基于ARM控制器的豬舍有害氣體無線檢測(cè)控制系統(tǒng)

左現(xiàn)剛 孔德川 周逸 王建平

摘要：在現(xiàn)代化養(yǎng)豬場(chǎng)的生產(chǎn)過程中，需要對(duì)豬舍中影響豬群健康的有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，以便于豬場(chǎng)作出生產(chǎn)決策。設(shè)計(jì)了1種基于STM32的豬舍有害氣體無線檢測(cè)采集系統(tǒng)，整個(gè)設(shè)計(jì)采用STM32作為主控制單元，結(jié)合使用CO2、H2S、NH3等傳感器和無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)豬場(chǎng)整體特征信息的采集、數(shù)據(jù)處理、顯示報(bào)警等功能，非常適用于現(xiàn)代化禽畜生產(chǎn)過程中對(duì)豬舍信息進(jìn)行快速采集。

關(guān)鍵詞：有害氣體；STM32；數(shù)據(jù)采集；傳感器

中圖分類號(hào)： TP276；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號(hào)：1002-1302（2016）08-0440-03

目前，中國(guó)的養(yǎng)豬行業(yè)逐漸由小規(guī)模散養(yǎng)向工廠化、集約化養(yǎng)殖發(fā)展，養(yǎng)豬場(chǎng)中豬的數(shù)量往往是上千頭甚至上萬頭，因此豬場(chǎng)的疾病預(yù)防非常重要。對(duì)豬場(chǎng)環(huán)境的調(diào)控水平是預(yù)防疾病的關(guān)鍵和影響?zhàn)B豬業(yè)生產(chǎn)水平的重要因素，也是導(dǎo)致我國(guó)養(yǎng)豬業(yè)水平落后于其他發(fā)達(dá)國(guó)家的原因之一[1-3]。良好的通風(fēng)環(huán)境能大幅減少豬病的發(fā)生，從而提高養(yǎng)豬的成活率和經(jīng)濟(jì)效益；因此，檢測(cè)并減低豬場(chǎng)內(nèi)的有害氣體，是規(guī)模化養(yǎng)豬中一項(xiàng)非常必要的工作。

近年來，不少專家、學(xué)者、科研人員基于不同技術(shù)研制了多種檢測(cè)和控制豬場(chǎng)環(huán)境的技術(shù)和產(chǎn)品，并在一些大型養(yǎng)殖企業(yè)中得到應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了1種采用Zigbee技術(shù)采集溫室環(huán)境數(shù)據(jù)信息的環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]基于PLC技術(shù)研制了用于改善分娩豬舍環(huán)境質(zhì)量的智能監(jiān)控系統(tǒng)，但該系統(tǒng)是對(duì)豬場(chǎng)環(huán)境的整體檢測(cè)和控制，并無調(diào)節(jié)改善仔豬小環(huán)境的功能。文獻(xiàn)[6]基于ARM和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)研制了對(duì)有害氣體H2S、CO、CH4的采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用ZigBee進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，利用上位機(jī)對(duì)氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但該系統(tǒng)采用專用模塊設(shè)計(jì)，成本較高。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了1種基于可編程電路的電化學(xué)有害氣體檢測(cè)系統(tǒng)，利用統(tǒng)一的硬件平臺(tái)通過串行通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)多種有害氣體濃度的檢測(cè)，但其無線通信采用Wi-Fi方式，通信距離短，且極易受到外界無線信號(hào)的干擾和影響。

為提高養(yǎng)豬的經(jīng)濟(jì)效益，加快養(yǎng)豬的信息化進(jìn)程，并考慮到豬舍環(huán)境不適合布線的情況，在已有研究的基礎(chǔ)上，基于無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)了1種基于ARM控制板的豬舍有害氣體無線檢測(cè)采集和控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)豬舍環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控和集中遠(yuǎn)程控制[8-11]。該系統(tǒng)主要由以下模塊組成：豬舍有害氣體（CO2、NH3、H2S）信息的檢測(cè)、采集、處理模塊，數(shù)據(jù)的無線傳輸模塊，數(shù)據(jù)的顯示、分析、決策模塊。

具體工作過程為：有害氣體及豬舍環(huán)境的溫濕度等數(shù)據(jù)通過CPU處理后，經(jīng)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中豬舍的正常環(huán)境信息進(jìn)行分析比較，從而為豬場(chǎng)管理人員提供數(shù)據(jù)依據(jù)。該系統(tǒng)具有施工簡(jiǎn)單、精度高、穩(wěn)定性好、成本低的特點(diǎn)，非常適于推廣使用。

1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由STM32控制板、CO2傳感器、空氣溫濕度傳感器、H2S傳感器、NH3傳感器、光照轉(zhuǎn)換模塊、觸摸屏、基于無線的串口數(shù)據(jù)收發(fā)模塊組成。STM32控制板作為系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)采集豬舍的環(huán)境數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)CPU處理后按照自定義的串口通信協(xié)議傳輸給上位機(jī)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)見圖1。

2系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)

2.1STM32單片機(jī)

系統(tǒng)前端采用目前流行的STM32F103RBT6單片機(jī)（意法半導(dǎo)體公司），具有性價(jià)比高、功耗低、價(jià)格低的特點(diǎn)。其硬件資源豐富，開發(fā)過程簡(jiǎn)單，非常適于做控制類的電子產(chǎn)品，且其集成開發(fā)環(huán)境（IDE）是基于C語言的KEIL開發(fā)軟件（ARM公司）。

2.2主要?dú)怏w檢測(cè)模塊

硫化氫傳感器采用英國(guó)Alpha sense型電化學(xué)氣體傳感器。該傳感器具有靈敏度高、線性好、高選擇性的優(yōu)點(diǎn)，利用的化學(xué)原理是傳感電極與被測(cè)氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，產(chǎn)生與被測(cè)氣體濃度成正比例關(guān)系的電信號(hào)（主要是電流）。

氨氣傳感器采用NH3 3E 100SE型傳感器，其測(cè)量范圍為0～100 mg/L，工作電壓為5 V，便于與控制板連接，可直接連接到MCU的I/O口。該傳感器具有分辨率高、靈敏性高、線性好、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，非常適用于檢測(cè)禽類和畜類養(yǎng)殖環(huán)境中的有害氣體。與終端設(shè)備的連接圖見圖2。

由于電化學(xué)傳感器輸出的微弱信號(hào)無法達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的檢測(cè)信號(hào)要求，需要對(duì)其進(jìn)行放大處理。本系統(tǒng)檢測(cè)電路使用高精度運(yùn)算放大器ICL7650（Intersil公司），該放大器具有增益高、輸入偏置電流小、響應(yīng)快、漂移低等優(yōu)點(diǎn)，將傳感器輸出的信號(hào)放大至STM32的A/D檢測(cè)范圍內(nèi)。系統(tǒng)采用2級(jí)放大，第1級(jí)使用2個(gè)ICL7650，具有高輸入阻抗和共模抑制比。為防止電路自激振蕩，在R2兩端并聯(lián)150 pF電容。檢測(cè)電路見圖2。

2.3溫度傳感器模塊

溫度傳感器模塊采用單總線傳感器DS18B20，僅需1根線就可與MCU互相通信并進(jìn)行級(jí)聯(lián)。每個(gè)DS18B20傳感器在出廠時(shí)均有1個(gè)全球唯一的64位光刻ROM編碼，有4種分辨率可選，溫度分辨率可達(dá)0.062 5 ℃，可設(shè)置溫度上下限報(bào)警區(qū)間。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3，與MCU的連接見圖4。

2.4濕度傳感器模塊

豬舍中的空氣濕度傳感器采用電壓輸出式集成濕度傳感器HM1500（美國(guó)Humeral公司），該傳感器屬于通用型濕度傳感器，測(cè)量范圍為（0%～100%） RH。該傳感器集成度高，不需要外圍元件，使用非常便捷，十分適用于帶ADC的控制器。可輸出與相對(duì)濕度成線性比例關(guān)系的電壓信號(hào)，范圍為（+1～+4） V，精度為±3% RH，靈敏度為+25 mV/RH。其外形見圖5。

[FK（W9][TPZXG5.tif；S+3mm][FK）]

電壓輸出的計(jì)算公式為：U0=1.079+0.256 8RH。在（10%～95%） RH范圍內(nèi)，TA=+23 ℃時(shí)輸出電壓與相對(duì)濕度的響應(yīng)曲線見圖6；當(dāng)TA≠+23 ℃時(shí)，濕度按下式修正：

[JZ]RH′=RH×[1-2.4（TA-23）e-6]。

2.5光照度模塊單元

光電效應(yīng)是光照度傳感器的基礎(chǔ)，光照度傳感器由光源、

光學(xué)電路、光電器件等組成。可將光照度轉(zhuǎn)換為電流或電壓值，再接到A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量，送至控制器對(duì)光照進(jìn)行檢測(cè)和控制。

光照度傳感器使用HA2003傳感器，該傳感器廣泛應(yīng)用于溫室大棚培育、林業(yè)、養(yǎng)殖的光照測(cè)量。其原理是光照度變?yōu)殡妷褐岛螅?jīng)調(diào)理電路將電壓值轉(zhuǎn)換為0～2 V電壓值或 4～20 mA電流值。該模塊具有I2C總線協(xié)議，非常便于與控制器進(jìn)行接口，與控制板的連接見圖7。

4結(jié)論

[CM（24]基于STM32的豬舍環(huán)境信息無線采集系統(tǒng)能夠采集豬[CM）]

舍環(huán)境中的溫度、濕度、光照度以及H2S、NH3、CO2等氣體的濃度，可用于現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)。系統(tǒng)具有采集精度高、操作便捷、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，具有較高的推廣使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]王美芝，田見暉，劉繼軍，等. 北京市繁殖豬舍高溫環(huán)境控制狀況[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（10）：222-227.

[2]王美芝，吳中紅，劉繼軍. 標(biāo)準(zhǔn)化示范豬場(chǎng)建設(shè)——標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)模化豬場(chǎng)中豬舍的環(huán)境控制[J]. 豬業(yè)科學(xué)，2011，28（3）：28-31.

[3]王清義，王占彬. 環(huán)境溫度對(duì)仔豬、繁殖母豬及生長(zhǎng)肥育豬的影響[J]. 黑龍江畜牧獸醫(yī)，2002（11）：15-16.

[4]韓華峰，杜克明，孫忠富，等. 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（7）：158-163.

[5]李立峰，武佩，麻碩士，等. 基于組態(tài)軟件和模糊控制的分娩母豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（6）：231-236.

[6]高同輝，楊立峰. 基于ZigBee的有害氣體檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電視技術(shù)，2013，37（13）：202-207.