基于Arduino控制板的雞舍有害氣體檢測系統設計

楊獻峰　孫甲霞等

摘要：針對現代化養雞場生產過程中需要對雞舍中的有害氣體進行檢測，以便為蛋雞的生產決策服務，設計了一種基于Arduino控制板的雞舍有害氣體無線采集系統。設計采用Arduino控制板作為控制核心，結合使用CO2、NH3和H2S等傳感器和無線數據收發模塊，實現了對雞舍特征信息的采集、數據處理及顯示報警等功能，非常適用于現代家禽生產過程中對雞場信息進行快速采集。

關鍵詞：Arduino控制板；數據采集；有害氣體；傳感器

中圖分類號：TP277；S126 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）15-3760-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.15.047

Abstract： In the productive process of modern henhouse，it is needed to collect the information of harmful gases in the henhouse， which contributes to the decision about the layer production，so a wireless project based on Arduino control board for the detecting of harmful gas was designed. The system took Arduino control board as the control core，combining with wireless UART module（CO2，NH3，H2S） and sensor module，and the functions including information collection，data processing and alarm indication were realized. In general， the system was suitable for modern poultry production for fast acquisition of harmful gas.

Key words： Arduino control board； data acquisition； harmful gas； sensor

中國現代養殖的規模越來越大，集約化程度也越來越高，對養殖環境提出了更高的要求。雞舍環境的控制是雞場管理中的一項重要內容，包括雞舍的溫度、空氣的質量等，其中最重要的就是對雞舍空氣質量的管理。通風良好的養殖環境可以顯著提高養殖的成活率并減少疾病的發生[1-3]。因此，如何檢測和減少養雞場中的有害氣體，對養殖企業來說非常關鍵。

不少養雞場采用人工通風、人工噴灑消毒劑等方法來減少雞場的有害氣體，但這些方法顯得越來越落后。也有養雞場采用微控制器對雞舍的有害氣體進行采集和控制[4，5]，但存在著一些弊端。為了提高和加快雞場養殖的信息化，提高養殖企業的經濟效益，降低人工勞動強度，考慮雞舍不太適合進行有線施工的實際情況，結合嵌入式技術和數據的無線傳輸，設計了一種基于Arduino控制板的雞舍有害氣體無線采集系統[5，6]。該設計將采集到的雞舍CO2、NH3、H2S等主要有害氣體信息及雞舍環境的溫度和濕度等信息通過控制芯片處理后，經過無線傳輸把雞舍的相關環境信息傳給上位機，在上位機顯示界面上實時動態顯示出來。并將接收到的數據生成相應的數據庫，方便進行雞舍環境數據的分析，為雞舍的生產和管理提供依據。該系統設計具有施工容易、成本低、工作穩定等特點。

1 系統整體設計

系統由Arduino控制板、CO2傳感器、H2S傳感器、NH3傳感器、空氣溫濕度傳感器、光照轉換模塊和無線串口數據收發模塊組成，其中Arduino控制板作為系統的控制核心，負責采集雞場環境數據，然后按照一定的通信協議傳輸給控制臺[7，8]。系統的結構框圖如圖1。

2 系統硬件設計

2.1 Arduino單片機控制板

Arduino是目前流行的源于意大利的開源硬件。其硬件完全開源，軟硬件完全免費，具有良好的基于C語言的集成開發環境（IDE），任何組織和個人都可以免費使用。具有簡單、易使用的特點，非常容易上手。硬件平臺上面預留了IO口、I2C等接口，方便和外部電路進行互連互通，尤其和各類傳感器的連接十分簡單。另外大量的公司和個人愛好者也開發了多種Arduino外圍功能電路供選擇，如電機的驅動、無線通信、USB接口、CAN總線等。

設計將Arduino UNO R3作為控制單元，該版本是Arduino USB接口系列的最新版本，使用ATmega328作為核心控制單元，有14路數字IO（其中6路可以作為PWM輸出），6路模擬輸入，另外該控制板還支持I2C和串行外設接口（SPI）通信協議。

2.2 光照度模塊單元

光照度傳感器的基礎為光電轉換器件的光電效應，可以將光照度轉換為電壓值，以方便控制芯片對光照進行檢測和控制。光照度傳感器一般由光源、光學電路和光電器件等組成，在控制和檢測方面應用非常廣泛。

設計中使用的光照度傳感器為HA2003，其內部采用原裝內置16位模擬數字轉換器的芯片BH1750FVI，檢測范圍為0～216-1，該模塊直接輸出反映光強弱的數字信號，免去了復雜的計算和標定。另外該模塊支持I2C通信協議，和單片機的端口直接對接，非常容易在系統中進行擴展而無需任何附加電路，適合廣泛應用在溫室大棚培育、養殖等行業的光照測量及研究中，其和控制板的連接如圖2。模塊引腳表示如表1。

2.3 空氣溫濕度傳感器模塊

雞舍中的空氣溫濕度數據采集模塊采用SHT11，該傳感器模塊是盛思銳（Sensirion）溫濕度傳感器系列中的產品，該產品提供的輸出數字信號是經過完全標定之后的，無需再經過額外的標定即可使用[9，10]，具有低功耗、體積小、長期穩定性高等特點。與單片機的IO口可以直接連接，使用非常方便。相對濕度范圍：0%～100%，最大誤差±3%RH。溫度工作范圍：-40～125 ℃，溫度最大誤差±0.4 ℃。其與控制板的連接如圖3。

2.4 CO2傳感器模塊

CO2傳感器模塊采用工業級的MG-811 CO2探頭，該傳感器對CO2非常敏感，還能同時排除酒精和CO的干擾。對周圍環境的溫濕度依賴小、工作性能穩定、響應速度快。連接圖如圖4所示。

2.5 H2S傳感器模塊

H2S是有毒氣體，對人和動物都有很大的危害性，人在H2S濃度為300 mg/L的環境中會感覺呼吸困難，濃度為500 mg/L時就會失去知覺，所以非常有必要檢測其濃度，使雞舍的H2S濃度在允許的范圍內。H2S傳感器采用H2S/M-100，該模塊是電流驅動型，需要利用I/V轉換電路，把電流轉變成電壓，然后再經過放大器送入控制芯片處理即可[10-12]。另外該模塊受CO、SO2、NO等其他氣體的干擾較小，還具有體積小、重量輕及安裝使用方便等特點。測量范圍0～100 mg/L，分辨率0.1 mg/L，濕度范圍15%～90 % RH。與終端設備的連接圖如圖5所示。

2.6 NH3傳感器模塊

NH3傳感器模塊采用MQ-137和LM393組成的模塊電路，工作電壓為直流5 V，與控制板連接方便。電平輸出為TTL，可直接接單片機的IO口。具有靈敏性很高、選擇性較多、壽命長、穩定以及響應恢復快速等特點，適合用于禽類養殖等環境中[13]。測試濃度范圍：5～500 mg/L。與終端設備的連接圖如圖6所示。

3 系統軟件設計

系統軟件設計由上位機軟件和下位機兩部分組成。

3.1 底層軟件設計

軟件設計使用keil c51編寫，該軟件開放環境基于C語言。下位機包括主循環、各種傳感器的采集和處理程序及串口發送程序。數據發送的時間間隔為20 s，程序流程圖如圖7。初始化主程序中設置波特率、定時器和中斷操作；傳感器測量程序測量光照度、溫濕度、CO2、H2S和NH3等環境信息，并通過串口發送給控制臺。

3.2 控制臺軟件設計

控制臺軟件采用C#編寫，將采集到的傳感器數據按照一定的協議通過串口發送出去，再把接收的數據經過處理后在對應的顯示控件實時顯示，并繪制成曲線圖顯示，最后可以打印輸出。

4 小結

基于ArduinO控制板的雞舍有害氣體信息無線采集系統能采集雞舍環境的溫濕度，雞舍空氣的光照度、H2S、NH3及CO2等有害氣體的濃度，并能對采集電路的掉電情況進行相關的檢測。整個設計具有采集數據的精度高、操作方便簡單、成本低廉、抗干擾能力強等特點，能對現代養殖業的生產和決策提供真實有效的數據支撐，具有很高的推廣價值。

參考文獻：

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