基于無線傳感網絡的智能畜禽舍環境控制系統設計

陳熔+丁凱

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.13.051[HT9.]

摘要：畜禽養殖在我國農業生產中占有十分重要的地位。為了確保畜禽產量，絕大多數采用封閉式的養殖方式，這種方式具有很多的優點，但畜禽養殖場的惡劣環境容易引起動物傳染病，嚴重的會造成畜禽大面積死亡，給養殖戶帶來巨大的經濟損失。基于無線傳感技術，以畜禽養殖為例分析了影響畜禽生長的主要環境因素，將溫度、濕度、氨氣、硫化氫、二氧化氮等作為監控對象，設計了一套畜禽舍環境智能控制系統。該系統能夠實時檢測畜禽生長環境數據，實現對畜禽舍實時遠程控制，具有組網靈活性好、可靠性高等特點，具有一定的應用和推廣前景。

關鍵詞：無線傳感；畜禽舍；環境監控

中圖分類號： S126；TP273文獻標志碼： A[HK]

文章編號：1002-1302（2017）13-0185-04[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2017-02-21

基金項目：江蘇省科技支撐計劃（編號：BE20134138）；2014年江蘇省“青藍工程”優秀青年骨干教師培養計劃。

作者簡介：陳熔（1975—），男，江蘇泰州人，碩士，副教授、工程師，主要從事農業信息技術研究。Tel：（0523）86158089；E-mail：Rongc@163.com。

[ZK）]

我國是農業生產大國，畜禽種類多、數量大，畜禽養殖業在農業生產中占有十分重要的地位。為了保障農畜產品的供應，大量采用封閉式的養殖方式，這種方式具有很多的優點，但飼養風險卻在成倍增加。封閉式畜禽舍中環境因素對畜禽的生長繁殖影響較大，直接影響畜禽的健康。因此，利用現代通信技術，根據畜禽舍環境特點，對畜禽生長環境參數進行準確、實時的監控是保障農產品供給安全，實現農業增效、農民增收的重要手段[1]。

在無線傳感技術的基礎上，設計了一種智能畜禽舍控制系統。該系統能實時檢測環境因子，通過控制模塊實時調節環境參數，為畜禽生長提供安全、健康的環境，實現了畜禽養殖的自動控制及高效管理，保障了畜禽養殖業的可持續發展[2]。

1畜禽舍環境對畜禽健康的影響

畜禽養殖與其所處的環境有著密不可分的關系，影響畜禽生長的環境因素比較多，環境因素之間相互聯系而又相互影響。畜禽舍環境控制常見標準見表1。

適合畜禽生長的環境標準見表1，但在實際生產中，畜禽舍的環境隨著季節的變化起伏很大，很難將環境維持在適合生長的狀態下。為了營造畜禽健康生長的環境，就必須人為地對畜禽舍環境進行控制，最大限度地降低環境因素對畜禽生長的影響[3]。

1.1濕度

在畜禽舍內空氣中的水分來自舍外的空氣水分、畜禽自身分泌（如糞便、呼吸等）、舍內設備和設施表面蒸發產生的水汽（如水槽等）。在一般情況下，濕度對畜禽生長不會有太大的影響，但在特別潮濕的環境中，病原體極易繁殖，容易引起傳染疾病流行。

1.2溫度

溫度對畜禽的生長、繁殖、產乳、產蛋都有著巨大的影響。影響畜禽舍溫度的因素較多，如光照的影響、畜禽自身散熱以及季節變化造成溫度改變等。溫度過度變化會降低飼料的轉換率，引起畜禽的應激反應[4]。

1.3光照度

光照對畜禽生理有著調節作用，直接或間接影響畜禽的攝食、晝夜活動規律和生長規律。適當的光照對畜禽的生長和繁殖是有益的，但在封閉式養殖場中光照過強，畜禽容易患光照性眼炎；若光照過弱，也會造成畜禽生長發育不健康，對雞影響尤為嚴重，會造成雞生產力降低。

1.4氨氣

畜禽舍中的氨氣主要是由動物的排泄物以及飼料、墊草等含氨的有機物分解所產生。少量的氨氣對畜禽的免疫力會造成影響，但不會造成直接的傷害；當氨氣濃度過高時，會對畜禽眼睛、呼吸道以及神經系統產生強烈的刺激，引發皮膚灼傷、氣管炎、中樞神經麻痹等疾病。

1.5二氧化碳

畜禽舍中二氧化碳主要源自畜禽的呼吸。二氧化碳濃度過高時，畜禽舍中的氧氣含量就會下降，從而造成畜禽缺氧，引起畜禽食欲不振、生長減緩、精神萎靡不振[5]。

1.6硫化氫

硫化氫產生的途徑主要來自畜禽的糞便分解。硫化氫含量過高會使畜禽體質變弱、抵抗力下降，破壞畜禽的呼吸系統和中樞神經系統，引發畜禽中毒、心臟衰竭等。

2系統總體設計方案

2.1系統設計要求

本系統使用的平臺為Windows 10（向下兼容），數據庫為SQL Server 2008，軟件系統使用IAR Embedded Workbench平臺的C語言制作。遠程平臺通過網頁（WEB）形式訪問，能防止黑客襲擊和網絡攻擊，需設定嚴格的權限管理，同時能允許200個用戶并發訪問，能夠實現數據遷移等。

硬件設備要求能在-30～40 ℃環境中工作，光照傳感器最小分辨率為0.05 lx，溫度傳感器最小分辨率為0.5 ℃，濕度傳感器最小分辨率為0.5% RH，二氧化碳傳感器最小分辨率為5 mg/L，氨氣傳感器最小分辨率為0.5 mg/L，硫化氫傳感器最小分辨率為0.5 mg/L[6]。

2.2軟硬件設備結構設計

畜禽舍環境監控系統是一項綜合性的工程，包含了畜禽養殖技術、計算機控制技術、組網通信技術和無線傳感技術等。根據畜禽舍養殖環境以及實現的功能，本系統可分為三大部分：環境監控系統、數據通信系統、數據及遠程查詢系統[7]，系統整體結構見圖1。

[FL（2K2]本系統利用畜禽舍里安裝的無線傳感器實時采集現場的溫度、濕度、光照度、氨氣濃度等環境因子數據，通過ZigBee將采集到的數據傳送到網絡協調器，網絡協調器通過有線的方式把數據傳送到上位機。上位機實時顯示采集數據，并通過圖形方式直觀地展示，當畜禽舍監控環境因子超出監測的范圍，上位機程序會發出報警信息，并通過控制單元啟動風機、濕簾等設備調節畜禽舍環境，為畜禽養殖營造健康、舒適的生長環境，促進畜禽健康成長[8]。endprint

3系統硬件設計及工作原理

3.1系統總體設計

控制節點硬件主要由中央處理器AT89S52、GPRS無線傳輸模塊、無線傳感協調器、復位電路系統、電源系統、報警系統、以太網、LCD液晶顯示器、MIC輸入電路等組成，硬件總框見圖2。

中央處理器AT89S52是整個系統的核心部分，負責配置系統、紅外信號、遠程控制、提供與外網接口協議和與CC2530信息傳輸接收等功能；無線協調器負責采集周圍環境的信息數據，并將數據傳輸到主控設備，控制器可以通過ZigBee模塊將數據信息發送到用戶手機，使用戶可以實時獲取系統狀態信息。

[HTK]3.2主控模塊[HT]

CC2530是一款專門針對2.4 GHz IEEE 802.15.4和ZigBee應用單芯片系統，具有成本低、性價比高、睡眠模式功率消耗低和轉換時間快等特點，適用于所有低能耗的系統，它將微控制器、主機端及應用程序集合在芯片上。CC2530結合了無線射頻（RF）的優良性能，系統內可編程并有8 kB的RAM和強大的外設支持功能。

[HTK]3.3供電電源電路[HT]

本設計采用雙電源供電方式，由主電源和UPS電源2種模式組成。主電源供電方式是220 V交流市電，再經過整流、濾[CM（25]波和電壓輸出的直流電壓；UPS電源供電方式是市電停止供電后的主要動力來源，通過UPS電池直接供給系統所需要的直流電壓，以保持系統正常工作。本設計選用了MAX8760EUA芯片和API 119-26芯片來提供1.25 V電壓進行供電[9]。

3.4A/D轉換模塊

采用AD7812轉換器，它具有高速、低能耗、10位模數轉換的功能，采用高速串行接口與數字信號處理器和微控制器串行接口兼容，配置單端或偽差分輸入通道，在多封裝應用中通過芯片引腳連線實現智能選址功能。

3.5信號采集模塊

檢測電路由無線傳感器、A/D轉換模塊ADC0809和電源組成。通過無線傳感器對環境因子進行檢測，然后通過A/D轉換模塊進行數模轉換，最后將數字信號發送給檢測端單片機，檢測端單片機將數字信號處理后傳送給主控模塊[10]。

[HTK]3.6顯示采集模塊[HT]

顯示采集模塊由12864液晶顯示模塊、MAX232串口通信模塊、ZigBee模塊組成。單片機通過MAX232串口傳輸到GRPS模塊中，接收檢測端的無線傳感信號，再通過12864模塊顯示數據信息。

4系統上位機設計

4.1IAR Embedded Workbench集成開發環境

本系統采用的是IAR Embedded Workbench的開發，該軟件采用嵌入式的開發環境，使用簡單、方便，并帶有編譯器、數據庫的管理功能和項目開發工具等。IAR Embedded Workbench for 80517.60的初始界面見圖3。

4.2系統初始化程序設計

系統上電后，首先進行硬件模塊的初始化，來滿足最小系統的運行要求。系統初始化子流程見圖4。

4.3監測模塊程序設計（以氨氣為例）

系統首先要對氨氣模塊進行初始化處理，然后開始采集氨氣傳感器的探測信號，并在有效間隔時間內反復對空氣中的氨氣含量進行檢測和采集，當確定采集到信號后，設置數據發送，將數據發給協調器，最后協調器把數據發給主控中心。檢測模塊設計見圖5。

4.4ZigBee軟件設計

ZigBee軟件設計流程見圖6。ZigBee通過AT命令進行

系統遠程監控，首先進行的是串口及ZigBee模塊初始化，若初始化成功， 則同時進行兩部分工作： （1）查詢短消息， 若收到消息則解析得出控制碼，并進行相應處理，若沒有收到短消息， 則返回繼續查詢消息； （2）定時發送狀態信息， 若發送成功，則返回，若沒有發送成功，則返回繼續定時發送消息步驟。

4.5終端節點初始化設計

終端節點在上電后，調用sampleapp_init（）函數進行初始化，通過網絡協調器發送網絡應用程序，網絡協調器在其指定地址接收網絡應用程序的終端節點，如果地址分配成功，終端節點將地址信息存儲到自身的RAM或者FLASH中。終端節點初始化設計見圖7。

5結語

本設計針對當前封閉式畜禽養殖方式，以無線傳感網絡為依托，開發了一套畜禽舍環境監控系統，該系統由環境監控

[FK（W19][TPCR777.tif][FK）]

系統、數據通信系統、數據及遠程查詢系統三部分組成，各部分之間具有一定的獨立性，保證了系統的擴展性、安全行和可維護性。經過應用表明，該系統能夠實時獲取畜禽舍養殖環境信息，實現畜禽舍環境的自動控制、精準調控和遠程實時監控，成本低、性價比高、實用性強，具有一定的推廣應用價值。

參考文獻：

[1][ZK（#]郝志平. 基于ZigBee技術的畜禽舍環境監控系統的研究[D]. 長春：吉林農業大學，2015.

[2]姜榮昌. 畜舍養殖環境監測系統的設計與實現[D]. 哈爾濱：東北農業大學，2013.

[3]劉思遠，賈艷玲. 基于ZigBee的豬舍環境監測系統設計[J]. 湖北農業科學，2015，54（16）：4041-4044.

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[5]朱偉興，戴陳云，黃鵬. 基于物聯網的保育豬舍環境監控系統[J]. 農業工程學報，2012，28（11）：177-182.

[6]李頎，馮宇謙，周曉嵐. 基于ZigBee無線網絡的養殖場信息監測系統設計[J]. 陜西科技大學學報，2016，34（1）：164-170.

[7]劉義，王明泉，趙月玲，等. 基于GSM的糧倉多點溫度監測系統的設計[J]. 中國農機化學報，2015，36（6）：212-215.

[8]錢政. 基于ZigBee技術的豬舍移動監控系統設計[J]. 湖北理工學院學報，2015，31（2）：31-34.

[9]劉樹香，楊璐，鄭麗敏，等. 豬舍環境遠程監測系統的設計與實現——基于WSN技術[J]. 農機化研究，2014，36（2）：102-105.[ZK）]

[10][ZK（#]張飛云. 基于ZigBee無線網絡的智能豬舍控制系統設計[J]. 廣東農業科學，2013，40（15）：185-187.endprint