基于物聯網的羊舍環境監控系統的設計

淮安生物工程高等職業學校 張兆朋 王友剛 杜光波

基于物聯網的羊舍環境監控系統的設計

淮安生物工程高等職業學校 張兆朋 王友剛 杜光波

本文對羊舍環境監控系統進行了研究和設計，提出了基于物聯網的ES系統在羊舍環境監控系統上的應用，利用超低功耗單片機、各種傳感器，無線發射接收模塊等進行信息采集傳輸處理，將采集到的信息通過無線傳輸發送到主單片機，由主單片機發送到上位機，ES系統根據傳送的信息與電腦數據庫里的數據信息進行比較，然后利用下位機控制執行機構進行工作進行智能控制，達到羊群生長的最佳環境，同時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控制根據顯示進行手動控制，如通風、灑水、補光等，該系統的好處是可以實時監控，節省了人力，提高了工作效率。

物聯網；羊舍環境監控系統；ES系統；信息采集傳輸處理；智能控制

0 引言

動物生長需要適宜的溫濕度，光照等，不同的動物需要不同的環境，根據動物的具體情況，配置最佳的生長環境，利用溫度、濕度、光照度、氣體傳感器等監測羊舍環境，通過無線發射技術把監測到的數據發送到液晶屏上，同時傳送給電腦進行數據比較。

羊群養殖規模不斷擴大，羊舍的智能管理非常重要，為羊提供好的生活生長環境同時監測羊的體重和溫度等及時發現羊在生長過程中遇到的問題，及時隔離治療防止交叉感染，適宜的溫濕度、優秀的空氣質量、良好的通風光照條件有助于羊的生長，同時及時的發現羊生病降低損失。美國麻省理工學院在20世紀90年代就提出了EPC系統的物聯網設想，物聯網由感知層，網絡層和應用層組成，在農業上有著廣泛的應用，利用MPS430構成幾個網絡節點，實時監測空氣溫濕度、光照強度、有害氣體等，同時采集與羊健康有關的信息。這樣降低了勞動強度，并能夠及時的發現羊舍出現的問題，及時的解決，為羊的生長提供好的生活環境。

1 總體設計

圖1 羊舍監測總框圖

圖2 羊舍下位機監控總框圖

利用各種傳感器檢測羊舍內的有毒氣體含量、空氣溫濕度、光照強度、每個羊的重量和體溫等，把監測的信息傳送到從機單片機MSP430，從機單片機MSP430通過無線發射模塊把信息發送到主機單片機MSP430，顯示器與主機單片機連接把羊舍內的信息顯示在顯示屏，同時主機單片機通過無線傳輸裝置與電腦和手機相連接，把參數傳送到管理員手機和電腦，檢測到的參數與電腦里的參數進行比較，如果不一致則作出提示，管理員采取措施解決問題。

2 肉羊舍環境參數

肉羊生長適宜的溫度是15-20℃，相對濕度為50-70%，通風量在不同季節通風量不同，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，空氣質量為氨氣小于20mg/ m3，硫化氫濃度應小于8mg/ m3，二氧化碳濃度小于1500mg/m3，總懸浮顆粒需小于4mg/ m3，肉羊在此環境中生長較適宜，設計的監控系統檢測到的信息和肉羊羊舍環境參數進行比較。

3 硬件設計

硬件設計包括信息的采集，傳輸，接收，處理，控制，執行等，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測部分；由電動機、電磁閥、繼電器等組成執行部分；由揚聲器、顯示器等組成報警顯示部分。

3.1 檢測部分

溫濕度傳感器SHT11：瑞士Sensirion公司生產的具有二線串行接口的單片全校準數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，進行檢測羊舍內空氣的溫濕度，把信息傳送到單片機控制器，當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，報警模塊發出報警提醒管理員注意，相對濕度低于50%或高于70%發出警報，溫度低于15℃或高于20℃發出警報。

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、可編程的光強度數字轉換芯片，該傳感器用于檢測羊舍內的光照強度，把信息傳遞給單片機，光照與地面面積之比為1:15-1:20時不提示，黨當不在此范圍發出警報，同時采取遮陽或補光的措施。

CO2傳感器選用TGS4160，該傳感器是FIGARO公司生產的一種CO2傳感器，具有體積小，壽命長，耐高低溫的特點，用來檢測羊舍有害氣體含量，當二氧化碳大于1500mg/ m3時報警通風。氨氣傳感器用來測量氨氣濃度，當羊舍內氨氣大于20mg/ m3時進行提示。

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

3.2 控制部分

控制部分采用的是MSP430單片機，該單片機是美國德州儀器（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）的混合信號處理器（Mixed Signal Processor），該單片機起到控制作用，是監控系統的核心接收傳感器發來的信號，控制執行器執行，通過無線模塊或串口線與電腦連接，信息傳送到上位機電腦并接受電腦發來的指令。

3.3 執行部分

執行機構包括灑水，遮陽，通風，補光等，具體操作由電動機和電磁閥來實現的，電動機控制通風，遮陽，補光等，電磁閥控制灑水；電磁閥、電動機是由中間繼電器間接控制，繼電器正常情況下觸點是斷開的，執行機構不工作，當需要灑水、通風等操作時，電腦給單片機一個命令，單片機引腳輸出高電平使繼電器線圈得電，常開觸點閉合，電動機或者電磁閥電路接通，執行機構開始工作，實現灑水、通風等動作。在設計時，電磁閥需要原理單片機或者加入一個電容進行緩沖，防止電磁閥工作引起單片機誤動作。

3.4 顯示部分

圖3 顯示部分硬件圖

圖4 數據顯示圖

傳感器檢測羊舍內的環境信息傳送到單片機，單片機與揚聲器和顯示器連接，把羊舍內的信息顯示在顯示屏，單片機通過無線傳輸裝置與電腦相連接，信息傳送到電腦，同時接收器上裝有紅綠LED，用LED顯示進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為監測到的溫度、濕度、光照以及有害氣體含量。

4 軟件設計

監測模塊首先完成單片機與各個傳感器的初始化，然后對傳感器的工作狀態進行判斷，如果不正常則向控制中心發送傳感器故障信息，如果沒有問題，開始采集傳感器數據，利用Zigbee節點模塊向控制中心發出監測數據。主控制器MSP430單片機及其外圍電路完成初始化之后，開始斷接收數據，進行判斷，如數據與標準數據不一致，則發出報警并把信息顯示在顯示屏上，及時采取措施進行處理；如果數據與標準參數一直則將信息顯示在顯示器上不發出警報。

圖5 節點程序流程及主控程序流程

5 具體實施方法

本產品是采用以下技術措施來實現的：利用傳感器檢測智能養殖場內的空氣溫濕度、光照強度、有毒氣體傳感器等，把檢測的信息傳送到從機單片機，從機單片機通過無線發射把信息發送到主機單片機，主機單片機與電腦相連接，參數傳送到電腦，檢測到的實際參數與電腦里的標準參數比較，和標準制不一致作出提示，以便管理員作出相應的處理，電腦可以聯網，管理員可以在值班室查看電腦，也可以在手機查看。

6 結論

本文利用物聯網技術，通過傳感器監測羊舍環境，通過無線發射把監測到的信息發送到單片機，顯示在顯示屏上，同時可以傳送到電腦，與電腦數據進行比較，上位機控制下位機使執行機構工作，配置適宜肉羊生長的最佳環境，此系統也可以用以其他動物生長環境的監控。該作品適宜于小型農場，方便用戶及時掌握養殖場信息；根據動物的品種選擇不同環境模式；提供一種低功耗，發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