基于電力載波的畜舍二氧化碳濃度監測系統設計*

王潤濤 ，岑杰涓 ，李 明 ，何子明

（1.嶺南師范學院電子與電氣工程學院，廣東 湛江 524048；2.廣東湛數大數據有限公司，廣東 湛江 524000）

0 前言

我國中小型養殖場進行粗放式管理，對畜舍的環境監測往往沿用傳統的人工觀測方法。但依靠人工對畜舍內的光照、氣體濃度、溫度、濕度等環境參數進行觀測和管理，不僅觀測到的環境數據不夠實時和準確，還浪費人力，增加生產成本，禽畜的健康也得不到有效的保障。同時，我國中小型養殖場畜舍密集，重新鋪設監測信息傳輸電力線路網絡的成本高，可行性低，容易造成安全隱患[1-3]。

考慮到我國電力線路網絡分布廣泛，畜舍里也鋪設有電力線路網絡，且均屬于同一供電系統，滿足電力載波通信的要求，因而可利用電力載波通信技術作為監測裝置的通信方式，免去重新鋪設電力線路網絡的問題[4-5]。同時，利用電力載波通信技術對畜舍內各種環境參數進行監測，能夠使得通信方便快捷，實時傳輸畜舍環境信息[6-7]。

因此，課題組設計了一種方便快捷、實時準確、低成本的二氧化碳濃度監測裝置，為實現畜舍環境的自動監測提供了技術支撐。

1 硬件結構設計

本裝置的硬件主要由51單片機最小系統、電力載波模塊、SGP-30氣體傳感器、液晶屏顯示模塊等組成。二氧化碳濃度采集模組采用SGP-30氣體傳感器，其SCL和SDA引腳與單片機的引腳相連，通過IIC總線實現對畜舍二氧化碳濃度數據的采集；電力載波模塊采用東軟公司生產的SC1642型芯片，其TXD、RXD與單片機的串口引腳相連，通過電力線L/N接口將二氧化碳濃度數據傳輸給遠端；液晶屏選擇LCD1602液晶模塊，通信方式采用并行總線，將二氧化碳濃度數據通過液晶顯示。系統過程為SGP-30氣體傳感器先采集數據，51單片機最小系統再將這些數據通過電力載波通信技術傳給另一個51單片機最小系統，液晶屏顯示該數據并通過串口上傳給電腦存儲。主控硬件系統結構框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統結構框圖

2 軟件設計

該監測系統的軟件設計采用主從結構，分為二氧化碳濃度數據的接收與發送兩個部分。系統設置定時器中斷，在規定的時間內完成數據的采集和收發。發送部分在系統和二氧化碳傳感器初始化后，開始進行二氧化碳氣體濃度采集，并對采集后的數據進行濾波處理，再通過電力載波模塊在交流電壓220 V的電力線上發送給接收端；接收部分在系統初始化后，通過電力載波模塊接收發送端傳輸的二氧化碳濃度數據，將數據顯示在液晶屏上并通過RS232串口總線傳輸給電腦進行存儲。虛線部分代表系統通過電力載波模塊進行數據傳輸，具體軟件流程如圖2所示。

圖2 系統軟件流程圖

3 濾波算法

卡爾曼濾波具有預算快、實時性高的特點，是最為廣泛的濾波方法之一，在通信、導航、制導與控制等多個領域取得了較好的應用效果[7-9]。本文根據二氧化碳濃度監測系統的特點，采用卡爾曼濾波濾除信號干擾噪聲。系統的狀態方程（1）和觀測方程（2）為：

式中，Xk表示k時刻的系統狀態變量；Xk-1表示k-1時刻的系統狀態變量；Uk表示k時刻的系統控制量；Wk表示系統固有擾動；A、B表示系統參數；Zk表示k時刻的測量值；H表示測量系統的參數；Vk表示測量的噪聲。

通過上面兩個方程，假設現在的系統狀態是k，根據系統的模型，可以由系統的上一狀態的估計值預測出現在狀態的估計值同時也可推出新的協方差矩陣卡爾曼濾波更新方程（3）和（4）為：

綜合方程（1）至（7），參數A取1、B取0、H取1，Vk是均值為0、預測方差Rk為1，Wk是均值為0、觀測方差Qk為0.1。

4 數據分析

將二氧化碳濃度監測裝置安裝在畜舍內，分別將電力載波模塊L/N端口與電力線的零線和火線相連，監測系統部分使用5 V直流電壓供電，電力傳輸部分使用220 V交流電壓。為驗證二氧化碳濃度采集系統的穩定性和濾波效果，分別在二氧化碳濃度約為528 ppm和612 ppm時各取200個采樣數據進行濾波和數據分析。濾波效果如圖3所示，其中的測量值為SGP-30氣體傳感器的原始讀取數據，濾波值為原始數據經卡爾曼濾波后的處理數據，實際值為鑫思特HT-2000型二氧化碳氣體監測儀獲取的數據。從圖中可以看出，經卡爾曼濾波后的曲線比測量曲線的誤差更小，更加接近實際曲線。

為了準確計算誤差，分別對圖3中528 ppm二氧化碳濃度和612 ppm二氧化碳濃度的曲線進行數據統計分析，得出數據誤差如表1和表2所示。在528 ppm的數據誤差表中，計算得出經卡爾曼濾波后的二氧化碳濃度數據的最大誤差、平均誤差與均方根誤差分別比未濾波的數據小了3.229 ppm、0.637 ppm和0.887 ppm；在612 ppm的數據誤差表中，計算得出經卡爾曼濾波后的二氧化碳濃度數據的最大誤差、平均誤差與均方根誤差分別比未濾波的數據小了4.391 ppm、0.815 ppm和1.062 ppm。

表1 528 ppm的數據誤差

表2 612 ppm的數據誤差

圖3 二氧化碳數據卡爾曼濾波圖

5 結論

本文設計的基于電力載波的畜舍二氧化碳濃度監測系統有效地解決了我國中小型養殖場通過人工方式觀測畜舍環境信息時，不僅費時費力且監測結果不準確、不方便的問題。采用卡爾曼濾波模型，通過硬件與軟件的結合，有效地濾除了外界干擾噪聲。在畜舍安裝采集裝置，設計現場試驗，驗證了系統的穩定性和卡爾曼濾波效果。在二氧化碳濃度分別約為528 ppm和612 ppm時進行試驗分析，結果表明該系統具有工作穩定和大幅度減少噪聲干擾的性能。本系統的設計為畜舍環境自動監測提供了技術支撐。