張浩華, 趙小姝, 于欣禾, 程立英, 馬世軍

(沈陽(yáng)師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽(yáng) 110034)

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基于Arduino的溫棚養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

張浩華, 趙小姝, 于欣禾, 程立英, 馬世軍

(沈陽(yáng)師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽(yáng) 110034)

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和進(jìn)步,智能農(nóng)業(yè)設(shè)備開(kāi)始進(jìn)入人們的視野并逐漸融入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。以Arduino為主控板的溫棚養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì),根據(jù)現(xiàn)代化養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境指標(biāo)(主要包括溫度、濕度、有害氣體等)需求的分析,利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單、高效、低成本和低功耗的溫棚養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)DHT11溫濕度傳感器、TGS4160型CO2傳感器以及NH3傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量溫棚內(nèi)的環(huán)境指數(shù),利用基于Atmega328P單片機(jī)的Arduino UNO硬件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析,使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到Y(jié)eelink平臺(tái),即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)以及異地監(jiān)控,也便于對(duì)溫棚養(yǎng)殖環(huán)境實(shí)施長(zhǎng)期監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。

Arduino; 傳感器; 環(huán)境監(jiān)測(cè); 遠(yuǎn)程監(jiān)控

0 引 言

溫棚養(yǎng)殖在禽類養(yǎng)殖業(yè)中占據(jù)重要地位,棚內(nèi)環(huán)境直接影響禽類生長(zhǎng)。例如,在肉雞養(yǎng)殖過(guò)程中,溫棚接近為一個(gè)封閉的環(huán)境系統(tǒng),該環(huán)境內(nèi)的溫度、濕度、氣流、有害氣體濃度等因素對(duì)于肉雞的生長(zhǎng)起到至關(guān)重要的作用[1]。隨著科技的進(jìn)步和大規(guī)模養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展,依靠傳統(tǒng)技法采用人工控制環(huán)境指數(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)生活對(duì)于養(yǎng)殖業(yè)的要求,傳統(tǒng)的養(yǎng)殖業(yè)正伴隨著科技的發(fā)展向現(xiàn)代化的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)信息化養(yǎng)殖業(yè)方向轉(zhuǎn)型[2]。因此,研究溫棚環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)設(shè)施研制人員關(guān)注的焦點(diǎn),也是傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)向現(xiàn)代化養(yǎng)殖業(yè)邁進(jìn)的重要一步。

近年來(lái),已經(jīng)有大量的專家學(xué)者對(duì)溫棚養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行研究,雖然這些研究已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展,但都側(cè)重于某一單一方面,無(wú)法系統(tǒng)的反應(yīng)溫棚環(huán)境中各因素的動(dòng)態(tài)變化對(duì)禽類生長(zhǎng)的影響。例如文獻(xiàn)[3]的研究側(cè)重于環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié),文獻(xiàn)[4]雖然在關(guān)注溫棚環(huán)境溫度的同時(shí)增加了對(duì)溫棚環(huán)境濕度的監(jiān)測(cè)但仍然不夠全面。本次設(shè)計(jì)在以往學(xué)者研究的基礎(chǔ)上加入了現(xiàn)今較為熱門的Arduino UNO控制板以及Yeelink遠(yuǎn)程控制平臺(tái),使設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)便,使用更為方便。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的基于Arduino的溫棚養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng), 以原有的溫棚溫控系統(tǒng)為原型, 改傳統(tǒng)的單片機(jī)控制為Arduino UNO硬件控制, 將單一的測(cè)溫模塊改為溫濕度測(cè)量模塊, 增加了CO2傳感器和NH3傳感器, 以及報(bào)警電路, 更精確的測(cè)量出雞舍內(nèi)的環(huán)境參數(shù), 既能夠?yàn)槿斯ふ{(diào)控雞舍環(huán)境提供參照, 也能夠減少因人工懶惰而造成的經(jīng)濟(jì)損失。 同時(shí),在設(shè)計(jì)中創(chuàng)新性的加入了無(wú)線通信模塊, 將現(xiàn)場(chǎng)采集到的環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)結(jié)eelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[5], 即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控, 也可利用Yeelink的數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)功能進(jìn)行數(shù)據(jù)長(zhǎng)期保存和分析。 另外,本系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì), 一旦系統(tǒng)發(fā)生故障, 可對(duì)單一模塊進(jìn)行檢測(cè), 避免了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的大范圍檢測(cè), 提高了系統(tǒng)的工作效率。 與其他同類溫棚養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)相比, 具有低功耗、低成本、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作性強(qiáng)等特點(diǎn), 具有很好的實(shí)用性。 系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 Arduino主控板

Arduino是一款開(kāi)源硬件平臺(tái),核心設(shè)備是Atmega328的微控制器[6],具有32 KB Flash、1 KB EEPROM、14路數(shù)據(jù)I/O口(其中6路可作為PWM輸出)和6路模擬輸入口,內(nèi)部封裝了多種常用開(kāi)發(fā)庫(kù)以及多種常用傳感器測(cè)量的庫(kù)函數(shù)[7-10],可供開(kāi)發(fā)者直接調(diào)用,大大簡(jiǎn)化了傳感器測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.2 溫濕度測(cè)量模塊

圖2 溫濕度測(cè)量電路圖Fig.2 Temperature and humidity measurement circuit

溫濕度測(cè)量模塊采用設(shè)計(jì)中較為流行的DHT11溫濕度測(cè)量傳感器。DHT11溫濕度傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件,采用8位溫度和8位濕度數(shù)字信號(hào)輸出,即采用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù),具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性[11]。DHT11溫濕度傳感器可以檢測(cè)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)環(huán)境溫度、濕度指標(biāo),其溫度檢測(cè)范圍為0～50 ℃,溫度檢測(cè)精度為1 ℃,其相對(duì)濕度檢測(cè)范圍為20%～90%RH,檢測(cè)精度為1%RH,且兩次讀取傳感器數(shù)據(jù)的采樣周期間隔不低于1 s。同時(shí),該傳感器具有體積小、功耗低、響應(yīng)快、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn),能夠滿足本次設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)要求。溫濕度測(cè)量電路圖如圖2所示。

2.3 有害氣體檢測(cè)模塊

溫棚內(nèi)的有害氣體主要包括CO2和NH3兩種氣體,因此,本次設(shè)計(jì)的有害氣體檢測(cè)模塊選用了TGS4160型CO2濃度檢測(cè)傳感器[12]、MIC-NH3型NH3濃度檢測(cè)智能傳感器。

圖3 二氧化碳測(cè)量電路圖Fig.3 Carbon dioxide measurement circuit diagram

TGS4160是農(nóng)業(yè)大棚中常用的CO2濃度檢測(cè)傳感器,測(cè)量范圍為300～50 000 ppm,加熱器電壓為5 V±0.2VDC,對(duì)環(huán)境濕度依賴性極低,靈敏度高,壽命長(zhǎng),符合本次設(shè)計(jì)要求。二氧化碳測(cè)量電路圖如圖3所示。MIC-NH3是常用的NH3濃度檢測(cè)傳感器,其測(cè)量范圍在0～5 000 ppm,分辨率為1 ppm,電流輸出為4～20 mA,響應(yīng)時(shí)間不高于30 s,且采用2路無(wú)源節(jié)點(diǎn)信號(hào)輸出報(bào)警,具有極高的穩(wěn)定性和可靠性。

2.4 無(wú)線通信模塊

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)以無(wú)線多跳的方式自組織成網(wǎng)絡(luò)[13],將多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)安置到需要監(jiān)控的區(qū)域,通過(guò)特定的算法,以無(wú)線的方式建構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接到因特網(wǎng),從而將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到管理平臺(tái)。

本次設(shè)計(jì)的無(wú)線通信模塊由nRF24L01單片無(wú)線收發(fā)器芯片[14]、Arduino的接口板和天線3部分構(gòu)成。其中nRF24L01單片無(wú)線收發(fā)器芯片是世界通用的ISM頻段的單片機(jī)無(wú)線收發(fā)芯片,工作頻率在2.4～2.5 GHz,并內(nèi)置頻率發(fā)生器、功率放大器、增強(qiáng)型SChockBurstTM模式控制器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器,功耗低,有多種頻道選擇和協(xié)議選擇。通過(guò)Arduino接口板完成主控制器對(duì)nRF24L01單片無(wú)線收發(fā)器的初始化,保證主控板與無(wú)線通信模塊的通信,同時(shí),無(wú)線通信模塊也將采集到的溫棚環(huán)境信息上傳到Y(jié)eelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),進(jìn)行數(shù)據(jù)保存和分析。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 溫棚溫濕度測(cè)量主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)后,首先進(jìn)行環(huán)境的溫度、濕度采集并將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。當(dāng)檢測(cè)到的溫度低于系統(tǒng)設(shè)定的溫度下限時(shí),啟動(dòng)風(fēng)爐、關(guān)閉天窗,對(duì)溫棚進(jìn)行輔熱升溫;當(dāng)檢測(cè)到的溫度高于系統(tǒng)設(shè)定的溫度上限時(shí),啟動(dòng)風(fēng)扇、打開(kāi)天窗,以加快空氣流動(dòng)的方式降低溫棚溫度。當(dāng)檢測(cè)到的濕度大于系統(tǒng)所設(shè)的濕度上限,啟動(dòng)風(fēng)爐,對(duì)雞舍進(jìn)行輔熱去濕;當(dāng)檢測(cè)到的濕度低于系統(tǒng)所設(shè)的濕度下限,啟動(dòng)噴霧,增加溫棚環(huán)境濕度。溫棚溫濕度調(diào)節(jié)流程圖如圖4所示。

3.2 有害氣體檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

有害氣體檢測(cè)模塊對(duì)溫棚內(nèi)的CO2和NH3的濃度進(jìn)行檢測(cè),將檢測(cè)到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為可顯示的數(shù)字信號(hào)并在顯示裝置上顯示出來(lái),再將檢測(cè)到的數(shù)值與系統(tǒng)設(shè)定的閾值范圍進(jìn)行比較,若超出系統(tǒng)設(shè)定的氣體濃度范圍,則啟動(dòng)聲光報(bào)警電路,反之不報(bào)警,電路跳轉(zhuǎn)到氣體濃度檢測(cè)環(huán)節(jié)。有害氣體檢測(cè)報(bào)警程序流程圖如圖5所示。

3.3 Yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)計(jì)

Yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是國(guó)內(nèi)較早提供的免費(fèi)傳感器數(shù)據(jù)接入管理的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商[15]。用戶可以在Yeelink網(wǎng)站上對(duì)傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)和管理,且該平臺(tái)為用戶提供了海量的傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,并能根據(jù)用戶的需求設(shè)計(jì)一系列的動(dòng)作,如發(fā)送郵件、發(fā)送自動(dòng)控制指令等。用戶可以通過(guò)智能設(shè)備上安裝的應(yīng)用程序,經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)訪問(wèn)Yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)查看所監(jiān)測(cè)的傳感器數(shù)據(jù)。

圖4 溫棚溫濕度調(diào)節(jié)流程圖

圖5 溫棚有害氣體檢測(cè)報(bào)警程序流程圖

首先,在Yeelink官方網(wǎng)站上注冊(cè)一個(gè)Yeelink賬戶,注冊(cè)后可得到一個(gè)唯一的API-Key。接下來(lái)在用戶中心界面添加新設(shè)備,再進(jìn)入設(shè)備管理界面,在設(shè)備管理界面中添加新的傳感器,選擇相應(yīng)的傳感器類型,確認(rèn)添加后便可獲得傳感器的URL。用戶可通過(guò)對(duì)URL的一個(gè)HTTP POST請(qǐng)求創(chuàng)建一個(gè)新的設(shè)備[16]。在Yeelink中創(chuàng)建一個(gè)新設(shè)備的要點(diǎn)如表1所示。

表1 在Yeelink中創(chuàng)建新設(shè)備的要點(diǎn)Tab.1 Key points for creating new devices in Yeelink

4 系統(tǒng)性能分析

本系統(tǒng)的特點(diǎn)在于將傳統(tǒng)單一的環(huán)境溫度測(cè)量模塊改為溫濕度測(cè)量模塊,有效減少了因環(huán)境濕度造成的環(huán)境溫度偏差,更準(zhǔn)確的反應(yīng)了溫棚環(huán)境的真實(shí)參數(shù)。增加了CO2和NH3濃度測(cè)量傳感器,為溫棚內(nèi)的空氣凈化提供了一定的參照,為禽類提供了更加舒適的生長(zhǎng)環(huán)境。本系統(tǒng)中還加入了無(wú)線通信模塊,能夠利用Yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)對(duì)溫棚環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控,彌補(bǔ)了以往溫棚測(cè)溫系統(tǒng)只能在溫棚內(nèi)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度的局限性,大大提升了工作效率。

5 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的溫棚溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能單一,測(cè)溫周期長(zhǎng),需要大量的人力支持,且一旦發(fā)生故障需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行故障檢修,效率低下,無(wú)法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)力的發(fā)展要求。本次設(shè)計(jì)的基于Arduino的溫棚養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)能夠在完成傳統(tǒng)測(cè)溫過(guò)程的基礎(chǔ)上增加有害氣體檢測(cè),使得養(yǎng)殖戶和技術(shù)人員對(duì)溫棚內(nèi)的環(huán)境的了解更加精確,有利于通過(guò)人工調(diào)控溫棚環(huán)境提升禽類的出肉率(或產(chǎn)蛋率),增加養(yǎng)殖效益。同時(shí),互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的設(shè)計(jì),Yeelink的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理功能也為技術(shù)人員掌控雞舍環(huán)境創(chuàng)造了便利,極大的減少了技術(shù)人員的人力投入,具有較強(qiáng)的可靠性和實(shí)用性。

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Arduino based greenhouse cultivation environment monitoring system

ZHANGHaohua,ZHAOXiaoshu,YUXinhe,CHENGLiying,MAShijun

(College of Physical Science and Technology, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

With the development and progress of modern science and technology, intelligent agricultural equipment began to enter people’s vision and gradually integrated into agricultural production. Greenhouse cultivation environment monitoring system using Arduino as the core control module, and a serious analysis of modern farming environment requirements (including temperature, humidity, harmful gases, etc.). It uses advanced sensor technology and wireless network transmission technology to design a greenhouse cultivation environment monitoring system is simple and efficient, low cost and low power consumption. The DHT11 temperature and humidity sensor, TGS4160 CO2sensor and NH3sensor are used to real-time measurement of henhouse environment index. The data acquisition and analysis using UNO Arduino hardware platform based on Atmega 328P, and then use the wireless network transmission module to transmit real-time data to the Yeelink platform. It is not only convenient for real-time data measurement and remote monitoring, but also can be stored and analyzed greenhouse cultivation environment data for a long-term.

Arduino; sensor; environment monitoring; remote monitoring

2016-07-06。

遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2013418); 遼寧省科技廳博士啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(20141091)。

張浩華(1977-),男,遼寧沈陽(yáng)人,沈陽(yáng)師范大學(xué)副教授,博士。

1673-5862(2016)04-0454-05

TP273

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.04.016