于 群， 柳平增， 李寶全， 王祥龍， 馮 玲

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安 271018； 2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，山東泰安 271018；3.山東泰山學(xué)院信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山東泰安 271000)

最早進(jìn)行畜禽環(huán)境檢測(cè)控制系統(tǒng)研究的國(guó)家是以荷蘭等以集約型養(yǎng)殖為特點(diǎn)的西方國(guó)家，它們大多由很少的人來(lái)管理一個(gè)較大的畜牧場(chǎng)。而以色列的環(huán)境檢測(cè)控制系統(tǒng)則是比較經(jīng)典的監(jiān)控系統(tǒng)，一是系統(tǒng)地采集了現(xiàn)場(chǎng)的各類有害氣體的數(shù)據(jù)，二是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來(lái)達(dá)到控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的目的，采用模塊化控制器，效果顯著，有很高的實(shí)用性。趙娟從檢測(cè)禽舍環(huán)境因子入手，研發(fā)了雞舍環(huán)境監(jiān)控與管理系統(tǒng)，著力分析了環(huán)境對(duì)蛋雞生長(zhǎng)和產(chǎn)蛋的影響[1]。李文設(shè)計(jì)了基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以對(duì)雞舍內(nèi)的溫度、濕度、光照以及紅外報(bào)警等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控[2]。本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)影響家禽生產(chǎn)性能的各環(huán)境因子進(jìn)行綜合性、連續(xù)性的監(jiān)測(cè)，研究禽舍內(nèi)綜合環(huán)境在不同時(shí)段的變化[3]，實(shí)現(xiàn)禽舍環(huán)境的智能控制。本研究利用物聯(lián)網(wǎng)理論架構(gòu)，在傳統(tǒng)溫度、濕度等環(huán)境指標(biāo)的基礎(chǔ)上增加氨氣、粉塵、風(fēng)速等傳感器節(jié)點(diǎn)，結(jié)合禽舍環(huán)境無(wú)線測(cè)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和GPRS技術(shù)，通過(guò)基于低成本的MSP430微處理器實(shí)現(xiàn)禽舍環(huán)境自動(dòng)化控制。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的禽舍智能控制系統(tǒng)分為4層，即數(shù)據(jù)感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、智能控制層和數(shù)據(jù)管理層[4]。下位機(jī)部分是以MSP430微處理器為核心的數(shù)據(jù)感知、傳輸及控制系統(tǒng)。感知部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)禽舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)，檢測(cè)的內(nèi)容包括溫度、濕度、光照度、風(fēng)速、空氣質(zhì)量?？刂撇糠挚筛鶕?jù)禽舍內(nèi)空氣溫濕度、光照度和空氣質(zhì)量的不同要求，對(duì)降溫風(fēng)機(jī)、暖風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈、濕簾等設(shè)備進(jìn)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(zhuǎn)發(fā)功能外，還須具有信息暫存功能。GPRS無(wú)線傳輸模塊可實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程傳輸。上位機(jī)軟件運(yùn)行在互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器上，屬于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層，在分析全面感知信息的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)禽舍環(huán)境因素的自動(dòng)控制。用戶還可通過(guò)手機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行禽舍環(huán)境的查看及設(shè)備的控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

下位機(jī)硬件模塊以信息處理控制模塊為核心，通過(guò)信息感知模塊采集禽舍環(huán)境信息，同時(shí)將傳感器的數(shù)值傳送給信息處理控制模塊，信息處理控制模塊通過(guò)LED顯示模塊顯示獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)及參數(shù)并同時(shí)自動(dòng)控制整個(gè)禽舍設(shè)備的開關(guān)，數(shù)據(jù)同時(shí)通過(guò)GPRS傳輸模塊上傳至上位機(jī)軟件系統(tǒng)。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(dòng)模式和5種低功耗模式，有超低功耗等特性，在活動(dòng)模式下耗電量?jī)H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(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，采用了RISC結(jié)構(gòu)，1個(gè)時(shí)鐘周期即可執(zhí)行1條指令，所以其在8 MHz晶振工作時(shí)，指令速度可達(dá)8 MIPS；高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊如AD、DA、USART、看門狗、定時(shí)器、DMA、I2C等可根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的模塊?？梢?jiàn)，它作為本系統(tǒng)的主控芯片非常合適。MSP430F54388A引腳數(shù)量多達(dá)100個(gè)，由于引腳無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)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(jìn)而控制繼電器的通斷，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力[6]。

2.3 信息感知模塊

信息采集是物聯(lián)網(wǎng)感知層的主要功能，信息感知模塊采用模塊化的結(jié)構(gòu)形式(圖3)。信息感知模塊負(fù)責(zé)連接各個(gè)傳感器， 采集各個(gè)傳感器的消除重疊在信號(hào)線路上的高頻噪聲。A/D轉(zhuǎn)換器中有片內(nèi)PGA的模數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5522，精度高達(dá)24位，可以電流值并轉(zhuǎn)換成數(shù)值[7]。16路傳感器將采集的電流信號(hào)經(jīng)信號(hào)頻帶低通濾波后，解決所檢測(cè)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍不一樣的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入通道的增益可編程控制；同時(shí)，CS5522的自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)功能消除了一部分由于器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移造成的誤差，使系統(tǒng)精度大大提高，完成對(duì)禽舍環(huán)境因素的準(zhǔn)確采集。光耦隔離可以提高系統(tǒng)整體的抗干擾性，避免一些信號(hào)雜波，提高采集信號(hào)的有效輸入，并采用雙向電路485通信協(xié)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(tǒng)的穩(wěn)定性[8]。

2.4 傳感器

選用較高精度的傳感器是準(zhǔn)確采集禽舍環(huán)境的前提，為了便于輸出采集的信號(hào)和減小信號(hào)的失真，設(shè)計(jì)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(tǒng)以空氣溫濕度傳感器 KM-KWS 作為禽舍測(cè)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(cè)量溫度范圍為-30～70 ℃，精度為 ±0.2 ℃，測(cè)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(yīng)時(shí)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(tǒng)以兩線制電流環(huán)光照度傳感器NHZD10作為禽舍測(cè)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(lái)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(cè)量輸入光照度范圍為0～200 000 lx，能滿足禽舍光照測(cè)量要求。光照度傳感器的硬件連接如圖5所示。

2.4.3 風(fēng)速傳感器 系統(tǒng)采用三線制電流輸出信號(hào)風(fēng)速傳感器NHFS45AI作為禽舍內(nèi)設(shè)測(cè)量風(fēng)速器件，用于檢測(cè)禽舍每天的通風(fēng)情況。其測(cè)量精確度為0.1 m/s，分辨率為 0.01 m/s，啟動(dòng)風(fēng)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(huán)境對(duì)風(fēng)速的測(cè)量。光照度傳感器的硬件連接如圖6所示。

2.4.4 空氣質(zhì)量類傳感器 禽舍CO2、NH3、CO、PM2.5濃度檢測(cè)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(cè)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(tǒng)采用觸屏LED顯示屏作為用戶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)、修改參數(shù)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(gòu)開發(fā)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(guò)串口向終端發(fā)命令，便可完成相應(yīng)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(shù)據(jù)管理層與系統(tǒng)硬件部分提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。本系統(tǒng)以H7210D GPRS DTU移動(dòng)通信模塊作為物聯(lián)網(wǎng)傳輸層的主要器件[10]，并對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)，該模塊采用分組交換技術(shù)，適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸。GPRS模塊引腳1、3為數(shù)據(jù)的接收發(fā)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(shí)，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(hào)GPRS_LINE，引腳20為GPRS復(fù)位信號(hào)GPRS_RST。通信模塊硬件連接如圖10所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

圖11為禽舍環(huán)境參數(shù)采集控制程序流程。系統(tǒng)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(diào)試，而且還支持軟仿真，用于各個(gè)模塊的測(cè)試開發(fā)，功能強(qiáng)大，效率高[11]。下位機(jī)采用C語(yǔ)言進(jìn)行模塊化編程，對(duì)禽舍內(nèi)環(huán)境(如空氣溫濕度、光照度、風(fēng)速及有害氣體濃度)進(jìn)行采集，將采集值與參數(shù)設(shè)定值范圍進(jìn)行比較，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，將數(shù)據(jù)顯示到現(xiàn)場(chǎng)LED顯示屏上并進(jìn)行相應(yīng)處理后轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)，上位機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理保存。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序開發(fā)環(huán)境為Visual VC++6.0的MFC，主要功能是負(fù)責(zé)向下位機(jī)發(fā)送采集、控制指令，同時(shí)接收并處理下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)并存到數(shù)據(jù)庫(kù)，以供用戶進(jìn)行查看和使用[12]。具體控制流程圖如圖12所示。

系統(tǒng)創(chuàng)建2個(gè)Serive端口，負(fù)責(zé)與下位機(jī)、手機(jī)端、網(wǎng)頁(yè)、個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)進(jìn)行通信。網(wǎng)絡(luò)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，上位機(jī)與下位機(jī)處于連接狀態(tài)，上位機(jī)發(fā)送代碼給下位機(jī)，下位機(jī)執(zhí)行相應(yīng)操作，完成數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，同時(shí)上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后保存在服務(wù)器中[13]。

4 應(yīng)用試驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)能否合理控制禽舍環(huán)境，根據(jù)本地區(qū)的氣候狀況和現(xiàn)場(chǎng)具體情況，本系統(tǒng)以肉雞養(yǎng)殖為例，對(duì)禽舍內(nèi)空氣溫濕度、光照度、風(fēng)速、空氣質(zhì)量等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)采集和分析[14]。從表1可以看出，24 h內(nèi)空氣溫度的平均值為26.048 ℃，與設(shè)定的9～11 d(26 ℃)之間的閾值基本相同，上下波動(dòng)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(zhǎng)濕度，在一個(gè)合理的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)；另外全天光照度和設(shè)定值對(duì)比，波動(dòng)較小，滿足肉雞最佳生長(zhǎng)光照度；另外通過(guò)通風(fēng)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(nèi)，不會(huì)影響肉雞的正常生長(zhǎng)。若關(guān)注24 h內(nèi)空氣溫度，發(fā)現(xiàn)在9 d后的凌晨(表1)溫度低于26 ℃時(shí)，此時(shí)啟動(dòng)了暖風(fēng)機(jī)，溫度緩慢上升到26 ℃左右，直至中午，溫度上升至27 ℃，此時(shí)啟動(dòng)了降溫風(fēng)機(jī)，溫度在14：00恢復(fù)到26 ℃左右。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)通過(guò)采集禽舍環(huán)境參數(shù)，分析數(shù)據(jù)，最終能合理的控制禽舍環(huán)境并保持禽舍環(huán)境參數(shù)在適宜肉雞生長(zhǎng)的范圍，實(shí)現(xiàn)雞舍環(huán)境參數(shù)的智能控制。

表1 9 d后24 h內(nèi)禽舍環(huán)境參數(shù)變化情況

5 結(jié)論

系統(tǒng)對(duì)禽舍環(huán)境進(jìn)行了全方面的感知，并針對(duì)禽舍環(huán)境參數(shù)較難控制等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種以MSP430為控制核心的禽舍環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以從現(xiàn)場(chǎng)或者手機(jī)客戶端進(jìn)行禽舍環(huán)境的參數(shù)預(yù)設(shè)、查看及設(shè)備控制，一旦環(huán)境參數(shù)超出了設(shè)定的范圍，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行控制程序，對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作[15]。方便管理人員隨時(shí)查看各種信息，有利于養(yǎng)殖戶的集中管理，實(shí)現(xiàn)雞舍養(yǎng)殖的智能化及現(xiàn)代化。同時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的大量數(shù)據(jù)可以供養(yǎng)殖戶進(jìn)行查看，有利于通過(guò)科學(xué)養(yǎng)殖來(lái)獲取更高的經(jīng)濟(jì)效益[16]。

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