基于單片機的養牛監測系統設計與實現

蔡春成，郭 鵬

（天津農學院 計算機與信息工程學院，天津 300384）

牛舍環境影響牛只的身體健康和生產水平，監測牛只身體狀況和牛舍環境狀況可以為牛舍環境調控提供依據，不僅對養牛效益產生重要的影響，也符合動物福利的要求[1]。農業物聯網利用傳感器對生產進行監測，通過網絡傳輸技術將采集到de 數據傳輸到計算機中，由計算機對數據進行分析處理，根據處理結果啟動相應的反饋裝置，可以實現精準化管理[2]，提高生產效率。本文提出了基于單片機的養牛監測系統，系統使用單片機控制傳感器實時監測牛舍的環境和牛只身體狀況，利用ZigBee 網絡將采集到的數據傳輸到數據中心計算機，用戶可以在計算機上查看監測的數據信息，為后續的養牛智能化自動控制提供技術準備。

1 系統構成

養牛監測系統硬件由計算機、單片機、傳感器和ZigBee無線網絡組成。

1.1 Arduino單片機

單片機是整個系統的控制核心。系統加電后，單片機檢查ZigBee 網絡和各種傳感器是否能正常工作，在發現故障后將錯誤信息顯示在連接的顯示屏上。單片機在系統進入工作狀態后將接收到的監測據發送到數據中心的計算機。本系統選用Arduino UNO REV3 單片機開發板[3]，通過集成開發環境編寫程序并完成燒錄實現對單片機的程序設計。

1.2 MPU6050運動傳感器

MPU6050 運動傳感器集成了3 軸MEMS 陀螺儀、3 軸MEMS 加速度計以及一個可擴展的數字運動處理器，分別使用3 個16 位的數模轉換裝置將其測量的模擬信號量轉化為可輸出的數字信號量，可以精確地監測物體運動狀況[4]。

1.3 DS18B20數字體溫傳感器

DS18B20 測溫傳感器內的低溫度系數振蕩器的振蕩頻率受溫度的影響很小，使用它產生固定頻率的脈沖信號，并將信號送給低溫振蕩器減法計數器；高溫度系數振蕩器的振蕩頻率的改變隨溫度變化明顯，它產生的信號作為高溫振蕩器計數器脈沖輸入。DS18B20 利用兩種振蕩器產生的不同信號實現溫度的測量[5]。

1.4 溫濕度感知器

本設計選用DHT11溫濕度傳感器，該傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC 測溫元件，具有體積小、功耗低的優點[6]。

1.5 MQ-135氣體傳感器

氨氣、硫化物等有害氣體不利于牛只的健康，二氧化錫的電導率隨污染氣體濃度的增加而增大，利用二氧化錫的這種特征可以實現對有害氣體的監測，以二氧化錫作為氣敏材料的MQ-135 傳感器對有害氣體靈敏度高，監測效果比較好[7]，本設計選用MQ135傳感器監測牛舍中有害氣體的含量。

2 工作流程

養牛監測系統在加電后首先初始化單片機，并啟動Zig-Bee 網絡，網絡啟動成功后單片機利用網絡將傳感器采集的數據傳輸到計算機中，在計算機中顯示監測數據，并對數據進行分析處理；網絡啟動失敗，則再次嘗試連接網絡，多次失敗后提示系統故障，結束啟動嘗試。工作流程見圖1。

圖1 工作流程圖Fig 1.Workflow diagram

3 實驗驗證

本系統將溫度和濕度及空氣質量傳感器固定在牛棚內，牛只運動傳感器和體溫傳感器使用項圈掛在牛只頸部，實現對牛棚內環境和牛只體溫和運動狀況等信息的監測。本系統計算機端軟件使用Python 語言編程實現，2022 年9 月在天津某奶牛公司進行了監控實驗。計算機端程序接收到傳感器采集的數據顯示結果見圖2。從圖中顯示結果中可以知牛棚內溫度27.5℃、濕度40%、空氣質量指數36、牛的體溫39.69℃和牛只運動狀況數據。其中運動監測數據中的GX代表繞X軸旋轉的角速度，GY 代表繞Y軸旋轉的角速度，GZ 代表繞Z軸旋轉的角速度；AX 代表X軸方向加速度，AY 代表Y軸方向加速度，AZ 代表Z軸方向加速度；g 代表重力加速度；AQI代表空氣質量指數。

圖2 后臺顯示監測數據Fig.2 Monitoring data displayed in background

在計算機中可以查看牛棚環境數據，一天時間監測的溫度、濕度和空氣污染指數變化見圖3。

圖3 牛棚內1 d溫度、濕度和空氣污染指數變化圖Fig.3 Changes of temperature,humidity and air pollution Index in the cowshed

4 結語

本文針對牛舍環境和牛身體狀況的信息采集，設計了基于單片機養牛監測系統。該系統實現了牛只體溫、運動狀況和牛舍溫度濕度以及有害氣體信息的采集，使用ZigBee 網絡將監測信息傳輸到計算機中，實現了養牛過程中所需要的遠程牛舍環境和牛只個體的遠程監測，本系統具有設置簡單、性價比高的優點，為基于物聯網的奶牛養殖系統的發展提供了借鑒。