基于Arduino控制板的雞舍有害氣體檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊獻(xiàn)峰　孫甲霞等

摘要：針對(duì)現(xiàn)代化養(yǎng)雞場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中需要對(duì)雞舍中的有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，以便為蛋雞的生產(chǎn)決策服務(wù)，設(shè)計(jì)了一種基于Arduino控制板的雞舍有害氣體無(wú)線采集系統(tǒng)。設(shè)計(jì)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(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雞舍特征信息的采集、數(shù)據(jù)處理及顯示報(bào)警等功能，非常適用于現(xiàn)代家禽生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)雞場(chǎng)信息進(jìn)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(hào)：TP277；S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guó)現(xiàn)代養(yǎng)殖的規(guī)模越來(lái)越大，集約化程度也越來(lái)越高，對(duì)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(chǎng)管理中的一項(xiàng)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(duì)雞舍空氣質(zhì)量的管理。通風(fēng)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(cè)和減少養(yǎng)雞場(chǎng)中的有害氣體，對(duì)養(yǎng)殖企業(yè)來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。

不少養(yǎng)雞場(chǎng)采用人工通風(fēng)、人工噴灑消毒劑等方法來(lái)減少雞場(chǎng)的有害氣體，但這些方法顯得越來(lái)越落后。也有養(yǎng)雞場(chǎng)采用微控制器對(duì)雞舍的有害氣體進(jìn)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(chǎng)養(yǎng)殖的信息化，提高養(yǎng)殖企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，考慮雞舍不太適合進(jìn)行有線施工的實(shí)際情況，結(jié)合嵌入式技術(shù)和數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，設(shè)計(jì)了一種基于Arduino控制板的雞舍有害氣體無(wú)線采集系統(tǒng)[5，6]。該設(shè)計(jì)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(guò)控制芯片處理后，經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸把雞舍的相關(guān)環(huán)境信息傳給上位機(jī)，在上位機(jī)顯示界面上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示出來(lái)。并將接收到的數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，方便進(jìn)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(jì)具有施工容易、成本低、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

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(wú)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(fù)責(zé)采集雞場(chǎng)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(tái)[7，8]。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 Arduino單片機(jī)控制板

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

設(shè)計(jì)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(yīng)，可以將光照度轉(zhuǎn)換為電壓值，以方便控制芯片對(duì)光照進(jìn)行檢測(cè)和控制。光照度傳感器一般由光源、光學(xué)電路和光電器件等組成，在控制和檢測(cè)方面應(yīng)用非常廣泛。

設(shè)計(jì)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(cè)范圍為0～216-1，該模塊直接輸出反映光強(qiáng)弱的數(shù)字信號(hào)，免去了復(fù)雜的計(jì)算和標(biāo)定。另外該模塊支持I2C通信協(xié)議，和單片機(jī)的端口直接對(duì)接，非常容易在系統(tǒng)中進(jìn)行擴(kuò)展而無(wú)需任何附加電路，適合廣泛應(yīng)用在溫室大棚培育、養(yǎng)殖等行業(yè)的光照測(cè)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(hào)是經(jīng)過(guò)完全標(biāo)定之后的，無(wú)需再經(jīng)過(guò)額外的標(biāo)定即可使用[9，10]，具有低功耗、體積小、長(zhǎng)期穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。與單片機(jī)的IO口可以直接連接，使用非常方便。相對(duì)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(jí)的MG-811 CO2探頭，該傳感器對(duì)CO2非常敏感，還能同時(shí)排除酒精和CO的干擾。對(duì)周圍環(huán)境的溫濕度依賴小、工作性能穩(wěn)定、響應(yīng)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(duì)人和動(dòng)物都有很大的危害性，人在H2S濃度為300 mg/L的環(huán)境中會(huì)感覺(jué)呼吸困難，濃度為500 mg/L時(shí)就會(huì)失去知覺(jué)，所以非常有必要檢測(cè)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(dòng)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(guò)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(diǎn)。測(cè)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T(mén)TL，可直接接單片機(jī)的IO口。具有靈敏性很高、選擇性較多、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定以及響應(yīng)恢復(fù)快速等特點(diǎn)，適合用于禽類養(yǎng)殖等環(huán)境中[13]。測(cè)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(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由上位機(jī)軟件和下位機(jī)兩部分組成。

3.1 底層軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)使用keil c51編寫(xiě)，該軟件開(kāi)放環(huán)境基于C語(yǔ)言。下位機(jī)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(shí)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(shí)器和中斷操作；傳感器測(cè)量程序測(cè)量光照度、溫濕度、CO2、H2S和NH3等環(huán)境信息，并通過(guò)串口發(fā)送給控制臺(tái)。

3.2 控制臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

控制臺(tái)軟件采用C#編寫(xiě)，將采集到的傳感器數(shù)據(jù)按照一定的協(xié)議通過(guò)串口發(fā)送出去，再把接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后在對(duì)應(yīng)的顯示控件實(shí)時(shí)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(wú)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(duì)采集電路的掉電情況進(jìn)行相關(guān)的檢測(cè)。整個(gè)設(shè)計(jì)具有采集數(shù)據(jù)的精度高、操作方便簡(jiǎn)單、成本低廉、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能對(duì)現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)的生產(chǎn)和決策提供真實(shí)有效的數(shù)據(jù)支撐，具有很高的推廣價(jià)值。

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