基于MSP430的禽舍智能控制系統設計及應用

于 群， 柳平增， 李寶全， 王祥龍， 馮 玲

(1.山東農業大學信息科學與工程學院，山東泰安 271018； 2.山東農業大學動物科技學院，山東泰安 271018；3.山東泰山學院信息科學技術學院，山東泰安 271000)

最早進行畜禽環境檢測控制系統研究的國家是以荷蘭等以集約型養殖為特點的西方國家，它們大多由很少的人來管理一個較大的畜牧場。而以色列的環境檢測控制系統則是比較經典的監控系統，一是系統地采集了現場的各類有害氣體的數據，二是對數據進行分析來達到控制現場設備的目的，采用模塊化控制器，效果顯著，有很高的實用性。趙娟從檢測禽舍環境因子入手，研發了雞舍環境監控與管理系統，著力分析了環境對蛋雞生長和產蛋的影響[1]。李文設計了基于ZigBee無線傳感器網絡和以太網技術的遠程監控系統，可以對雞舍內的溫度、濕度、光照以及紅外報警等信息進行實時采集和遠程監控[2]。本系統通過對影響家禽生產性能的各環境因子進行綜合性、連續性的監測，研究禽舍內綜合環境在不同時段的變化[3]，實現禽舍環境的智能控制。本研究利用物聯網理論架構，在傳統溫度、濕度等環境指標的基礎上增加氨氣、粉塵、風速等傳感器節點，結合禽舍環境無線測控網絡結構和GPRS技術，通過基于低成本的MSP430微處理器實現禽舍環境自動化控制。

1 系統整體設計

本研究設計的禽舍智能控制系統分為4層，即數據感知層、數據傳輸層、智能控制層和數據管理層[4]。下位機部分是以MSP430微處理器為核心的數據感知、傳輸及控制系統。感知部分主要實現對禽舍內環境參數的檢測，檢測的內容包括溫度、濕度、光照度、風速、空氣質量。控制部分可根據禽舍內空氣溫濕度、光照度和空氣質量的不同要求，對降溫風機、暖風機、補光燈、濕簾等設備進行控制。傳輸部分主要采取多輸入、多輸出的多路徑傳輸方式，除了具有信息輸入、輸出、轉發功能外，還須具有信息暫存功能。GPRS無線傳輸模塊可實現信息的遠程傳輸。上位機軟件運行在互聯網服務器上，屬于物聯網應用層，在分析全面感知信息的基礎上，實現禽舍環境因素的自動控制。用戶還可通過手機應用程序進行禽舍環境的查看及設備的控制，系統結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件總體設計

下位機硬件模塊以信息處理控制模塊為核心，通過信息感知模塊采集禽舍環境信息，同時將傳感器的數值傳送給信息處理控制模塊，信息處理控制模塊通過LED顯示模塊顯示獲取的相關數據及參數并同時自動控制整個禽舍設備的開關，數據同時通過GPRS傳輸模塊上傳至上位機軟件系統。禽舍硬件模塊總體框架圖如圖2所示。

2.2 信息處理控制模塊

信息處理模塊以MSP430F5438A為主要核心微控制器[5]，它具有1種活動模式和5種低功耗模式，有超低功耗等特性，在活動模式下耗電量僅有250 μA/MIPS，I/O輸入端口的漏電電流最大只有50 mA；并且具有強大的數據處理能力，采用了RISC結構，1個時鐘周期即可執行1條指令，所以其在8 MHz晶振工作時，指令速度可達8 MIPS；高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊如AD、DA、USART、看門狗、定時器、DMA、I2C等可根據實際情況選擇相應的模塊。可見，它作為本系統的主控芯片非常合適。MSP430F54388A引腳數量多達100個，由于引腳無法直接驅動繼電器，須要借助三極管9013。微控制處理器引腳輸出高低電平控制三極管進而控制繼電器的通斷，提高了系統的抗干擾能力[6]。

2.3 信息感知模塊

信息采集是物聯網感知層的主要功能，信息感知模塊采用模塊化的結構形式(圖3)。信息感知模塊負責連接各個傳感器， 采集各個傳感器的消除重疊在信號線路上的高頻噪聲。A/D轉換器中有片內PGA的模數轉換器CS5522，精度高達24位，可以電流值并轉換成數值[7]。16路傳感器將采集的電流信號經信號頻帶低通濾波后，解決所檢測信號動態范圍不一樣的問題，并實現了對輸入通道的增益可編程控制；同時，CS5522的自校準和系統校準功能消除了一部分由于器件本身或系統的增益和偏移造成的誤差，使系統精度大大提高，完成對禽舍環境因素的準確采集。光耦隔離可以提高系統整體的抗干擾性，避免一些信號雜波，提高采集信號的有效輸入，并采用雙向電路485通信協議， 支持總線形式通信，具有抑制共模干擾的能力，有效提高系統的穩定性[8]。

2.4 傳感器

選用較高精度的傳感器是準確采集禽舍環境的前提，為了便于輸出采集的信號和減小信號的失真，設計采用兩線制或三線制4～20 mA電流型傳感器。

2.4.1 空氣溫濕度傳感器 系統以空氣溫濕度傳感器 KM-KWS 作為禽舍測量溫濕度部件，傳感器將采集的模擬量以電流的方式傳輸給采集卡，其測量溫度范圍為-30～70 ℃，精度為 ±0.2 ℃，測量濕度范圍為0～100% RH，精度為±3% RH，工作溫度范圍為-35～85 ℃，響應時間小于 1 s。溫濕度傳感器的硬件連接如圖4所示。

2.4.2 光照傳感器 系統以兩線制電流環光照度傳感器NHZD10作為禽舍測量光照度器件。光照度指物體被照亮的程度，用單位垂直面積所接受的光通量來表示，lx，即1 lx等于1 μm的光通量均勻分布于1 m2面積上的光照度，其測量輸入光照度范圍為0～200 000 lx，能滿足禽舍光照測量要求。光照度傳感器的硬件連接如圖5所示。

2.4.3 風速傳感器 系統采用三線制電流輸出信號風速傳感器NHFS45AI作為禽舍內設測量風速器件，用于檢測禽舍每天的通風情況。其測量精確度為0.1 m/s，分辨率為 0.01 m/s，啟動風力為0.02～0.04 m/s，工作溫、濕度分別為 -40～80 ℃、0～100% RH，能很好地滿足禽舍環境對風速的測量。光照度傳感器的硬件連接如圖6所示。

2.4.4 空氣質量類傳感器 禽舍CO2、NH3、CO、PM2.5濃度檢測分別采用NH162型二氧化碳傳感器、AQ63型氨氣傳感器、SM2130M一氧化碳傳感器和NH179系列PM2.5傳感器作為有害氣體濃度測量器件。所用氣體傳感器硬件連接如圖7所示。

2.5 LED顯示模塊

系統采用觸屏LED顯示屏作為用戶現場實時查看數據、修改參數的器件(圖8)。

LED顯示模塊采用32位ARM處理器+FPGA雙核控制架構開發的高性能、低功耗、易使用的64 K色的TFT真彩顯示器，可以直接和具有UART串行接口的MCU連接。用戶只須通過串口向終端發命令，便可完成相應的操作[9]。具體硬件連接圖如圖9所示。

2.6 GPRS通信模塊

GPRS通信模塊為數據管理層與系統硬件部分提供數據傳輸服務。本系統以H7210D GPRS DTU移動通信模塊作為物聯網傳輸層的主要器件[10]，并對其進行二次開發，該模塊采用分組交換技術，適用于間斷的、突發性的和頻繁的、少量的數據傳輸。GPRS模塊引腳1、3為數據的接收發送端，第11端子為地線“GND”，第12端子為電源輸入正極“VIN”，通信速度快，性能可靠。同時，為了保證GPRS通信模塊的可靠工作，引腳4為GPRS上線指示信號GPRS_LINE，引腳20為GPRS復位信號GPRS_RST。通信模塊硬件連接如圖10所示。

3 系統軟件設計

3.1 下位機軟件設計

圖11為禽舍環境參數采集控制程序流程。系統程序由IAR軟件編寫而成，不僅支持硬件仿真，支持不同模式下的調試，而且還支持軟仿真，用于各個模塊的測試開發，功能強大，效率高[11]。下位機采用C語言進行模塊化編程，對禽舍內環境(如空氣溫濕度、光照度、風速及有害氣體濃度)進行采集，將采集值與參數設定值范圍進行比較，發出相應的控制指令，將數據顯示到現場LED顯示屏上并進行相應處理后轉發給上位機，上位機將數據進行處理保存。

3.2 上位機軟件設計

上位機程序開發環境為Visual VC++6.0的MFC，主要功能是負責向下位機發送采集、控制指令，同時接收并處理下位機上傳的數據并存到數據庫，以供用戶進行查看和使用[12]。具體控制流程圖如圖12所示。

系統創建2個Serive端口，負責與下位機、手機端、網頁、個人計算機(PC)進行通信。網絡處于穩定狀態時，上位機與下位機處于連接狀態，上位機發送代碼給下位機，下位機執行相應操作，完成數據采集和發送，同時上位機接收到數據后保存在服務器中[13]。

4 應用試驗

為了驗證系統能否合理控制禽舍環境，根據本地區的氣候狀況和現場具體情況，本系統以肉雞養殖為例，對禽舍內空氣溫濕度、光照度、風速、空氣質量等環境參數進行自動采集和分析[14]。從表1可以看出，24 h內空氣溫度的平均值為26.048 ℃，與設定的9～11 d(26 ℃)之間的閾值基本相同，上下波動較小，空氣濕度24 h平均值為64.46%，濕度基本滿足肉雞最佳生長濕度，在一個合理的動態范圍內；另外全天光照度和設定值對比，波動較小，滿足肉雞最佳生長光照度；另外通過通風等有效措施的采用使有害氣體濃度基本控制在閾值范圍以內，不會影響肉雞的正常生長。若關注24 h內空氣溫度，發現在9 d后的凌晨(表1)溫度低于26 ℃時，此時啟動了暖風機，溫度緩慢上升到26 ℃左右，直至中午，溫度上升至27 ℃，此時啟動了降溫風機，溫度在14：00恢復到26 ℃左右。上述試驗結果表明，系統通過采集禽舍環境參數，分析數據，最終能合理的控制禽舍環境并保持禽舍環境參數在適宜肉雞生長的范圍，實現雞舍環境參數的智能控制。

表1 9 d后24 h內禽舍環境參數變化情況

5 結論

系統對禽舍環境進行了全方面的感知，并針對禽舍環境參數較難控制等問題，設計了一種以MSP430為控制核心的禽舍環境智能監控系統。該系統可以從現場或者手機客戶端進行禽舍環境的參數預設、查看及設備控制，一旦環境參數超出了設定的范圍，系統自動執行控制程序，對設備進行操作[15]。方便管理人員隨時查看各種信息，有利于養殖戶的集中管理，實現雞舍養殖的智能化及現代化。同時，數據庫中存儲的大量數據可以供養殖戶進行查看，有利于通過科學養殖來獲取更高的經濟效益[16]。

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