基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能畜禽舍環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計

陳熔+丁凱

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.13.051[HT9.]

摘要：畜禽養(yǎng)殖在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位。為了確保畜禽產(chǎn)量，絕大多數(shù)采用封閉式的養(yǎng)殖方式，這種方式具有很多的優(yōu)點，但畜禽養(yǎng)殖場的惡劣環(huán)境容易引起動物傳染病，嚴(yán)重的會造成畜禽大面積死亡，給養(yǎng)殖戶帶來巨大的經(jīng)濟損失。基于無線傳感技術(shù)，以畜禽養(yǎng)殖為例分析了影響畜禽生長的主要環(huán)境因素，將溫度、濕度、氨氣、硫化氫、二氧化氮等作為監(jiān)控對象，設(shè)計了一套畜禽舍環(huán)境智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測畜禽生長環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對畜禽舍實時遠(yuǎn)程控制，具有組網(wǎng)靈活性好、可靠性高等特點，具有一定的應(yīng)用和推廣前景。

關(guān)鍵詞：無線傳感；畜禽舍；環(huán)境監(jiān)控

中圖分類號： S126；TP273文獻標(biāo)志碼： A[HK]

文章編號：1002-1302（2017）13-0185-04[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2017-02-21

基金項目：江蘇省科技支撐計劃（編號：BE20134138）；2014年江蘇省“青藍(lán)工程”優(yōu)秀青年骨干教師培養(yǎng)計劃。

作者簡介：陳熔（1975—），男，江蘇泰州人，碩士，副教授、工程師，主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究。Tel：（0523）86158089；E-mail：Rongc@163.com。

[ZK）]

我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，畜禽種類多、數(shù)量大，畜禽養(yǎng)殖業(yè)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位。為了保障農(nóng)畜產(chǎn)品的供應(yīng)，大量采用封閉式的養(yǎng)殖方式，這種方式具有很多的優(yōu)點，但飼養(yǎng)風(fēng)險卻在成倍增加。封閉式畜禽舍中環(huán)境因素對畜禽的生長繁殖影響較大，直接影響畜禽的健康。因此，利用現(xiàn)代通信技術(shù)，根據(jù)畜禽舍環(huán)境特點，對畜禽生長環(huán)境參數(shù)進行準(zhǔn)確、實時的監(jiān)控是保障農(nóng)產(chǎn)品供給安全，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收的重要手段[1]。

在無線傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種智能畜禽舍控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實時檢測環(huán)境因子，通過控制模塊實時調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，為畜禽生長提供安全、健康的環(huán)境，實現(xiàn)了畜禽養(yǎng)殖的自動控制及高效管理，保障了畜禽養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。

1畜禽舍環(huán)境對畜禽健康的影響

畜禽養(yǎng)殖與其所處的環(huán)境有著密不可分的關(guān)系，影響畜禽生長的環(huán)境因素比較多，環(huán)境因素之間相互聯(lián)系而又相互影響。畜禽舍環(huán)境控制常見標(biāo)準(zhǔn)見表1。

適合畜禽生長的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)見表1，但在實際生產(chǎn)中，畜禽舍的環(huán)境隨著季節(jié)的變化起伏很大，很難將環(huán)境維持在適合生長的狀態(tài)下。為了營造畜禽健康生長的環(huán)境，就必須人為地對畜禽舍環(huán)境進行控制，最大限度地降低環(huán)境因素對畜禽生長的影響[3]。

1.1濕度

在畜禽舍內(nèi)空氣中的水分來自舍外的空氣水分、畜禽自身分泌（如糞便、呼吸等）、舍內(nèi)設(shè)備和設(shè)施表面蒸發(fā)產(chǎn)生的水汽（如水槽等）。在一般情況下，濕度對畜禽生長不會有太大的影響，但在特別潮濕的環(huán)境中，病原體極易繁殖，容易引起傳染疾病流行。

1.2溫度

溫度對畜禽的生長、繁殖、產(chǎn)乳、產(chǎn)蛋都有著巨大的影響。影響畜禽舍溫度的因素較多，如光照的影響、畜禽自身散熱以及季節(jié)變化造成溫度改變等。溫度過度變化會降低飼料的轉(zhuǎn)換率，引起畜禽的應(yīng)激反應(yīng)[4]。

1.3光照度

光照對畜禽生理有著調(diào)節(jié)作用，直接或間接影響畜禽的攝食、晝夜活動規(guī)律和生長規(guī)律。適當(dāng)?shù)墓庹諏π笄莸纳L和繁殖是有益的，但在封閉式養(yǎng)殖場中光照過強，畜禽容易患光照性眼炎；若光照過弱，也會造成畜禽生長發(fā)育不健康，對雞影響尤為嚴(yán)重，會造成雞生產(chǎn)力降低。

1.4氨氣

畜禽舍中的氨氣主要是由動物的排泄物以及飼料、墊草等含氨的有機物分解所產(chǎn)生。少量的氨氣對畜禽的免疫力會造成影響，但不會造成直接的傷害；當(dāng)氨氣濃度過高時，會對畜禽眼睛、呼吸道以及神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生強烈的刺激，引發(fā)皮膚灼傷、氣管炎、中樞神經(jīng)麻痹等疾病。

1.5二氧化碳

畜禽舍中二氧化碳主要源自畜禽的呼吸。二氧化碳濃度過高時，畜禽舍中的氧氣含量就會下降，從而造成畜禽缺氧，引起畜禽食欲不振、生長減緩、精神萎靡不振[5]。

1.6硫化氫

硫化氫產(chǎn)生的途徑主要來自畜禽的糞便分解。硫化氫含量過高會使畜禽體質(zhì)變?nèi)酢⒌挚沽ο陆?，破壞畜禽的呼吸系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)，引發(fā)畜禽中毒、心臟衰竭等。

2系統(tǒng)總體設(shè)計方案

2.1系統(tǒng)設(shè)計要求

本系統(tǒng)使用的平臺為Windows 10（向下兼容），數(shù)據(jù)庫為SQL Server 2008，軟件系統(tǒng)使用IAR Embedded Workbench平臺的C語言制作。遠(yuǎn)程平臺通過網(wǎng)頁（WEB）形式訪問，能防止黑客襲擊和網(wǎng)絡(luò)攻擊，需設(shè)定嚴(yán)格的權(quán)限管理，同時能允許200個用戶并發(fā)訪問，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)遷移等。

硬件設(shè)備要求能在-30～40 ℃環(huán)境中工作，光照傳感器最小分辨率為0.05 lx，溫度傳感器最小分辨率為0.5 ℃，濕度傳感器最小分辨率為0.5% RH，二氧化碳傳感器最小分辨率為5 mg/L，氨氣傳感器最小分辨率為0.5 mg/L，硫化氫傳感器最小分辨率為0.5 mg/L[6]。

2.2軟硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

畜禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是一項綜合性的工程，包含了畜禽養(yǎng)殖技術(shù)、計算機控制技術(shù)、組網(wǎng)通信技術(shù)和無線傳感技術(shù)等。根據(jù)畜禽舍養(yǎng)殖環(huán)境以及實現(xiàn)的功能，本系統(tǒng)可分為三大部分：環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)及遠(yuǎn)程查詢系統(tǒng)[7]，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)見圖1。

[FL（2K2]本系統(tǒng)利用畜禽舍里安裝的無線傳感器實時采集現(xiàn)場的溫度、濕度、光照度、氨氣濃度等環(huán)境因子數(shù)據(jù)，通過ZigBee將采集到的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過有線的方式把數(shù)據(jù)傳送到上位機。上位機實時顯示采集數(shù)據(jù)，并通過圖形方式直觀地展示，當(dāng)畜禽舍監(jiān)控環(huán)境因子超出監(jiān)測的范圍，上位機程序會發(fā)出報警信息，并通過控制單元啟動風(fēng)機、濕簾等設(shè)備調(diào)節(jié)畜禽舍環(huán)境，為畜禽養(yǎng)殖營造健康、舒適的生長環(huán)境，促進畜禽健康成長[8]。endprint

3系統(tǒng)硬件設(shè)計及工作原理

3.1系統(tǒng)總體設(shè)計

控制節(jié)點硬件主要由中央處理器AT89S52、GPRS無線傳輸模塊、無線傳感協(xié)調(diào)器、復(fù)位電路系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、以太網(wǎng)、LCD液晶顯示器、MIC輸入電路等組成，硬件總框見圖2。

中央處理器AT89S52是整個系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)配置系統(tǒng)、紅外信號、遠(yuǎn)程控制、提供與外網(wǎng)接口協(xié)議和與CC2530信息傳輸接收等功能；無線協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)采集周圍環(huán)境的信息數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺卦O(shè)備，控制器可以通過ZigBee模塊將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到用戶手機，使用戶可以實時獲取系統(tǒng)狀態(tài)信息。

[HTK]3.2主控模塊[HT]

CC2530是一款專門針對2.4 GHz IEEE 802.15.4和ZigBee應(yīng)用單芯片系統(tǒng)，具有成本低、性價比高、睡眠模式功率消耗低和轉(zhuǎn)換時間快等特點，適用于所有低能耗的系統(tǒng)，它將微控制器、主機端及應(yīng)用程序集合在芯片上。CC2530結(jié)合了無線射頻（RF）的優(yōu)良性能，系統(tǒng)內(nèi)可編程并有8 kB的RAM和強大的外設(shè)支持功能。

[HTK]3.3供電電源電路[HT]

本設(shè)計采用雙電源供電方式，由主電源和UPS電源2種模式組成。主電源供電方式是220 V交流市電，再經(jīng)過整流、濾[CM（25]波和電壓輸出的直流電壓；UPS電源供電方式是市電停止供電后的主要動力來源，通過UPS電池直接供給系統(tǒng)所需要的直流電壓，以保持系統(tǒng)正常工作。本設(shè)計選用了MAX8760EUA芯片和API 119-26芯片來提供1.25 V電壓進行供電[9]。

3.4A/D轉(zhuǎn)換模塊

采用AD7812轉(zhuǎn)換器，它具有高速、低能耗、10位模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能，采用高速串行接口與數(shù)字信號處理器和微控制器串行接口兼容，配置單端或偽差分輸入通道，在多封裝應(yīng)用中通過芯片引腳連線實現(xiàn)智能選址功能。

3.5信號采集模塊

檢測電路由無線傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC0809和電源組成。通過無線傳感器對環(huán)境因子進行檢測，然后通過A/D轉(zhuǎn)換模塊進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后將數(shù)字信號發(fā)送給檢測端單片機，檢測端單片機將數(shù)字信號處理后傳送給主控模塊[10]。

[HTK]3.6顯示采集模塊[HT]

顯示采集模塊由12864液晶顯示模塊、MAX232串口通信模塊、ZigBee模塊組成。單片機通過MAX232串口傳輸?shù)紾RPS模塊中，接收檢測端的無線傳感信號，再通過12864模塊顯示數(shù)據(jù)信息。

4系統(tǒng)上位機設(shè)計

4.1IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)采用的是IAR Embedded Workbench的開發(fā)，該軟件采用嵌入式的開發(fā)環(huán)境，使用簡單、方便，并帶有編譯器、數(shù)據(jù)庫的管理功能和項目開發(fā)工具等。IAR Embedded Workbench for 80517.60的初始界面見圖3。

4.2系統(tǒng)初始化程序設(shè)計

系統(tǒng)上電后，首先進行硬件模塊的初始化，來滿足最小系統(tǒng)的運行要求。系統(tǒng)初始化子流程見圖4。

4.3監(jiān)測模塊程序設(shè)計（以氨氣為例）

系統(tǒng)首先要對氨氣模塊進行初始化處理，然后開始采集氨氣傳感器的探測信號，并在有效間隔時間內(nèi)反復(fù)對空氣中的氨氣含量進行檢測和采集，當(dāng)確定采集到信號后，設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送，將數(shù)據(jù)發(fā)給協(xié)調(diào)器，最后協(xié)調(diào)器把數(shù)據(jù)發(fā)給主控中心。檢測模塊設(shè)計見圖5。

4.4ZigBee軟件設(shè)計

ZigBee軟件設(shè)計流程見圖6。ZigBee通過AT命令進行

系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，首先進行的是串口及ZigBee模塊初始化，若初始化成功， 則同時進行兩部分工作： （1）查詢短消息， 若收到消息則解析得出控制碼，并進行相應(yīng)處理，若沒有收到短消息， 則返回繼續(xù)查詢消息； （2）定時發(fā)送狀態(tài)信息， 若發(fā)送成功，則返回，若沒有發(fā)送成功，則返回繼續(xù)定時發(fā)送消息步驟。

4.5終端節(jié)點初始化設(shè)計

終端節(jié)點在上電后，調(diào)用sampleapp_init（）函數(shù)進行初始化，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在其指定地址接收網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的終端節(jié)點，如果地址分配成功，終端節(jié)點將地址信息存儲到自身的RAM或者FLASH中。終端節(jié)點初始化設(shè)計見圖7。

5結(jié)語

本設(shè)計針對當(dāng)前封閉式畜禽養(yǎng)殖方式，以無線傳感網(wǎng)絡(luò)為依托，開發(fā)了一套畜禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由環(huán)境監(jiān)控

[FK（W19][TPCR777.tif][FK）]

系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)及遠(yuǎn)程查詢系統(tǒng)三部分組成，各部分之間具有一定的獨立性，保證了系統(tǒng)的擴展性、安全行和可維護性。經(jīng)過應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取畜禽舍養(yǎng)殖環(huán)境信息，實現(xiàn)畜禽舍環(huán)境的自動控制、精準(zhǔn)調(diào)控和遠(yuǎn)程實時監(jiān)控，成本低、性價比高、實用性強，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

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