基于電力載波的畜舍二氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)設計*

王潤濤 ，岑杰涓 ，李 明 ，何子明

（1.嶺南師范學院電子與電氣工程學院，廣東 湛江 524048；2.廣東湛數(shù)大數(shù)據有限公司，廣東 湛江 524000）

0 前言

我國中小型養(yǎng)殖場進行粗放式管理，對畜舍的環(huán)境監(jiān)測往往沿用傳統(tǒng)的人工觀測方法。但依靠人工對畜舍內的光照、氣體濃度、溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)進行觀測和管理，不僅觀測到的環(huán)境數(shù)據不夠實時和準確，還浪費人力，增加生產成本，禽畜的健康也得不到有效的保障。同時，我國中小型養(yǎng)殖場畜舍密集，重新鋪設監(jiān)測信息傳輸電力線路網絡的成本高，可行性低，容易造成安全隱患[1-3]。

考慮到我國電力線路網絡分布廣泛，畜舍里也鋪設有電力線路網絡，且均屬于同一供電系統(tǒng)，滿足電力載波通信的要求，因而可利用電力載波通信技術作為監(jiān)測裝置的通信方式，免去重新鋪設電力線路網絡的問題[4-5]。同時，利用電力載波通信技術對畜舍內各種環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測，能夠使得通信方便快捷，實時傳輸畜舍環(huán)境信息[6-7]。

因此，課題組設計了一種方便快捷、實時準確、低成本的二氧化碳濃度監(jiān)測裝置，為實現(xiàn)畜舍環(huán)境的自動監(jiān)測提供了技術支撐。

1 硬件結構設計

本裝置的硬件主要由51單片機最小系統(tǒng)、電力載波模塊、SGP-30氣體傳感器、液晶屏顯示模塊等組成。二氧化碳濃度采集模組采用SGP-30氣體傳感器，其SCL和SDA引腳與單片機的引腳相連，通過IIC總線實現(xiàn)對畜舍二氧化碳濃度數(shù)據的采集；電力載波模塊采用東軟公司生產的SC1642型芯片，其TXD、RXD與單片機的串口引腳相連，通過電力線L/N接口將二氧化碳濃度數(shù)據傳輸給遠端；液晶屏選擇LCD1602液晶模塊，通信方式采用并行總線，將二氧化碳濃度數(shù)據通過液晶顯示。系統(tǒng)過程為SGP-30氣體傳感器先采集數(shù)據，51單片機最小系統(tǒng)再將這些數(shù)據通過電力載波通信技術傳給另一個51單片機最小系統(tǒng)，液晶屏顯示該數(shù)據并通過串口上傳給電腦存儲。主控硬件系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)結構框圖

2 軟件設計

該監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計采用主從結構，分為二氧化碳濃度數(shù)據的接收與發(fā)送兩個部分。系統(tǒng)設置定時器中斷，在規(guī)定的時間內完成數(shù)據的采集和收發(fā)。發(fā)送部分在系統(tǒng)和二氧化碳傳感器初始化后，開始進行二氧化碳氣體濃度采集，并對采集后的數(shù)據進行濾波處理，再通過電力載波模塊在交流電壓220 V的電力線上發(fā)送給接收端；接收部分在系統(tǒng)初始化后，通過電力載波模塊接收發(fā)送端傳輸?shù)亩趸紳舛葦?shù)據，將數(shù)據顯示在液晶屏上并通過RS232串口總線傳輸給電腦進行存儲。虛線部分代表系統(tǒng)通過電力載波模塊進行數(shù)據傳輸，具體軟件流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

3 濾波算法

卡爾曼濾波具有預算快、實時性高的特點，是最為廣泛的濾波方法之一，在通信、導航、制導與控制等多個領域取得了較好的應用效果[7-9]。本文根據二氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)的特點，采用卡爾曼濾波濾除信號干擾噪聲。系統(tǒng)的狀態(tài)方程（1）和觀測方程（2）為：

式中，Xk表示k時刻的系統(tǒng)狀態(tài)變量；Xk-1表示k-1時刻的系統(tǒng)狀態(tài)變量；Uk表示k時刻的系統(tǒng)控制量；Wk表示系統(tǒng)固有擾動；A、B表示系統(tǒng)參數(shù)；Zk表示k時刻的測量值；H表示測量系統(tǒng)的參數(shù)；Vk表示測量的噪聲。

通過上面兩個方程，假設現(xiàn)在的系統(tǒng)狀態(tài)是k，根據系統(tǒng)的模型，可以由系統(tǒng)的上一狀態(tài)的估計值預測出現(xiàn)在狀態(tài)的估計值同時也可推出新的協(xié)方差矩陣卡爾曼濾波更新方程（3）和（4）為：

綜合方程（1）至（7），參數(shù)A取1、B取0、H取1，Vk是均值為0、預測方差Rk為1，Wk是均值為0、觀測方差Qk為0.1。

4 數(shù)據分析

將二氧化碳濃度監(jiān)測裝置安裝在畜舍內，分別將電力載波模塊L/N端口與電力線的零線和火線相連，監(jiān)測系統(tǒng)部分使用5 V直流電壓供電，電力傳輸部分使用220 V交流電壓。為驗證二氧化碳濃度采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性和濾波效果，分別在二氧化碳濃度約為528 ppm和612 ppm時各取200個采樣數(shù)據進行濾波和數(shù)據分析。濾波效果如圖3所示，其中的測量值為SGP-30氣體傳感器的原始讀取數(shù)據，濾波值為原始數(shù)據經卡爾曼濾波后的處理數(shù)據，實際值為鑫思特HT-2000型二氧化碳氣體監(jiān)測儀獲取的數(shù)據。從圖中可以看出，經卡爾曼濾波后的曲線比測量曲線的誤差更小，更加接近實際曲線。

為了準確計算誤差，分別對圖3中528 ppm二氧化碳濃度和612 ppm二氧化碳濃度的曲線進行數(shù)據統(tǒng)計分析，得出數(shù)據誤差如表1和表2所示。在528 ppm的數(shù)據誤差表中，計算得出經卡爾曼濾波后的二氧化碳濃度數(shù)據的最大誤差、平均誤差與均方根誤差分別比未濾波的數(shù)據小了3.229 ppm、0.637 ppm和0.887 ppm；在612 ppm的數(shù)據誤差表中，計算得出經卡爾曼濾波后的二氧化碳濃度數(shù)據的最大誤差、平均誤差與均方根誤差分別比未濾波的數(shù)據小了4.391 ppm、0.815 ppm和1.062 ppm。

表1 528 ppm的數(shù)據誤差

表2 612 ppm的數(shù)據誤差

圖3 二氧化碳數(shù)據卡爾曼濾波圖

5 結論

本文設計的基于電力載波的畜舍二氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)有效地解決了我國中小型養(yǎng)殖場通過人工方式觀測畜舍環(huán)境信息時，不僅費時費力且監(jiān)測結果不準確、不方便的問題。采用卡爾曼濾波模型，通過硬件與軟件的結合，有效地濾除了外界干擾噪聲。在畜舍安裝采集裝置，設計現(xiàn)場試驗，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和卡爾曼濾波效果。在二氧化碳濃度分別約為528 ppm和612 ppm時進行試驗分析，結果表明該系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定和大幅度減少噪聲干擾的性能。本系統(tǒng)的設計為畜舍環(huán)境自動監(jiān)測提供了技術支撐。