楊獻峰　孫甲霞等

摘要：針對現(xiàn)代化養(yǎng)雞場生產(chǎn)過程中需要對雞舍中的有害氣體進行檢測，以便為蛋雞的生產(chǎn)決策服務，設(shè)計了一種基于Arduino控制板的雞舍有害氣體無線采集系統(tǒng)。設(shè)計采用Arduino控制板作為控制核心，結(jié)合使用CO2、NH3和H2S等傳感器和無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，實現(xiàn)了對雞舍特征信息的采集、數(shù)據(jù)處理及顯示報警等功能，非常適用于現(xiàn)代家禽生產(chǎn)過程中對雞場信息進行快速采集。

關(guān)鍵詞：Arduino控制板；數(shù)據(jù)采集；有害氣體；傳感器

中圖分類號：TP277；S126 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）15-3760-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.15.047

Abstract： In the productive process of modern henhouse，it is needed to collect the information of harmful gases in the henhouse， which contributes to the decision about the layer production，so a wireless project based on Arduino control board for the detecting of harmful gas was designed. The system took Arduino control board as the control core，combining with wireless UART module（CO2，NH3，H2S） and sensor module，and the functions including information collection，data processing and alarm indication were realized. In general， the system was suitable for modern poultry production for fast acquisition of harmful gas.

Key words： Arduino control board； data acquisition； harmful gas； sensor

中國現(xiàn)代養(yǎng)殖的規(guī)模越來越大，集約化程度也越來越高，對養(yǎng)殖環(huán)境提出了更高的要求。雞舍環(huán)境的控制是雞場管理中的一項重要內(nèi)容，包括雞舍的溫度、空氣的質(zhì)量等，其中最重要的就是對雞舍空氣質(zhì)量的管理。通風良好的養(yǎng)殖環(huán)境可以顯著提高養(yǎng)殖的成活率并減少疾病的發(fā)生[1-3]。因此，如何檢測和減少養(yǎng)雞場中的有害氣體，對養(yǎng)殖企業(yè)來說非常關(guān)鍵。

不少養(yǎng)雞場采用人工通風、人工噴灑消毒劑等方法來減少雞場的有害氣體，但這些方法顯得越來越落后。也有養(yǎng)雞場采用微控制器對雞舍的有害氣體進行采集和控制[4，5]，但存在著一些弊端。為了提高和加快雞場養(yǎng)殖的信息化，提高養(yǎng)殖企業(yè)的經(jīng)濟效益，降低人工勞動強度，考慮雞舍不太適合進行有線施工的實際情況，結(jié)合嵌入式技術(shù)和數(shù)據(jù)的無線傳輸，設(shè)計了一種基于Arduino控制板的雞舍有害氣體無線采集系統(tǒng)[5，6]。該設(shè)計將采集到的雞舍CO2、NH3、H2S等主要有害氣體信息及雞舍環(huán)境的溫度和濕度等信息通過控制芯片處理后，經(jīng)過無線傳輸把雞舍的相關(guān)環(huán)境信息傳給上位機，在上位機顯示界面上實時動態(tài)顯示出來。并將接收到的數(shù)據(jù)生成相應的數(shù)據(jù)庫，方便進行雞舍環(huán)境數(shù)據(jù)的分析，為雞舍的生產(chǎn)和管理提供依據(jù)。該系統(tǒng)設(shè)計具有施工容易、成本低、工作穩(wěn)定等特點。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)由Arduino控制板、CO2傳感器、H2S傳感器、NH3傳感器、空氣溫濕度傳感器、光照轉(zhuǎn)換模塊和無線串口數(shù)據(jù)收發(fā)模塊組成，其中Arduino控制板作為系統(tǒng)的控制核心，負責采集雞場環(huán)境數(shù)據(jù)，然后按照一定的通信協(xié)議傳輸給控制臺[7，8]。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 Arduino單片機控制板

Arduino是目前流行的源于意大利的開源硬件。其硬件完全開源，軟硬件完全免費，具有良好的基于C語言的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），任何組織和個人都可以免費使用。具有簡單、易使用的特點，非常容易上手。硬件平臺上面預留了IO口、I2C等接口，方便和外部電路進行互連互通，尤其和各類傳感器的連接十分簡單。另外大量的公司和個人愛好者也開發(fā)了多種Arduino外圍功能電路供選擇，如電機的驅(qū)動、無線通信、USB接口、CAN總線等。

設(shè)計將Arduino UNO R3作為控制單元，該版本是Arduino USB接口系列的最新版本，使用ATmega328作為核心控制單元，有14路數(shù)字IO（其中6路可以作為PWM輸出），6路模擬輸入，另外該控制板還支持I2C和串行外設(shè)接口（SPI）通信協(xié)議。

2.2 光照度模塊單元

光照度傳感器的基礎(chǔ)為光電轉(zhuǎn)換器件的光電效應，可以將光照度轉(zhuǎn)換為電壓值，以方便控制芯片對光照進行檢測和控制。光照度傳感器一般由光源、光學電路和光電器件等組成，在控制和檢測方面應用非常廣泛。

設(shè)計中使用的光照度傳感器為HA2003，其內(nèi)部采用原裝內(nèi)置16位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的芯片BH1750FVI，檢測范圍為0～216-1，該模塊直接輸出反映光強弱的數(shù)字信號，免去了復雜的計算和標定。另外該模塊支持I2C通信協(xié)議，和單片機的端口直接對接，非常容易在系統(tǒng)中進行擴展而無需任何附加電路，適合廣泛應用在溫室大棚培育、養(yǎng)殖等行業(yè)的光照測量及研究中，其和控制板的連接如圖2。模塊引腳表示如表1。

2.3 空氣溫濕度傳感器模塊

雞舍中的空氣溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊采用SHT11，該傳感器模塊是盛思銳（Sensirion）溫濕度傳感器系列中的產(chǎn)品，該產(chǎn)品提供的輸出數(shù)字信號是經(jīng)過完全標定之后的，無需再經(jīng)過額外的標定即可使用[9，10]，具有低功耗、體積小、長期穩(wěn)定性高等特點。與單片機的IO口可以直接連接，使用非常方便。相對濕度范圍：0%～100%，最大誤差±3%RH。溫度工作范圍：-40～125 ℃，溫度最大誤差±0.4 ℃。其與控制板的連接如圖3。

2.4 CO2傳感器模塊

CO2傳感器模塊采用工業(yè)級的MG-811 CO2探頭，該傳感器對CO2非常敏感，還能同時排除酒精和CO的干擾。對周圍環(huán)境的溫濕度依賴小、工作性能穩(wěn)定、響應速度快。連接圖如圖4所示。

2.5 H2S傳感器模塊

H2S是有毒氣體，對人和動物都有很大的危害性，人在H2S濃度為300 mg/L的環(huán)境中會感覺呼吸困難，濃度為500 mg/L時就會失去知覺，所以非常有必要檢測其濃度，使雞舍的H2S濃度在允許的范圍內(nèi)。H2S傳感器采用H2S/M-100，該模塊是電流驅(qū)動型，需要利用I/V轉(zhuǎn)換電路，把電流轉(zhuǎn)變成電壓，然后再經(jīng)過放大器送入控制芯片處理即可[10-12]。另外該模塊受CO、SO2、NO等其他氣體的干擾較小，還具有體積小、重量輕及安裝使用方便等特點。測量范圍0～100 mg/L，分辨率0.1 mg/L，濕度范圍15%～90 % RH。與終端設(shè)備的連接圖如圖5所示。

2.6 NH3傳感器模塊

NH3傳感器模塊采用MQ-137和LM393組成的模塊電路，工作電壓為直流5 V，與控制板連接方便。電平輸出為TTL，可直接接單片機的IO口。具有靈敏性很高、選擇性較多、壽命長、穩(wěn)定以及響應恢復快速等特點，適合用于禽類養(yǎng)殖等環(huán)境中[13]。測試濃度范圍：5～500 mg/L。與終端設(shè)備的連接圖如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計由上位機軟件和下位機兩部分組成。

3.1 底層軟件設(shè)計

軟件設(shè)計使用keil c51編寫，該軟件開放環(huán)境基于C語言。下位機包括主循環(huán)、各種傳感器的采集和處理程序及串口發(fā)送程序。數(shù)據(jù)發(fā)送的時間間隔為20 s，程序流程圖如圖7。初始化主程序中設(shè)置波特率、定時器和中斷操作；傳感器測量程序測量光照度、溫濕度、CO2、H2S和NH3等環(huán)境信息，并通過串口發(fā)送給控制臺。

3.2 控制臺軟件設(shè)計

控制臺軟件采用C#編寫，將采集到的傳感器數(shù)據(jù)按照一定的協(xié)議通過串口發(fā)送出去，再把接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后在對應的顯示控件實時顯示，并繪制成曲線圖顯示，最后可以打印輸出。

4 小結(jié)

基于ArduinO控制板的雞舍有害氣體信息無線采集系統(tǒng)能采集雞舍環(huán)境的溫濕度，雞舍空氣的光照度、H2S、NH3及CO2等有害氣體的濃度，并能對采集電路的掉電情況進行相關(guān)的檢測。整個設(shè)計具有采集數(shù)據(jù)的精度高、操作方便簡單、成本低廉、抗干擾能力強等特點，能對現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)的生產(chǎn)和決策提供真實有效的數(shù)據(jù)支撐，具有很高的推廣價值。

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