網(wǎng)絡(luò)的羊舍環(huán)境參數(shù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計

鄔 娟，宣傳忠，武 佩，劉艷秋，祁 飛

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)

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基于無線網(wǎng)絡(luò)的羊舍環(huán)境參數(shù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計

鄔 娟，宣傳忠，武 佩*，劉艷秋，祁 飛

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)

摘要[目的]實現(xiàn)養(yǎng)羊業(yè)集約化、數(shù)字化和智能化管理，保證羊舍環(huán)境參數(shù)的實時采集。[方法]以畜牧業(yè)中羊舍的養(yǎng)殖環(huán)境作為研究對象，運用ZigBee短距離無線技術(shù)和GPRS技術(shù)，實現(xiàn)對羊舍環(huán)境中溫度、濕度、CO2濃度、氨氣濃度的實時采集，并將其快速、準確地傳送于上位機的羊舍環(huán)境參數(shù)管理系統(tǒng)，可遠程或自動控制通風(fēng)、加溫等設(shè)備，以保證羊舍內(nèi)的環(huán)境適宜羊只健康生長。[結(jié)果]該系統(tǒng)可實現(xiàn)羊舍環(huán)境參數(shù)的穩(wěn)定采集，當環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定的閾值時，能及時報警并啟動相應(yīng)的控制設(shè)備，使羊舍的環(huán)境參數(shù)變化在設(shè)定的范圍內(nèi)。[結(jié)論]該系統(tǒng)操作界面簡單友好，運行穩(wěn)定，能及時報警，一定程度上提高了羊舍管理的自動化水平。

關(guān)鍵詞GPRS；ZigBee；環(huán)境參數(shù)；羊舍

我國是世界第一養(yǎng)羊大國，綿山羊存欄量、羊肉產(chǎn)量、山羊絨產(chǎn)量均居世界首位[1]。北方地區(qū)擁有豐富的草場資源和悠久的養(yǎng)羊歷史，歷來是我國綿羊的主要飼養(yǎng)地區(qū)。隨著人們生活水平的提高，動物食品的人均消費量也在提高，這為養(yǎng)羊業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了機遇，也激發(fā)了廣大農(nóng)民養(yǎng)羊的熱情。近年來為了恢復(fù)生態(tài)，我國實行了糧改飼及草原輪牧、禁牧的政策，因此集約化設(shè)施養(yǎng)羊目前得到了很大的發(fā)展。由于設(shè)施養(yǎng)羊羊的數(shù)量多、密度大，因此建立一種可提高養(yǎng)殖效益、減少人員勞動強度的羊舍智能化管理系統(tǒng)是養(yǎng)羊業(yè)迫切需求的。與國外相比，我國的養(yǎng)羊業(yè)起步晚、差距大、存在的問題較多，大多還是傳統(tǒng)的粗放型[2]，受自然、環(huán)境條件的限制，養(yǎng)羊設(shè)施簡陋，抵御自然災(zāi)害的能力很弱。在設(shè)施水平較低的情況下，環(huán)境的可控性就差，而羊舍環(huán)境質(zhì)量對羊的健康、產(chǎn)肉量、產(chǎn)羔量等均有很大影響。隨著設(shè)施規(guī)?；?、集約化養(yǎng)殖的發(fā)展[3]，對羊舍環(huán)境進行監(jiān)控、創(chuàng)造適宜生長的環(huán)境條件也是目前養(yǎng)羊業(yè)的重要發(fā)展方向。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別是遠程無線技術(shù)、單片機技術(shù)和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展為羊舍環(huán)境的數(shù)據(jù)采集與控制提供了強大的技術(shù)支持?；诖?，筆者設(shè)計了一種羊舍環(huán)境參數(shù)采集控制系統(tǒng)，以期為羊舍的環(huán)境控制及參數(shù)預(yù)警等研究提供理論依據(jù)和試驗基礎(chǔ)。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于無線網(wǎng)絡(luò)的羊舍環(huán)境參數(shù)采集控制系統(tǒng)集傳感器、通訊技術(shù)、計算機技術(shù)等于一體，通過預(yù)設(shè)羊只健康生長所需的適宜環(huán)境參數(shù)，搭建智能化軟件與硬件平臺，實現(xiàn)對羊舍中溫度、濕度、CO2、氨氣等因子的自動監(jiān)測和控制。

該系統(tǒng)采用低功耗微處理器STC12C4052AD單片機實現(xiàn)與各個模塊控制與通信，羊舍環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)管理中心、GPRS終端、數(shù)據(jù)采集模塊、傳感器以及執(zhí)行機構(gòu)組成。利用傳感器對羊舍內(nèi)不同區(qū)域的溫度、濕度、氨氣濃度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)進行檢測，了解羊只生長狀況。執(zhí)行機構(gòu)可對環(huán)境參數(shù)進行實時調(diào)節(jié)控制，使羊只生長在適宜的環(huán)境中。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。遠程羊舍環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接如圖2所示。系統(tǒng)采用上、下位機控制方案，下位機主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊和執(zhí)行機構(gòu)組成，對羊舍環(huán)境參數(shù)的實時檢測和調(diào)節(jié)，并通過GPRS將數(shù)據(jù)傳送到上位機；上位機為基于LabVIEW的智能管理系統(tǒng)，與下位機通過GPRS技術(shù)進行通信，實現(xiàn)對羊舍的遠程監(jiān)控和管理操作，用戶也可通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來訪問該系統(tǒng)，預(yù)設(shè)環(huán)境參數(shù)，監(jiān)測實時采集的環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)羊舍環(huán)境的自動控制。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1　Diagram of structure system

圖2　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意Fig.2　Diagram of data acquisition system

2羊舍環(huán)境參數(shù)采集控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

根據(jù)整個系統(tǒng)要實現(xiàn)的相關(guān)功能要求設(shè)計出詳細的硬件電路，如圖3所示。

圖3　硬件結(jié)構(gòu)Fig.3　Diagram of hardware structure

注：a.溫度與濕度傳感器； b.氨氣濃度傳感器；c.CO2濃度傳感器。Note：a. Temperature and humidity sensor； b. Ammonia concentration sensor； c. CO2 concentration sensor.圖4　數(shù)據(jù)采集模塊傳感器Fig.4　Sensor of data acquisition module

2.1數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是實現(xiàn)對羊舍內(nèi)的溫度、濕度、氨氣濃度、CO2濃度等參數(shù)的精確測量，因此，溫度與濕度傳感器采用的是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的SHT11新型傳感器，溫度量程范圍為-40.0～123.8 ℃，測溫精度可達0.4 ℃，濕度量程范圍為0～100%RH，測濕精度可達3%RH。氨氣濃度傳感器選用NH3/CR-200型氨氣濃度傳感器和FAD-8209型氨氣濃度變送器組成的氨氣濃度檢測模塊，該模塊具有測量精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點。CO2濃度傳感器選用MH-Z14氣體傳感器，該傳感器線性范圍寬、精度高且功耗低。數(shù)據(jù)采集模塊傳感器實物如圖4所示。數(shù)據(jù)采集模塊中的采集電路前端需接各種變送器，從變送器送來的是標準信號，即4～20 mA，所設(shè)計的電路需滿足通用性的要求。只要前端接不同類型的變送器，采集電路均可將采集到的電壓傳送到A/D轉(zhuǎn)換電路中去[4]。A/D轉(zhuǎn)換過程中，采樣電路通過采樣電阻將變送器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，為了提高采集的精度，采樣電路需使用高精度的電阻。

2.2GPRS終端模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)傳終端是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)年P(guān)鍵部分，是實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)管理屮心與數(shù)據(jù)采集模塊之間通信的橋梁[5]，接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)由RS232串口通信實時傳送給GPRS模塊。要進行遠程數(shù)據(jù)傳輸必須用到GPRS模塊，該數(shù)傳終端使用的GPRS模塊是西門子的SIM300C，SIM300C模塊具有可靠性高、功能模塊完全、價格便宜等優(yōu)點。

2.3串口調(diào)控模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)除了需要利用串口模塊與GPRS模塊進行通信外，還需要頻繁地使用串口模塊進行系統(tǒng)調(diào)試。在調(diào)試過程中，需要通過串口與計算機相連接來測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行耘c正確性。串行接口按電氣標準及協(xié)議來分包括 RS-232-C、RS-422、RS485等，該系統(tǒng)選用RS-232作為串口模塊的電器標準協(xié)議[6]。

2.4單片機處理模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計單片機對電壓的要求比較嚴格，當輸入到單片機中的電壓存在擾動或者雜波時，可能會導(dǎo)致程序跑飛或復(fù)位[7]，所以在將3.3 V電壓引入到單片機以前需先經(jīng)過濾波、除噪，以減小電壓中的雜波對單片機的干擾。

3羊舍環(huán)境參數(shù)采集控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了保證羊舍環(huán)境參數(shù)采集控制系統(tǒng)各部分功能的穩(wěn)定、可靠運行，必須編寫相應(yīng)的軟件程序。羊舍環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件分為嵌入式底層軟件和PC上位機軟件2個部分。嵌入式底層軟件包括數(shù)傳終端、數(shù)據(jù)采集模塊中的在單片機中運行的嵌入式代碼。PC上位機軟件包括數(shù)傳終端參數(shù)配置軟件和環(huán)境數(shù)據(jù)采集軟件。用戶只需遠程監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)、查詢感興趣的參數(shù)數(shù)據(jù)，而不必關(guān)心數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)組建的技術(shù)細節(jié)[8]，降低了使用人員的技術(shù)要求，同時為用戶提供了一個易用、簡潔的圖形化管理界面。

3.1系統(tǒng)軟件組成系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)庫單元、功能單元、用戶管理單元和遠程控制單元組成。數(shù)據(jù)庫單元根據(jù)數(shù)據(jù)的不同建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格記錄，同時實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的添加和查詢檢索功能；功能單元包括實時數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)初始化、設(shè)備控制、歷史報表查詢和系統(tǒng)幫助；用戶管理單元將不同級別的用戶給予不同級別的權(quán)限，可實現(xiàn)某個用戶管理一個或多個信息和自動化設(shè)備；遠程控制單元控制羊舍的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，當有數(shù)據(jù)到來時，通知系統(tǒng)取出傳送來的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)軟件組成如圖5所示。

圖5　軟件結(jié)構(gòu)Fig.5　Diagram of software structure

3.2通訊協(xié)議設(shè)計要實現(xiàn)將下位機傳送過來的數(shù)據(jù)在LabVIEW中進行顯示必須遵循統(tǒng)一的通訊協(xié)議，并按照這個協(xié)議格式將數(shù)據(jù)進行數(shù)值轉(zhuǎn)換。在該系統(tǒng)的通信過程中，數(shù)據(jù)包的長度為18字節(jié)，第1位為0，第18位為17，從第1位至第18位所表示的數(shù)據(jù)格式分別為“K”、“溫度百位”、“溫度十位”、“溫度個位”、“溫度小數(shù)位”、“濕度百位”、“濕度十位”、“濕度個位”、“濕度小數(shù)位”、“氨氣濃度個位”、“氨氣濃度十分位”、“氨氣濃度百分位”、“氨氣濃度千分位”、“CO2濃度個位”、“CO2濃度十分位”、“CO2濃度百分位”、“CO2濃度千分位”、“M”。數(shù)據(jù)通信格式中的開頭設(shè)為“K”，只要通信過程中得到傳送的數(shù)據(jù)為75(“K”的ASCII值)，之后按照上述中的后續(xù)格式進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，如果得到的數(shù)據(jù)為77(“M”的ASCII值)，則結(jié)束轉(zhuǎn)換。

在實現(xiàn)串口通信的過程中，要將接收到的數(shù)據(jù)按照一定的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為數(shù)值，然后才可以在LabVIEW中進行顯示。數(shù)據(jù)包的長度為18字節(jié)，當上位機接收到相應(yīng)位，即按照相應(yīng)計算進行數(shù)值轉(zhuǎn)換。具體計算如下：①溫度數(shù)值。W=r1×100+r2×10+r3+r4×0.1。式中，W為溫度最終顯示數(shù)值；r1為溫度百位；r2為溫度十位；r3為溫度個位；r4為溫度小數(shù)位。②濕度數(shù)值。S=r1×100+r2×10+r3+r4×0.1。式中，S為濕度最終顯示數(shù)值；r1為濕度百位；r2為濕度十位；r3為濕度個位；r4為濕度小數(shù)位。③氨氣濃度數(shù)值。N=r1+r2×0.1+r3×0.01+r4×0.001。 式中，N為氨氣濃度最終顯示數(shù)值；r1為氨氣濃度個位；r2為氨氣濃度十分位；r3為氨氣濃度百分位；r4為氨氣濃度千分位。④CO2濃度數(shù)值。C=r1+r2×0.1+r3×0.01+r4×0.001。式中，C為CO2濃度最終顯示數(shù)值；r1為CO2濃度個位；r2為CO2濃度十分位；r3為CO2濃度百分位；r4為CO2濃度千分位。

3.3主程序界面系統(tǒng)的軟件主界面如圖6所示。該界面采用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺 LabVIEW 2010 設(shè)計，采用模塊化設(shè)計方法，各模塊的編寫互相獨立[9]，部分程序如圖7所示。該系統(tǒng)實現(xiàn)了串口數(shù)據(jù)讀取、分析、處理，儀表顯示，波形顯示及超過閾值報警等主要功能。

圖6　軟件界面Fig.6　Interface of the software

圖7　程序框圖Fig.7　Diagram of program

4試驗結(jié)果

軟件系統(tǒng)接收到被測點采集的數(shù)據(jù)之后，LabVIEW數(shù)據(jù)處理軟件將按照“3.2”的數(shù)據(jù)格式進行分解，最后將溫度、濕度、氨氣濃度、CO2濃度的相應(yīng)數(shù)值顯示到相應(yīng)的儀表區(qū)域和波形圖區(qū)域。有研究顯示，適宜羊生長的環(huán)境對各參數(shù)的要求為：溫度10～30 ℃；濕度50%～80%；氨氣濃度<15 mg/m3；CO2濃度<13 mg/m3[10]。當超過上述參數(shù)的上限值時，系統(tǒng)進行報警并啟動相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)調(diào)控設(shè)備。

在養(yǎng)羊場安裝該監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)，經(jīng)過調(diào)試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，按照預(yù)定要求采集到了羊舍的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)(表1)。在環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定的閾值時，能及時報警并啟動環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)設(shè)施。該系統(tǒng)用戶界面友好，有效提高了羊場管理的效率和自動化水平。

表1　羊舍環(huán)境參數(shù)測定結(jié)果及變化范圍

5結(jié)論

基于GPRS遠程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)與ZigBee短距離無線通信技術(shù)的智能化設(shè)施養(yǎng)殖系統(tǒng)已成功應(yīng)用，構(gòu)建的羊舍無線監(jiān)控和智能控制系統(tǒng)對羊舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)值進行調(diào)控，滿足了羊只生長環(huán)境的要求，有效提高了畜牧業(yè)集約化生產(chǎn)程度。在該系統(tǒng)中數(shù)傳終端與數(shù)據(jù)采集模塊之間的通信釆用ZigBee短距離無線傳輸技術(shù)，數(shù)傳終端與遠程數(shù)據(jù)管理中心之間的通信采用GPRS遠程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，這樣避免了采用有線方式傳輸數(shù)據(jù)而導(dǎo)致大量布線帶來的麻煩。該系統(tǒng)經(jīng)過可靠的運行，實現(xiàn)了對羊舍內(nèi)的空氣溫度、濕度、氨氣濃度、CO2濃度等參數(shù)的準確測量，同時能根據(jù)不同要求設(shè)定環(huán)境參數(shù)的報警范圍，也可將系統(tǒng)設(shè)置成手動控制或自動控制狀態(tài)，該系統(tǒng)開發(fā)成本低廉、通用性強，因而其在智能化設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境控制中有著廣闊的發(fā)展和應(yīng)用空間。

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基金項目國家自然科學(xué)基金(11364029，61461042)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金(2012MS0720)；內(nèi)蒙古“草原英才”產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才團隊項目(內(nèi)組通字[2014]27 號)。

作者簡介鄔娟(1989-)，女，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)工程測試與控制。*通訊作者，教授，博士生導(dǎo)師，從事農(nóng)業(yè)工程測試與控制研究。

收稿日期2016-03-25

中圖分類號S 26+3

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)13-293-04

Research on the Acquisition and Control System for Environmental Parameter of Sheep Pen Based on the Wireless Network

WU Juan, XUAN Chuan-zhong, WU Pei*et al

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot, Inner Mongolia 010018)

Abstract[Objective] The intensive, digital and intelligent management of sheep pen could be ensured through the research on real-time acquisition of the environmental parameter in the sheep pen. [Method] The real-time acquisition of environmental parameters of temperature, humidity, CO2 concentration, NH3 concentration in sheep pen was carried out with the technique of ZigBee short-range wireless and GPRS and the data was fast and accurately transferred to the management system in PC, so that the healthy sheep growth would be realized through the optimum environment based on the remote and automatic control in the ventilation, heating and others. [Result] The environment parametes in sheep pen could be stably collected with the system. The timely alarming and the starting of the appropriate control equipment were done when the environmental parameters in sheep pen exceeded the threshold that was set. [Conclusion] The system is simple and user-friendly, stable and timely warning, and to some extent, the automation level of sheep pen management is improved.

Key wordsGPRS; ZigBee; Environmental parameters; Sheep pen