基于無線網絡的羊舍環境參數采集控制系統設計

鄔 娟，宣傳忠，武 佩，劉艷秋，祁 飛

(內蒙古農業大學機電工程學院，內蒙古呼和浩特 010018)

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基于無線網絡的羊舍環境參數采集控制系統設計

鄔 娟，宣傳忠，武 佩*，劉艷秋，祁 飛

(內蒙古農業大學機電工程學院，內蒙古呼和浩特 010018)

摘要[目的]實現養羊業集約化、數字化和智能化管理，保證羊舍環境參數的實時采集。[方法]以畜牧業中羊舍的養殖環境作為研究對象，運用ZigBee短距離無線技術和GPRS技術，實現對羊舍環境中溫度、濕度、CO2濃度、氨氣濃度的實時采集，并將其快速、準確地傳送于上位機的羊舍環境參數管理系統，可遠程或自動控制通風、加溫等設備，以保證羊舍內的環境適宜羊只健康生長。[結果]該系統可實現羊舍環境參數的穩定采集，當環境參數超出設定的閾值時，能及時報警并啟動相應的控制設備，使羊舍的環境參數變化在設定的范圍內。[結論]該系統操作界面簡單友好，運行穩定，能及時報警，一定程度上提高了羊舍管理的自動化水平。

關鍵詞GPRS；ZigBee；環境參數；羊舍

我國是世界第一養羊大國，綿山羊存欄量、羊肉產量、山羊絨產量均居世界首位[1]。北方地區擁有豐富的草場資源和悠久的養羊歷史，歷來是我國綿羊的主要飼養地區。隨著人們生活水平的提高，動物食品的人均消費量也在提高，這為養羊業的發展創造了機遇，也激發了廣大農民養羊的熱情。近年來為了恢復生態，我國實行了糧改飼及草原輪牧、禁牧的政策，因此集約化設施養羊目前得到了很大的發展。由于設施養羊羊的數量多、密度大，因此建立一種可提高養殖效益、減少人員勞動強度的羊舍智能化管理系統是養羊業迫切需求的。與國外相比，我國的養羊業起步晚、差距大、存在的問題較多，大多還是傳統的粗放型[2]，受自然、環境條件的限制，養羊設施簡陋，抵御自然災害的能力很弱。在設施水平較低的情況下，環境的可控性就差，而羊舍環境質量對羊的健康、產肉量、產羔量等均有很大影響。隨著設施規模化、集約化養殖的發展[3]，對羊舍環境進行監控、創造適宜生長的環境條件也是目前養羊業的重要發展方向。科學技術的發展特別是遠程無線技術、單片機技術和傳感器技術的快速發展為羊舍環境的數據采集與控制提供了強大的技術支持。基于此，筆者設計了一種羊舍環境參數采集控制系統，以期為羊舍的環境控制及參數預警等研究提供理論依據和試驗基礎。

1系統總體結構

基于無線網絡的羊舍環境參數采集控制系統集傳感器、通訊技術、計算機技術等于一體，通過預設羊只健康生長所需的適宜環境參數，搭建智能化軟件與硬件平臺，實現對羊舍中溫度、濕度、CO2、氨氣等因子的自動監測和控制。

該系統采用低功耗微處理器STC12C4052AD單片機實現與各個模塊控制與通信，羊舍環境數據采集系統主要由數據管理中心、GPRS終端、數據采集模塊、傳感器以及執行機構組成。利用傳感器對羊舍內不同區域的溫度、濕度、氨氣濃度、CO2濃度等環境參數進行檢測，了解羊只生長狀況。執行機構可對環境參數進行實時調節控制，使羊只生長在適宜的環境中。其系統結構如圖1所示。遠程羊舍環境數據采集系統連接如圖2所示。系統采用上、下位機控制方案，下位機主要由傳感器、數據采集模塊和執行機構組成，對羊舍環境參數的實時檢測和調節，并通過GPRS將數據傳送到上位機；上位機為基于LabVIEW的智能管理系統，與下位機通過GPRS技術進行通信，實現對羊舍的遠程監控和管理操作，用戶也可通過互聯網絡來訪問該系統，預設環境參數，監測實時采集的環境參數，實現羊舍環境的自動控制。

圖1　系統結構Fig.1　Diagram of structure system

圖2　數據采集系統示意Fig.2　Diagram of data acquisition system

2羊舍環境參數采集控制系統的硬件設計

根據整個系統要實現的相關功能要求設計出詳細的硬件電路，如圖3所示。

圖3　硬件結構Fig.3　Diagram of hardware structure

注：a.溫度與濕度傳感器； b.氨氣濃度傳感器；c.CO2濃度傳感器。Note：a. Temperature and humidity sensor； b. Ammonia concentration sensor； c. CO2 concentration sensor.圖4　數據采集模塊傳感器Fig.4　Sensor of data acquisition module

2.1數據采集模塊結構設計數據采集模塊的主要功能是實現對羊舍內的溫度、濕度、氨氣濃度、CO2濃度等參數的精確測量，因此，溫度與濕度傳感器采用的是瑞士Sensirion公司生產的SHT11新型傳感器，溫度量程范圍為-40.0～123.8 ℃，測溫精度可達0.4 ℃，濕度量程范圍為0～100%RH，測濕精度可達3%RH。氨氣濃度傳感器選用NH3/CR-200型氨氣濃度傳感器和FAD-8209型氨氣濃度變送器組成的氨氣濃度檢測模塊，該模塊具有測量精度高、穩定性好、抗干擾能力強、壽命長等優點。CO2濃度傳感器選用MH-Z14氣體傳感器，該傳感器線性范圍寬、精度高且功耗低。數據采集模塊傳感器實物如圖4所示。數據采集模塊中的采集電路前端需接各種變送器，從變送器送來的是標準信號，即4～20 mA，所設計的電路需滿足通用性的要求。只要前端接不同類型的變送器，采集電路均可將采集到的電壓傳送到A/D轉換電路中去[4]。A/D轉換過程中，采樣電路通過采樣電阻將變送器輸出的電流信號轉換成電壓信號，為了提高采集的精度，采樣電路需使用高精度的電阻。

2.2GPRS終端模塊結構設計數傳終端是整個數據采集系統中實現數據遠程傳輸的關鍵部分，是實現遠程數據管理屮心與數據采集模塊之間通信的橋梁[5]，接收到的數據經由RS232串口通信實時傳送給GPRS模塊。要進行遠程數據傳輸必須用到GPRS模塊，該數傳終端使用的GPRS模塊是西門子的SIM300C，SIM300C模塊具有可靠性高、功能模塊完全、價格便宜等優點。

2.3串口調控模塊結構設計系統除了需要利用串口模塊與GPRS模塊進行通信外，還需要頻繁地使用串口模塊進行系統調試。在調試過程中，需要通過串口與計算機相連接來測試數據傳輸的可行性與正確性。串行接口按電氣標準及協議來分包括 RS-232-C、RS-422、RS485等，該系統選用RS-232作為串口模塊的電器標準協議[6]。

2.4單片機處理模塊結構設計單片機對電壓的要求比較嚴格，當輸入到單片機中的電壓存在擾動或者雜波時，可能會導致程序跑飛或復位[7]，所以在將3.3 V電壓引入到單片機以前需先經過濾波、除噪，以減小電壓中的雜波對單片機的干擾。

3羊舍環境參數采集控制系統軟件設計

為了保證羊舍環境參數采集控制系統各部分功能的穩定、可靠運行，必須編寫相應的軟件程序。羊舍環境數據采集系統軟件分為嵌入式底層軟件和PC上位機軟件2個部分。嵌入式底層軟件包括數傳終端、數據采集模塊中的在單片機中運行的嵌入式代碼。PC上位機軟件包括數傳終端參數配置軟件和環境數據采集軟件。用戶只需遠程監測系統運行狀態、查詢感興趣的參數數據，而不必關心數據采集和網絡組建的技術細節[8]，降低了使用人員的技術要求，同時為用戶提供了一個易用、簡潔的圖形化管理界面。

3.1系統軟件組成系統軟件由數據庫單元、功能單元、用戶管理單元和遠程控制單元組成。數據庫單元根據數據的不同建立相應的數據表格記錄，同時實現對數據的添加和查詢檢索功能；功能單元包括實時數據顯示、參數初始化、設備控制、歷史報表查詢和系統幫助；用戶管理單元將不同級別的用戶給予不同級別的權限，可實現某個用戶管理一個或多個信息和自動化設備；遠程控制單元控制羊舍的無線傳感網絡，當有數據到來時，通知系統取出傳送來的數據保存到數據庫中。系統軟件組成如圖5所示。

圖5　軟件結構Fig.5　Diagram of software structure

3.2通訊協議設計要實現將下位機傳送過來的數據在LabVIEW中進行顯示必須遵循統一的通訊協議，并按照這個協議格式將數據進行數值轉換。在該系統的通信過程中，數據包的長度為18字節，第1位為0，第18位為17，從第1位至第18位所表示的數據格式分別為“K”、“溫度百位”、“溫度十位”、“溫度個位”、“溫度小數位”、“濕度百位”、“濕度十位”、“濕度個位”、“濕度小數位”、“氨氣濃度個位”、“氨氣濃度十分位”、“氨氣濃度百分位”、“氨氣濃度千分位”、“CO2濃度個位”、“CO2濃度十分位”、“CO2濃度百分位”、“CO2濃度千分位”、“M”。數據通信格式中的開頭設為“K”，只要通信過程中得到傳送的數據為75(“K”的ASCII值)，之后按照上述中的后續格式進行數據轉換，如果得到的數據為77(“M”的ASCII值)，則結束轉換。

在實現串口通信的過程中，要將接收到的數據按照一定的數據格式轉換為數值，然后才可以在LabVIEW中進行顯示。數據包的長度為18字節，當上位機接收到相應位，即按照相應計算進行數值轉換。具體計算如下：①溫度數值。W=r1×100+r2×10+r3+r4×0.1。式中，W為溫度最終顯示數值；r1為溫度百位；r2為溫度十位；r3為溫度個位；r4為溫度小數位。②濕度數值。S=r1×100+r2×10+r3+r4×0.1。式中，S為濕度最終顯示數值；r1為濕度百位；r2為濕度十位；r3為濕度個位；r4為濕度小數位。③氨氣濃度數值。N=r1+r2×0.1+r3×0.01+r4×0.001。 式中，N為氨氣濃度最終顯示數值；r1為氨氣濃度個位；r2為氨氣濃度十分位；r3為氨氣濃度百分位；r4為氨氣濃度千分位。④CO2濃度數值。C=r1+r2×0.1+r3×0.01+r4×0.001。式中，C為CO2濃度最終顯示數值；r1為CO2濃度個位；r2為CO2濃度十分位；r3為CO2濃度百分位；r4為CO2濃度千分位。

3.3主程序界面系統的軟件主界面如圖6所示。該界面采用虛擬儀器軟件開發平臺 LabVIEW 2010 設計，采用模塊化設計方法，各模塊的編寫互相獨立[9]，部分程序如圖7所示。該系統實現了串口數據讀取、分析、處理，儀表顯示，波形顯示及超過閾值報警等主要功能。

圖6　軟件界面Fig.6　Interface of the software

圖7　程序框圖Fig.7　Diagram of program

4試驗結果

軟件系統接收到被測點采集的數據之后，LabVIEW數據處理軟件將按照“3.2”的數據格式進行分解，最后將溫度、濕度、氨氣濃度、CO2濃度的相應數值顯示到相應的儀表區域和波形圖區域。有研究顯示，適宜羊生長的環境對各參數的要求為：溫度10～30 ℃；濕度50%～80%；氨氣濃度<15 mg/m3；CO2濃度<13 mg/m3[10]。當超過上述參數的上限值時，系統進行報警并啟動相應的環境參數調控設備。

在養羊場安裝該監測及預警系統，經過調試，系統運行穩定，按照預定要求采集到了羊舍的環境參數數據(表1)。在環境參數超出設定的閾值時，能及時報警并啟動環境參數調節設施。該系統用戶界面友好，有效提高了羊場管理的效率和自動化水平。

表1　羊舍環境參數測定結果及變化范圍

5結論

基于GPRS遠程數據傳輸技術與ZigBee短距離無線通信技術的智能化設施養殖系統已成功應用，構建的羊舍無線監控和智能控制系統對羊舍內環境參數值進行調控，滿足了羊只生長環境的要求，有效提高了畜牧業集約化生產程度。在該系統中數傳終端與數據采集模塊之間的通信釆用ZigBee短距離無線傳輸技術，數傳終端與遠程數據管理中心之間的通信采用GPRS遠程數據傳輸技術，這樣避免了采用有線方式傳輸數據而導致大量布線帶來的麻煩。該系統經過可靠的運行，實現了對羊舍內的空氣溫度、濕度、氨氣濃度、CO2濃度等參數的準確測量，同時能根據不同要求設定環境參數的報警范圍，也可將系統設置成手動控制或自動控制狀態，該系統開發成本低廉、通用性強，因而其在智能化設施養殖環境控制中有著廣闊的發展和應用空間。

參考文獻

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基金項目國家自然科學基金(11364029，61461042)；內蒙古自然科學基金(2012MS0720)；內蒙古“草原英才”產業創新人才團隊項目(內組通字[2014]27 號)。

作者簡介鄔娟(1989-)，女，內蒙古鄂爾多斯人，碩士研究生，研究方向：農業工程測試與控制。*通訊作者，教授，博士生導師，從事農業工程測試與控制研究。

收稿日期2016-03-25

中圖分類號S 26+3

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)13-293-04

Research on the Acquisition and Control System for Environmental Parameter of Sheep Pen Based on the Wireless Network

WU Juan, XUAN Chuan-zhong, WU Pei*et al

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot, Inner Mongolia 010018)

Abstract[Objective] The intensive, digital and intelligent management of sheep pen could be ensured through the research on real-time acquisition of the environmental parameter in the sheep pen. [Method] The real-time acquisition of environmental parameters of temperature, humidity, CO2 concentration, NH3 concentration in sheep pen was carried out with the technique of ZigBee short-range wireless and GPRS and the data was fast and accurately transferred to the management system in PC, so that the healthy sheep growth would be realized through the optimum environment based on the remote and automatic control in the ventilation, heating and others. [Result] The environment parametes in sheep pen could be stably collected with the system. The timely alarming and the starting of the appropriate control equipment were done when the environmental parameters in sheep pen exceeded the threshold that was set. [Conclusion] The system is simple and user-friendly, stable and timely warning, and to some extent, the automation level of sheep pen management is improved.

Key wordsGPRS; ZigBee; Environmental parameters; Sheep pen