畜舍環(huán)境多參數(shù)采集監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李衛(wèi)華，魏巍，李文順，韋春波，丁福君，陳遇英

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，大慶 163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院；3.鶴崗市東方紅鄉(xiāng)；4.杜爾伯特蒙古族自治縣畜牧水產(chǎn)局）

畜舍環(huán)境多參數(shù)采集監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李衛(wèi)華1，魏巍2，李文順1，韋春波2，丁福君3，陳遇英4

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，大慶 163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院；3.鶴崗市東方紅鄉(xiāng)；4.杜爾伯特蒙古族自治縣畜牧水產(chǎn)局）

以養(yǎng)殖業(yè)的實(shí)際需求為切入點(diǎn)，結(jié)合動(dòng)物科學(xué)專業(yè)和電子信息工程專業(yè)特點(diǎn)，將畜牧生產(chǎn)的小氣候環(huán)境要求和計(jì)算機(jī)傳感技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)并構(gòu)建一套低功耗、智能化的畜舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用MSP430F149超低功耗且抗干擾能力強(qiáng)的微處理器，使系統(tǒng)損耗及抗干擾能力達(dá)到最優(yōu)化，具有方便快捷，穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高、足不出戶即可掌握畜舍內(nèi)環(huán)境的特點(diǎn)。

畜牧生產(chǎn)；環(huán)境參數(shù)；環(huán)境監(jiān)控；無線傳輸

我國對(duì)畜舍環(huán)境問題的關(guān)注比較晚，但發(fā)展迅速。目前我國研究較為熱門的為傳感器、通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用研究[2]，這些技術(shù)的發(fā)展對(duì)我國的畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著巨大的推動(dòng)作用。因此，根據(jù)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的特點(diǎn)，針對(duì)具體的研究目標(biāo)和內(nèi)容，建立了成本低廉、性能穩(wěn)定的以MSP430芯片為控制器的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的基本功能是可以實(shí)時(shí)通過多個(gè)傳感器監(jiān)測當(dāng)前舍內(nèi)的環(huán)境因子，如：風(fēng)速、空氣溫度、濕度、二氧化碳濃度、氨氣濃度、光照強(qiáng)度等指標(biāo)，還可以由用戶自行根據(jù)畜禽的生長需要來確定環(huán)境參數(shù)的閥值，并與系統(tǒng)所采集的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行智能化比較，對(duì)舍內(nèi)的相關(guān)設(shè)備發(fā)出控制指令，最終實(shí)現(xiàn)畜舍環(huán)境自動(dòng)控制，以滿足畜禽生產(chǎn)所需的適宜生長環(huán)境條件。同時(shí)還具有查詢功能，在PC端以周期時(shí)段查詢實(shí)時(shí)參數(shù)，并可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和打印，系統(tǒng)安裝簡潔、配置性高、準(zhǔn)確性高，適合我國大中型養(yǎng)殖場應(yīng)用，為今后畜舍環(huán)境監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用與推廣提供有益參考。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是基于無線傳感技術(shù)的畜舍環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測畜舍光照強(qiáng)度、風(fēng)速、溫度、濕度、二氧化碳和氨等多種環(huán)境指標(biāo)，并可能智能化控制畜禽舍中濕簾、風(fēng)機(jī)或熱風(fēng)爐等設(shè)備系統(tǒng)。監(jiān)視系統(tǒng)由以下三部分組成：①信號(hào)輸入采集，包括溫度，濕度和其他環(huán)境因素；②信號(hào)參數(shù)處理，計(jì)算機(jī)將傳回來的信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的操作人員可識(shí)別的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理；③輸出和控制，包括調(diào)控相對(duì)應(yīng)的加熱器，增濕器，風(fēng)機(jī)，除濕器等設(shè)備。 硬件控制的構(gòu)成包括PC、單片機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)電腦。PC和下位機(jī)分別為主設(shè)備與從設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)主從通訊，農(nóng)場的指標(biāo)采集和環(huán)境管理與控制采用RS232總線連接通信，同時(shí)由各自的氣體傳感器、微控制器和其他組件（主要為單片機(jī)）組成下位機(jī)。傳感器采集的參數(shù)，如氨氣參數(shù)、風(fēng)速等再由下位機(jī)轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和預(yù)處理，并通過總線連接，在計(jì)算機(jī)完成收集、預(yù)處理和的獨(dú)立信息存儲(chǔ)任務(wù)，也可以從接收到的PC端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后按規(guī)定的不同要求發(fā)送指令，啟動(dòng)加熱，降溫，加濕，除濕等調(diào)節(jié)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)畜舍環(huán)境的調(diào)控[3]。上位機(jī)可以對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行配置，對(duì)下位機(jī)的傳輸進(jìn)行控制參數(shù)的設(shè)定值，完成對(duì)各個(gè)傳感器的集成管理和數(shù)據(jù)的算法處理傳感器系統(tǒng)集成、歷史數(shù)據(jù)分析、控制和管理，以及數(shù)據(jù)顯示、統(tǒng)計(jì)分析、存儲(chǔ)、打印輸出等。該監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 The overall structure design of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 微處理器的選擇

微處理器的對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的重要性即決定系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為提高系統(tǒng)性能，微處理器選用MSP430系列的CPU[4]。MSP430系列組合了相應(yīng)模塊的不同應(yīng)用對(duì)象的基本功能。在系統(tǒng)中，由于本系統(tǒng)功能需求，最終選定了MSP430F149。該芯片是由美國德州儀器公司TI公司開發(fā)的16位微處理器，它具有強(qiáng)大的處理能力和低功耗的特點(diǎn)，非常適合于高性能，低功耗的場合，可以說是專門為儀器儀表而生的一款芯片。具體特點(diǎn)包括：①超低功耗：在正常模式下中，如果操作電壓為2.2伏，典型的電流消耗只有200 μA，在待機(jī)狀態(tài)下電流甚至可以降低到1 μA。②快速蘇醒：從待機(jī)模式下恢復(fù)工作，只需要不到6 μS時(shí)間。③豐富的片上外設(shè)：芯片集成了多個(gè)外設(shè)模塊，包括12位A/D，精密模擬比較器，硬件乘法器，看門狗和許多輸入輸出接口。④快速執(zhí)行：高達(dá)8 Mbps的執(zhí)行速度。具體電路圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)微處理器部分電路Fig.2 Circuit of the system microprocessor

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無線通訊的穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)系統(tǒng)可靠性的基本環(huán)節(jié)，也是整體系統(tǒng)的重要保障。系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括多個(gè)傳感器單元的幾個(gè)基本組件，無線通信模塊，存儲(chǔ)器單元等。各個(gè)傳感器通過多個(gè)模擬開關(guān)將采集到的數(shù)據(jù)傳回到單片機(jī)芯片進(jìn)行處理。無線通信模塊是該系統(tǒng)中主要的耗能模塊，而由于此模塊在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)的功耗要非常低，系統(tǒng)選用了JZX875無線數(shù)傳模塊，采用ISM頻段工作頻率；可設(shè)置16個(gè)通信頻道，發(fā)射功率為12W（30dB33dB），功率可通過軟件設(shè)置，高接收靈敏度-123 dbm，工作頻率為430～434 MHz，傳輸距離位2～10 km（1 200 bps），大量在收費(fèi)系統(tǒng)，工業(yè)控制現(xiàn)場使用，非常方便于用戶做內(nèi)嵌式無線系統(tǒng)。工業(yè)級(jí)的設(shè)計(jì)，發(fā)射功率可設(shè)置，模塊體積小，使用電壓寬，方便使用。

2.3 系統(tǒng)其他硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 傳感器的選擇

就目前我國的傳感器來看，一個(gè)傳感器通常只能檢測一種物理量，在該系統(tǒng)中，為能準(zhǔn)確地反映客觀各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，需同時(shí)測量多個(gè)的物理量，多功能傳感器能夠轉(zhuǎn)換兩種以上的不同物理量，同時(shí)檢測2個(gè)或2個(gè)以上的特性參數(shù)。所以根據(jù)畜舍內(nèi)需要監(jiān)測的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和空氣環(huán)境質(zhì)量的具體指標(biāo)，最終選定了風(fēng)速、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、氨氣濃度、二氧化碳濃度共計(jì)6個(gè)參數(shù)?？紤]到牛舍空間較大，故系統(tǒng)針對(duì)各類參數(shù)采取布設(shè)多點(diǎn)的方式進(jìn)行采集[5]。對(duì)于大多數(shù)地理環(huán)境的惡劣情況和畜禽適宜生存的溫度要求，使用的傳感器只要滿足-10℃及相對(duì)濕度達(dá)95%能夠正常工作時(shí)，基本滿足絕大多數(shù)的畜舍，經(jīng)過試驗(yàn)研究，最終確定了系統(tǒng)所用的傳感器型號(hào)，具體規(guī)格見表1。

表1 畜舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器參數(shù)Table 1 Parameters of sensor barn environment monitoring system

鑒于系統(tǒng)應(yīng)用與畜舍環(huán)境，其面積一般較大，為了能夠準(zhǔn)確的反映畜舍中的環(huán)境參數(shù)，傳感器的安置通常會(huì)距離控制單元有一定的距離。因此，為確保采集參數(shù)的準(zhǔn)確性，各傳感器均采用輸出信號(hào)為電流型的傳感器，并采用屏蔽電纜與控制單元連接。由于，MSP430單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器采集的是電壓信號(hào)。因此，傳感器傳回的電流信號(hào)先經(jīng)過一個(gè)阻值適當(dāng)?shù)碾娮柁D(zhuǎn)換為電壓信號(hào)在送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器（如圖3所示）。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換器Fig.3 A/D converter

2.3.2 顯示與存儲(chǔ)

系統(tǒng)將傳感器采集的各個(gè)參數(shù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，通過液晶顯示屏可實(shí)時(shí)查看當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)，也可按照用戶需要將液晶屏拆卸，同時(shí)每隔1分鐘由無線模塊發(fā)送所有數(shù)據(jù)到PC端，也可將所采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)出excel格式打印出來。這種顯示數(shù)據(jù)方式方便高效、準(zhǔn)確可靠，極大的降低了人力財(cái)力等所造成的冗余成本。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用IAR EW430為下位機(jī)軟件編寫的開發(fā)環(huán)境，程序語言為C語言開發(fā)，系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。系統(tǒng)上電后首先讀取單片機(jī)中的采集器地址數(shù)據(jù)。初始化單片機(jī)的定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器、液晶顯示屏、時(shí)鐘等模塊，然后打開中斷，單片機(jī)的CPU進(jìn)入低功耗模式，等待某個(gè)模塊發(fā)生中斷時(shí)再喚醒CPU進(jìn)行工作。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of the main program

4 結(jié)語

研究所設(shè)計(jì)畜舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)通過養(yǎng)殖場的反復(fù)調(diào)試、實(shí)驗(yàn)與完善，可實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖場環(huán)境參數(shù)的采集、發(fā)送、存儲(chǔ)、顯示和導(dǎo)出功能，達(dá)到了對(duì)遠(yuǎn)距離畜舍環(huán)境的監(jiān)控和管理的系統(tǒng)目標(biāo)，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡單，采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，各模塊相互獨(dú)立，提高了系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性，具有較高的性價(jià)比[6]；若系統(tǒng)采用PLC搭建改進(jìn)，還可根據(jù)用戶需求，通過監(jiān)控終端自行設(shè)定溫濕度、光照、風(fēng)速或其他氣體濃度的配比范圍，使相關(guān)設(shè)備如風(fēng)機(jī)、除濕器、加濕器等能夠在上下限自動(dòng)調(diào)整環(huán)境參數(shù)，以使畜禽能夠一直處于相對(duì)適宜的小氣候條件下，滿足養(yǎng)殖場環(huán)境監(jiān)測和控制的要求[7]。

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸采用的是無線傳感網(wǎng)絡(luò)，在成本上能夠降低人力（搭建與維護(hù)等）、財(cái)力（產(chǎn)品成本等）的投入，避免了環(huán)境引起的噪聲和傳輸速度等問題，提高了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，使系統(tǒng)更安全可靠，穩(wěn)定性強(qiáng)，具有很好的應(yīng)用前景。

［1］王冉，徐本崇，魏瑞成，等.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的畜禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010，26 （3）：562-566.

［2］叢希.國內(nèi)外畜禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀［J］.農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2012，32（6）：106-107.

［3］張玉峰，趙德安，馬從國，等.基于溫度和濕度養(yǎng)殖環(huán)境網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2009（1）：23-25.

［4］柳平增，畢樹生，梁勇，等.畜禽養(yǎng)殖環(huán)境智能終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2009，35（19）：20-22.

［5］田芳明，韋春波．寒區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化奶牛舍環(huán)境多參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（6）：371-373．

［6］閆磊.畜禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2014（3）：156-157.

［7］關(guān)偉，李喜武，孫宏宇，等.牛舍飼養(yǎng)環(huán)境溫度控制系統(tǒng)的研制及應(yīng)用［J］.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（5）：587-590.

Design of Multi Parameter Acquisition and Monitoring System for Livestock Shed Environment

Li Weihua1，Wei Wei2，Li Wenshun1，Wei Chunbo2，Ding Fujun3，Chen Yuying4
（1.College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.College of Animal Science and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University；3.Dafanghong Country of Hegang；4.Animal Husbandry Bureau Durbet Monggian national Autonomous county）

In this paper，the actual demand of livestock breeding industry was took as the breakthrough point，and it combined the characteristics of animal science and electronic information engineering with the combination of the livestock production of microclimate environment requirements and computer sensing technology to design and build a set of low power consumption intelligent livestock shed environment monitoring system.The system adopted MSP430F149 microprocessor with ultra-low power consumption and strong anti-jamming ability so that the system loss and anti interference ability could be achieved optimization.It has the characteristics of convenient，fast，strong stability，and high reliability.It could master the environment inside the barn without leaving the house.

animal production；environmental parameters；environmental monitoring；wireless transmission

TP274

A

1002-2090（2016）05-0114-05

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.05.023

2015-11-15

國家現(xiàn)代奶業(yè)發(fā)展科技工程（2012BAD12B05-4）；黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510223043）。

李衛(wèi)華（1994-），男，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院2013級(jí)本科生。

韋春波，男，講師，E-mail：weicb298@163.com。

隨著我國畜牧生產(chǎn)的集約化、密閉式飼養(yǎng)程度不斷的提高，產(chǎn)生了一系列的諸多問題如禽流感、豬鏈球菌病、豬高溫病等畜禽各類流行性疫病，嚴(yán)重地影響了家禽的健康與福利、產(chǎn)品的品質(zhì)與安全，環(huán)境因素在畜牧生產(chǎn)中的的制約作用日益凸顯，引起了廣大消費(fèi)者的普遍關(guān)注。據(jù)大量研究表明，畜禽疫病的暴發(fā)和傳播與畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的不斷惡化關(guān)系極為密切，畜禽舍環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著畜禽健康和產(chǎn)品品質(zhì)的提升[1]，在寒冷或炎熱季節(jié)下的禽畜舍環(huán)境將嚴(yán)重影響禽畜健康，使其生產(chǎn)能力下降10%～20%。因此，畜舍環(huán)境問題已成為制約禽畜生長的重要因素，對(duì)畜舍環(huán)境的監(jiān)測和有效控制被國內(nèi)外專家普遍重視，尤其對(duì)于規(guī)?；B(yǎng)殖場畜舍內(nèi)環(huán)境監(jiān)控制系統(tǒng)的研究就顯得十分必要和緊迫。