豬舍環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

趙 斌，石 磊，匡麗紅，王 淞，劉志強(qiáng)

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

豬肉制品在我國肉制品消費(fèi)中占60%以上，我國豬肉產(chǎn)量占世界產(chǎn)量的50%以上[1]，除自產(chǎn)外還需要大量進(jìn)口豬肉。受各種因素影響，我國進(jìn)口豬肉經(jīng)常受限。因此，地方政府大力扶持和發(fā)展規(guī)?；B(yǎng)豬，生豬養(yǎng)殖業(yè)向現(xiàn)代化、集約化、規(guī)?；l(fā)展。飼養(yǎng)密度增大，舍內(nèi)環(huán)境問題隨之逐漸暴露，成為制約養(yǎng)豬企業(yè)發(fā)展的突出問題[2]。密閉豬舍的空氣質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)已成為生豬健康養(yǎng)殖的關(guān)鍵技術(shù)之一。

近年來，國內(nèi)學(xué)者在豬舍環(huán)境監(jiān)控技術(shù)、豬只健康監(jiān)測技術(shù)研究中取得很大進(jìn)展。王輝明等[3]采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，將采集的養(yǎng)豬場環(huán)境參數(shù)傳輸?shù)娇刂平K端，利用組態(tài)軟件開發(fā)了管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了豬場溫濕度模糊控制系統(tǒng)，環(huán)境參數(shù)控制精度小于4%。劉艷昌等[4]設(shè)計(jì)了以移動(dòng)機(jī)器人為終端的空氣質(zhì)量智能監(jiān)控系統(tǒng)，以現(xiàn)場可編程 邏 輯 門 陣 列 （Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）為核心，通過無線通信模塊將傳感檢測模塊獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)根據(jù)獲取信息和設(shè)定信息實(shí)施環(huán)境控制。賈安峰等[5]探討了利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，論述了物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、傳感模塊的對比等。曾志雄等[6]采用“一主多從”的ZigBee網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過主節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)上傳至Web端，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制，鋰電池可持續(xù)工作170 h。王斌等[7]研究了豬舍環(huán)境溫濕度和氨氣濃度檢測方法，采用了多傳感器數(shù)據(jù)融合算法，制定了可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制算法，系統(tǒng)成本低，易安裝及維護(hù)。

目前，東北地區(qū)規(guī)?；B(yǎng)豬場蓬勃興起，但人力資源緊缺，亟需成本低、適合該地區(qū)應(yīng)用的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。本文結(jié)合東北地區(qū)大型養(yǎng)豬場豬舍環(huán)境調(diào)控特點(diǎn)及應(yīng)用需求，研究了基于無線局域網(wǎng)絡(luò)的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

豬舍環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)由豬舍環(huán)境監(jiān)控終端、LoRa無線通信模塊、無線網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端等組成。豬舍環(huán)境監(jiān)控終端實(shí)時(shí)進(jìn)行環(huán)境溫濕度、光照度、CO2濃度和氨氣濃度采集，并通過LoRa網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，監(jiān)控終端可以自主按照設(shè)定閾值進(jìn)行天窗、加濕、除濕等相關(guān)設(shè)備的控制操作，或者根據(jù)指令進(jìn)行控制。無線網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)將獲得的環(huán)境參數(shù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂剖襊C端或者用戶手機(jī)端，并接收PC端或者手機(jī)端的指令，下傳給監(jiān)控終端。PC端和手機(jī)端顯示、存儲相關(guān)數(shù)據(jù)，并可設(shè)定相應(yīng)的調(diào)控閾值，即時(shí)發(fā)送調(diào)節(jié)指令等。系統(tǒng)具有成本低、操作方便等特點(diǎn)。

2 監(jiān)控終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到豬舍舉架高，常年運(yùn)行，而且豬舍內(nèi)本就有電燈電源線、控制設(shè)備電源線等，豬舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集沒有采用無線方式，免去了大量電池集中充電的問題，也避免了工人充電不及時(shí)造成設(shè)備長期不工作的問題。豬舍環(huán)境監(jiān)控終端通過RS485總線實(shí)時(shí)獲取采集節(jié)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過LoRa網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，按照程序設(shè)定進(jìn)行自主控制，或者接收PC端或手機(jī)端指令進(jìn)行環(huán)境調(diào)節(jié)。監(jiān)控終端系統(tǒng)主要包括微處理器、總線通信模塊、采集模塊、LoRa通信模塊等。

2.1 采集節(jié)點(diǎn)模塊

采集節(jié)點(diǎn)完成豬舍內(nèi)溫濕度、光照度、CO2濃度和氨氣濃度等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與處理，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

采集節(jié)點(diǎn)核心采用了STC15L2K60S2單片機(jī)，片內(nèi)集成60 KB程序存儲器、2 KB數(shù)據(jù)存儲器，以及2個(gè)UART接口、8個(gè)10位的AD轉(zhuǎn)換通道，滿足采集功能需求。豬舍環(huán)境質(zhì)量是制約養(yǎng)豬生產(chǎn)發(fā)展的重要因素，在眾多因素中溫度和濕度尤為重要。該模塊的溫濕度傳感器采用了SHT20低功耗數(shù)字溫濕度傳感器，溫度測量范圍為-40~125℃，14位輸出時(shí)精度為±0.3℃；濕度測量范圍為0%~100%，精度為±5%；電源為直流2.1~3.6 V，測量功耗為300μA，采用I2C接口，與單片機(jī)P2.3和P2.2引腳連接。光照度傳感器采用了低成本的I2C光照度傳感器SS1060I，電源為直流5 V，最大功耗為400 mW，測量范圍為1~65 535 lx，滿足室內(nèi)環(huán)境使用，其輸出與單片機(jī)P2.1和P2.0引腳連接。氨氣濃度傳感器采用ZE03型模擬輸出傳感器，電源為直流5 V，測量范圍為0~100×10-6，分辨率為1×10-6，對應(yīng)輸出直流0.6~3 V，由單片機(jī)的P1.3口進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。CO2傳感器采用的是MH-Z18型NDIR紅外氣體傳感器，電源為直流5 V，平均電流＜50 mA，量程為0~2 000×10-6，精度為±50×10-6，UART串口輸出，直接連接單片機(jī)串口2。每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)利用其內(nèi)部E2PROM存儲節(jié)點(diǎn)地址、采集周期數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以通過串口指令修改。采集節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控終端之間通信采用RS485總線通信方式，便于根據(jù)豬舍面積和需求增減采集節(jié)點(diǎn)數(shù)量，終端定時(shí)輪詢各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)。

2.2 監(jiān)控終端模塊

監(jiān)控終端模塊完成收集采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、與無線網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)互輸數(shù)據(jù)、控制執(zhí)行設(shè)備等功能。其核心采用的是STC15L2K60S2單片機(jī)，引腳數(shù)及功能能滿足控制終端功能需求。通常各地豬舍環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備各不相同，以交流大負(fù)荷設(shè)備為主。為保持系統(tǒng)的通用性，系統(tǒng)控制輸出采用了3種信號輸出，分別為220 V交流輸出、4~20 mA直流輸出、0~10 V直流輸出，電路見圖2。

圖2 控制輸出部分電路圖

220 V交流輸出最大承載電流為10 A，可以直接驅(qū)動(dòng)小型交流調(diào)節(jié)設(shè)備，大型三相交流設(shè)備可以在該輸出端外接三相繼電器。單片機(jī)的所有控制輸出都經(jīng)過光電耦合器隔離，以保證核心系統(tǒng)工作的穩(wěn)定。4~20 mA直流輸出、0~10 V直流輸出便于擴(kuò)展連接其他變頻設(shè)備或者PLC設(shè)備需要此類信號。0~10 V直流輸出采用的是有源高精度隔離變送器T1530D，電源為直流24 V，輸入為直流4~20 mA，輸出為直流0~10 V，精度為0.1%F.S.。4~20 mA直流輸出采用了兩線制信號調(diào)理模塊TW147HL，輸入為脈沖寬度調(diào)制 （Pulse Width Modulation，PWM）信號，輸出為調(diào)制電流信號，PWM信號由單片機(jī)產(chǎn)生。

由于現(xiàn)代化豬場通常占地面積較大，如果采用豬舍間有線通信方式，增加成本和施工難度，易損壞，所以采用無線組網(wǎng)形式較好。如果每個(gè)控制終端都通過通信基站與手機(jī)端或者PC端通信，勢必增加成本。因此，兼顧通信距離遠(yuǎn)、成本低、費(fèi)用低問題，選用了低功耗、小功率、高性能的無線模塊UM402，頻率為433 MHz，與單片機(jī)串口2連接，見圖3。傳輸視距在5 km內(nèi)，即使有樓房等障礙物，也能保證2 km以上的傳輸距離，滿足現(xiàn)有大型豬場覆蓋范圍。各個(gè)豬舍控制終端通過UM402與無線網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，由無線網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)匯總后傳輸?shù)絇C端或手機(jī)端。

圖3 UM402接口電路圖

3 匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無線網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)起到承上啟下的作用，一方面通過UM402收集網(wǎng)絡(luò)內(nèi)豬舍環(huán)境控制終端的采集信息，通過USR-GPRS7S3傳輸?shù)皆品?wù)器端，另一方面通過USR-GPRS7S3接收控制指令，通過UM402下發(fā)到相應(yīng)的控制終端。USR-GPRS7S3支持GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)；支持TCPClient和UDPClient；支持短信透傳、網(wǎng)絡(luò)透傳、HTTPD和UDC等多種工作模式。利用USR-GPRS7S3和有人物聯(lián)網(wǎng)公司提供的云服務(wù)平臺，開發(fā)云平臺管理軟件。相較于每個(gè)終端單獨(dú)與服務(wù)器通信的方式，這種通過匯聚節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器通信的方式可以降低GPRS模塊的投入成本和運(yùn)行時(shí)的短信費(fèi)用，缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性有所降低，但是在實(shí)際應(yīng)用中，環(huán)境參數(shù)不會出現(xiàn)劇變，這個(gè)延時(shí)對實(shí)際生產(chǎn)不會產(chǎn)生影響。

4 控制終端工作流程設(shè)計(jì)

控制終端負(fù)責(zé)組織豬舍內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、調(diào)節(jié)執(zhí)行設(shè)備、傳輸數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)，是系統(tǒng)的重要組成部分。其工作流程如下：系統(tǒng)上電進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)置，并讀取ROM中保存的地址號、采集周期、通信波特率、報(bào)警閾值和控制閾值等設(shè)置；開啟定時(shí)器，按照設(shè)定的采集周期計(jì)算定時(shí)時(shí)間，如定時(shí)時(shí)間未到，檢測是否有云服務(wù)器指令傳來，有指令則按照指令發(fā)出調(diào)節(jié)動(dòng)作或者收集數(shù)據(jù)，如定時(shí)時(shí)間到，向采集節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令，收集采集數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)；判斷本輪數(shù)據(jù)是否有超限情況，如有超限參數(shù)，根據(jù)超限情況和程序設(shè)定發(fā)出調(diào)節(jié)動(dòng)作，同時(shí)不斷查詢該采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)情況，直到超限數(shù)據(jù)消失，恢復(fù)到正常循環(huán)狀態(tài)。

5 結(jié)束語

針對現(xiàn)代化大型豬場豬舍環(huán)境監(jiān)控問題，本研究采用云服務(wù)器、無線網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)、豬舍環(huán)境監(jiān)控終端、采集節(jié)點(diǎn)等構(gòu)成了豬舍環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。采集節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集豬舍內(nèi)溫濕度、光照度、氨氣濃度和CO2濃度等信息。豬舍環(huán)境監(jiān)控終端采用RS485總線方式收集采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，采集節(jié)點(diǎn)數(shù)量可根據(jù)豬舍面積和用戶需求靈活增減；監(jiān)控終端調(diào)節(jié)輸出方式靈活，可以輸出220 V交流信號控制單相交流設(shè)備，或外接擴(kuò)展模塊驅(qū)動(dòng)大型三相負(fù)荷設(shè)備，能夠輸出4~20 mA直流信號、0~10 V直流信號，便于與PLC、變頻器等設(shè)備連接；各個(gè)豬舍監(jiān)控終端通過LoRa網(wǎng)絡(luò)與匯聚節(jié)點(diǎn)組成免費(fèi)內(nèi)網(wǎng)。匯聚節(jié)點(diǎn)通過內(nèi)網(wǎng)與各監(jiān)控終端進(jìn)行信息交互，通過GPRS模塊與云服務(wù)器、手機(jī)端和PC端進(jìn)行信息交流，一個(gè)豬場使用一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)連通通信基站即可，降低使用成本和運(yùn)營成本。整個(gè)系統(tǒng)具有配置靈活、成本低、精度高、通用性和擴(kuò)展性好的特點(diǎn)。