淮安生物工程高等職業(yè)學(xué)校 張兆朋 王友剛 杜光波

基于物聯(lián)網(wǎng)的羊舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

淮安生物工程高等職業(yè)學(xué)校 張兆朋 王友剛 杜光波

本文對羊舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的ES系統(tǒng)在羊舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用，利用超低功耗單片機(jī)、各種傳感器，無線發(fā)射接收模塊等進(jìn)行信息采集傳輸處理，將采集到的信息通過無線傳輸發(fā)送到主單片機(jī)，由主單片機(jī)發(fā)送到上位機(jī)，ES系統(tǒng)根據(jù)傳送的信息與電腦數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比較，然后利用下位機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作進(jìn)行智能控制，達(dá)到羊群生長的最佳環(huán)境，同時(shí)把信息顯示在管理員辦公室里的顯示屏上，管理員也可以切斷自動(dòng)控制根據(jù)顯示進(jìn)行手動(dòng)控制，如通風(fēng)、灑水、補(bǔ)光等，該系統(tǒng)的好處是可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，節(jié)省了人力，提高了工作效率。

物聯(lián)網(wǎng)；羊舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)；ES系統(tǒng)；信息采集傳輸處理；智能控制

0 引言

動(dòng)物生長需要適宜的溫濕度，光照等，不同的動(dòng)物需要不同的環(huán)境，根據(jù)動(dòng)物的具體情況，配置最佳的生長環(huán)境，利用溫度、濕度、光照度、氣體傳感器等監(jiān)測羊舍環(huán)境，通過無線發(fā)射技術(shù)把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到液晶屏上，同時(shí)傳送給電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。

羊群養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大，羊舍的智能管理非常重要，為羊提供好的生活生長環(huán)境同時(shí)監(jiān)測羊的體重和溫度等及時(shí)發(fā)現(xiàn)羊在生長過程中遇到的問題，及時(shí)隔離治療防止交叉感染，適宜的溫濕度、優(yōu)秀的空氣質(zhì)量、良好的通風(fēng)光照條件有助于羊的生長，同時(shí)及時(shí)的發(fā)現(xiàn)羊生病降低損失。美國麻省理工學(xué)院在20世紀(jì)90年代就提出了EPC系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)想，物聯(lián)網(wǎng)由感知層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，在農(nóng)業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用，利用MPS430構(gòu)成幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、有害氣體等，同時(shí)采集與羊健康有關(guān)的信息。這樣降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，并能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)羊舍出現(xiàn)的問題，及時(shí)的解決，為羊的生長提供好的生活環(huán)境。

1 總體設(shè)計(jì)

圖1 羊舍監(jiān)測總框圖

圖2 羊舍下位機(jī)監(jiān)控總框圖

利用各種傳感器檢測羊舍內(nèi)的有毒氣體含量、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、每個(gè)羊的重量和體溫等，把監(jiān)測的信息傳送到從機(jī)單片機(jī)MSP430，從機(jī)單片機(jī)MSP430通過無線發(fā)射模塊把信息發(fā)送到主機(jī)單片機(jī)MSP430，顯示器與主機(jī)單片機(jī)連接把羊舍內(nèi)的信息顯示在顯示屏，同時(shí)主機(jī)單片機(jī)通過無線傳輸裝置與電腦和手機(jī)相連接，把參數(shù)傳送到管理員手機(jī)和電腦，檢測到的參數(shù)與電腦里的參數(shù)進(jìn)行比較，如果不一致則作出提示，管理員采取措施解決問題。

2 肉羊舍環(huán)境參數(shù)

肉羊生長適宜的溫度是15-20℃，相對濕度為50-70%，通風(fēng)量在不同季節(jié)通風(fēng)量不同，冬季是0.3m3/只，夏季是0.70.3m3/只，采光是光照與地面面積之比為1:15-1:20較適宜，空氣質(zhì)量為氨氣小于20mg/ m3，硫化氫濃度應(yīng)小于8mg/ m3，二氧化碳濃度小于1500mg/m3，總懸浮顆粒需小于4mg/ m3，肉羊在此環(huán)境中生長較適宜，設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)檢測到的信息和肉羊羊舍環(huán)境參數(shù)進(jìn)行比較。

3 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括信息的采集，傳輸，接收，處理，控制，執(zhí)行等，利用壓力傳感器、溫濕度傳感器，有害氣體傳感器，紅外測溫探測器等組成監(jiān)測部分；由電動(dòng)機(jī)、電磁閥、繼電器等組成執(zhí)行部分；由揚(yáng)聲器、顯示器等組成報(bào)警顯示部分。

3.1 檢測部分

溫濕度傳感器SHT11：瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的具有二線串行接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式新型相對濕度和溫度傳感器，可用來測量相對濕度、溫度等，分辨率高。選用SHT11，進(jìn)行檢測羊舍內(nèi)空氣的溫濕度，把信息傳送到單片機(jī)控制器，當(dāng)濕度偏離羊生長所需的適宜相對濕度或溫度偏離羊生長所需的適宜溫度時(shí)，報(bào)警模塊發(fā)出報(bào)警提醒管理員注意，相對濕度低于50%或高于70%發(fā)出警報(bào)，溫度低于15℃或高于20℃發(fā)出警報(bào)。

光傳感器選用TSC2561，它是TAOS公司推出的一種高速、低功耗、寬量程、可編程的光強(qiáng)度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，該傳感器用于檢測羊舍內(nèi)的光照強(qiáng)度，把信息傳遞給單片機(jī)，光照與地面面積之比為1:15-1:20時(shí)不提示，黨當(dāng)不在此范圍發(fā)出警報(bào)，同時(shí)采取遮陽或補(bǔ)光的措施。

CO2傳感器選用TGS4160，該傳感器是FIGARO公司生產(chǎn)的一種CO2傳感器，具有體積小，壽命長，耐高低溫的特點(diǎn)，用來檢測羊舍有害氣體含量，當(dāng)二氧化碳大于1500mg/ m3時(shí)報(bào)警通風(fēng)。氨氣傳感器用來測量氨氣濃度，當(dāng)羊舍內(nèi)氨氣大于20mg/ m3時(shí)進(jìn)行提示。

紅外測溫探測器可以將線路中散發(fā)的紅外輻射能量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，當(dāng)羊從羊舍外到羊舍經(jīng)過時(shí)可以測量羊的體溫，在羊飲食時(shí)，壓力傳感器用來測量羊的體重和飲食情況，根據(jù)羊的體溫和重量以及飲食情況判定羊的健康狀況，及時(shí)采取措施進(jìn)行隔離治療。

3.2 控制部分

控制部分采用的是MSP430單片機(jī)，該單片機(jī)是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器（Mixed Signal Processor），該單片機(jī)起到控制作用，是監(jiān)控系統(tǒng)的核心接收傳感器發(fā)來的信號(hào)，控制執(zhí)行器執(zhí)行，通過無線模塊或串口線與電腦連接，信息傳送到上位機(jī)電腦并接受電腦發(fā)來的指令。

3.3 執(zhí)行部分

執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括灑水，遮陽，通風(fēng)，補(bǔ)光等，具體操作由電動(dòng)機(jī)和電磁閥來實(shí)現(xiàn)的，電動(dòng)機(jī)控制通風(fēng)，遮陽，補(bǔ)光等，電磁閥控制灑水；電磁閥、電動(dòng)機(jī)是由中間繼電器間接控制，繼電器正常情況下觸點(diǎn)是斷開的，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不工作，當(dāng)需要灑水、通風(fēng)等操作時(shí)，電腦給單片機(jī)一個(gè)命令，單片機(jī)引腳輸出高電平使繼電器線圈得電，常開觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)或者電磁閥電路接通，執(zhí)行機(jī)構(gòu)開始工作，實(shí)現(xiàn)灑水、通風(fēng)等動(dòng)作。在設(shè)計(jì)時(shí)，電磁閥需要原理單片機(jī)或者加入一個(gè)電容進(jìn)行緩沖，防止電磁閥工作引起單片機(jī)誤動(dòng)作。

3.4 顯示部分

圖3 顯示部分硬件圖

圖4 數(shù)據(jù)顯示圖

傳感器檢測羊舍內(nèi)的環(huán)境信息傳送到單片機(jī)，單片機(jī)與揚(yáng)聲器和顯示器連接，把羊舍內(nèi)的信息顯示在顯示屏，單片機(jī)通過無線傳輸裝置與電腦相連接，信息傳送到電腦，同時(shí)接收器上裝有紅綠LED，用LED顯示進(jìn)行表示有沒有接收到信息，紅LED亮表示沒有接收到信息，綠LED亮表示接收到了信息。圖4為監(jiān)測到的溫度、濕度、光照以及有害氣體含量。

4 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測模塊首先完成單片機(jī)與各個(gè)傳感器的初始化，然后對傳感器的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，如果不正常則向控制中心發(fā)送傳感器故障信息，如果沒有問題，開始采集傳感器數(shù)據(jù)，利用Zigbee節(jié)點(diǎn)模塊向控制中心發(fā)出監(jiān)測數(shù)據(jù)。主控制器MSP430單片機(jī)及其外圍電路完成初始化之后，開始斷接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行判斷，如數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)不一致，則發(fā)出報(bào)警并把信息顯示在顯示屏上，及時(shí)采取措施進(jìn)行處理；如果數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)一直則將信息顯示在顯示器上不發(fā)出警報(bào)。

圖5 節(jié)點(diǎn)程序流程及主控程序流程

5 具體實(shí)施方法

本產(chǎn)品是采用以下技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)的：利用傳感器檢測智能養(yǎng)殖場內(nèi)的空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、有毒氣體傳感器等，把檢測的信息傳送到從機(jī)單片機(jī)，從機(jī)單片機(jī)通過無線發(fā)射把信息發(fā)送到主機(jī)單片機(jī)，主機(jī)單片機(jī)與電腦相連接，參數(shù)傳送到電腦，檢測到的實(shí)際參數(shù)與電腦里的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)比較，和標(biāo)準(zhǔn)制不一致作出提示，以便管理員作出相應(yīng)的處理，電腦可以聯(lián)網(wǎng)，管理員可以在值班室查看電腦，也可以在手機(jī)查看。

6 結(jié)論

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過傳感器監(jiān)測羊舍環(huán)境，通過無線發(fā)射把監(jiān)測到的信息發(fā)送到單片機(jī)，顯示在顯示屏上，同時(shí)可以傳送到電腦，與電腦數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，上位機(jī)控制下位機(jī)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，配置適宜肉羊生長的最佳環(huán)境，此系統(tǒng)也可以用以其他動(dòng)物生長環(huán)境的監(jiān)控。該作品適宜于小型農(nóng)場，方便用戶及時(shí)掌握養(yǎng)殖場信息；根據(jù)動(dòng)物的品種選擇不同環(huán)境模式；提供一種低功耗，發(fā)射部分可以使用干電池供電，也可以采用市電供電。

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防治羊大腸桿菌病的微生態(tài)中藥制劑的研制（HAN2015029）。

張兆朋（1980—），男，江蘇沛縣人，碩士，講師，工程師，主要從事汽車電子、智能控制方向的研究。

2017年7月29日