豬舍環境智能監控系統設計*

趙 斌，石 磊，匡麗紅，王 淞，劉志強

（黑龍江八一農墾大學工程學院，黑龍江 大慶 163319）

豬肉制品在我國肉制品消費中占60%以上，我國豬肉產量占世界產量的50%以上[1]，除自產外還需要大量進口豬肉。受各種因素影響，我國進口豬肉經常受限。因此，地方政府大力扶持和發展規?；B豬，生豬養殖業向現代化、集約化、規模化發展。飼養密度增大，舍內環境問題隨之逐漸暴露，成為制約養豬企業發展的突出問題[2]。密閉豬舍的空氣質量監控技術已成為生豬健康養殖的關鍵技術之一。

近年來，國內學者在豬舍環境監控技術、豬只健康監測技術研究中取得很大進展。王輝明等[3]采用ZigBee技術構建無線數據網絡，將采集的養豬場環境參數傳輸到控制終端，利用組態軟件開發了管理系統，設計了豬場溫濕度模糊控制系統，環境參數控制精度小于4%。劉艷昌等[4]設計了以移動機器人為終端的空氣質量智能監控系統，以現場可編程 邏 輯 門 陣 列 （Field Programmable Gate Array，FPGA）為核心，通過無線通信模塊將傳感檢測模塊獲得的數據傳輸到上位機，上位機根據獲取信息和設定信息實施環境控制。賈安峰等[5]探討了利用物聯網技術構建豬舍環境監控系統，論述了物聯網架構、傳感模塊的對比等。曾志雄等[6]采用“一主多從”的ZigBee網狀拓撲結構構成無線數據采集系統，通過主節點將數據上傳至Web端，實現系統遠程控制，鋰電池可持續工作170 h。王斌等[7]研究了豬舍環境溫濕度和氨氣濃度檢測方法，采用了多傳感器數據融合算法，制定了可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制算法，系統成本低，易安裝及維護。

目前，東北地區規?；B豬場蓬勃興起，但人力資源緊缺，亟需成本低、適合該地區應用的豬舍環境監控系統。本文結合東北地區大型養豬場豬舍環境調控特點及應用需求，研究了基于無線局域網絡的豬舍環境監控系統。

1 監控系統架構

豬舍環境智能監控系統由豬舍環境監控終端、LoRa無線通信模塊、無線網絡匯聚節點、遠程監控終端等組成。豬舍環境監控終端實時進行環境溫濕度、光照度、CO2濃度和氨氣濃度采集，并通過LoRa網絡將采集的數據傳輸到現場無線網絡匯聚節點，同時，監控終端可以自主按照設定閾值進行天窗、加濕、除濕等相關設備的控制操作，或者根據指令進行控制。無線網絡匯聚節點將獲得的環境參數通過GPRS網絡傳輸到控制室PC端或者用戶手機端，并接收PC端或者手機端的指令，下傳給監控終端。PC端和手機端顯示、存儲相關數據，并可設定相應的調控閾值，即時發送調節指令等。系統具有成本低、操作方便等特點。

2 監控終端系統設計

考慮到豬舍舉架高，常年運行，而且豬舍內本就有電燈電源線、控制設備電源線等，豬舍內環境參數采集沒有采用無線方式，免去了大量電池集中充電的問題，也避免了工人充電不及時造成設備長期不工作的問題。豬舍環境監控終端通過RS485總線實時獲取采集節點的環境數據，并將數據通過LoRa網絡傳輸到匯聚節點，按照程序設定進行自主控制，或者接收PC端或手機端指令進行環境調節。監控終端系統主要包括微處理器、總線通信模塊、采集模塊、LoRa通信模塊等。

2.1 采集節點模塊

采集節點完成豬舍內溫濕度、光照度、CO2濃度和氨氣濃度等環境參數的實時采集與處理，結構見圖1。

圖1 采集節點結構圖

采集節點核心采用了STC15L2K60S2單片機，片內集成60 KB程序存儲器、2 KB數據存儲器，以及2個UART接口、8個10位的AD轉換通道，滿足采集功能需求。豬舍環境質量是制約養豬生產發展的重要因素，在眾多因素中溫度和濕度尤為重要。該模塊的溫濕度傳感器采用了SHT20低功耗數字溫濕度傳感器，溫度測量范圍為-40~125℃，14位輸出時精度為±0.3℃；濕度測量范圍為0%~100%，精度為±5%；電源為直流2.1~3.6 V，測量功耗為300μA，采用I2C接口，與單片機P2.3和P2.2引腳連接。光照度傳感器采用了低成本的I2C光照度傳感器SS1060I，電源為直流5 V，最大功耗為400 mW，測量范圍為1~65 535 lx，滿足室內環境使用，其輸出與單片機P2.1和P2.0引腳連接。氨氣濃度傳感器采用ZE03型模擬輸出傳感器，電源為直流5 V，測量范圍為0~100×10-6，分辨率為1×10-6，對應輸出直流0.6~3 V，由單片機的P1.3口進行AD轉換。CO2傳感器采用的是MH-Z18型NDIR紅外氣體傳感器，電源為直流5 V，平均電流＜50 mA，量程為0~2 000×10-6，精度為±50×10-6，UART串口輸出，直接連接單片機串口2。每個采集節點利用其內部E2PROM存儲節點地址、采集周期數據，這些數據可以通過串口指令修改。采集節點與監控終端之間通信采用RS485總線通信方式，便于根據豬舍面積和需求增減采集節點數量，終端定時輪詢各個采集節點。

2.2 監控終端模塊

監控終端模塊完成收集采集節點數據、與無線網絡匯聚節點互輸數據、控制執行設備等功能。其核心采用的是STC15L2K60S2單片機，引腳數及功能能滿足控制終端功能需求。通常各地豬舍環境調節設備各不相同，以交流大負荷設備為主。為保持系統的通用性，系統控制輸出采用了3種信號輸出，分別為220 V交流輸出、4~20 mA直流輸出、0~10 V直流輸出，電路見圖2。

圖2 控制輸出部分電路圖

220 V交流輸出最大承載電流為10 A，可以直接驅動小型交流調節設備，大型三相交流設備可以在該輸出端外接三相繼電器。單片機的所有控制輸出都經過光電耦合器隔離，以保證核心系統工作的穩定。4~20 mA直流輸出、0~10 V直流輸出便于擴展連接其他變頻設備或者PLC設備需要此類信號。0~10 V直流輸出采用的是有源高精度隔離變送器T1530D，電源為直流24 V，輸入為直流4~20 mA，輸出為直流0~10 V，精度為0.1%F.S.。4~20 mA直流輸出采用了兩線制信號調理模塊TW147HL，輸入為脈沖寬度調制 （Pulse Width Modulation，PWM）信號，輸出為調制電流信號，PWM信號由單片機產生。

由于現代化豬場通常占地面積較大，如果采用豬舍間有線通信方式，增加成本和施工難度，易損壞，所以采用無線組網形式較好。如果每個控制終端都通過通信基站與手機端或者PC端通信，勢必增加成本。因此，兼顧通信距離遠、成本低、費用低問題，選用了低功耗、小功率、高性能的無線模塊UM402，頻率為433 MHz，與單片機串口2連接，見圖3。傳輸視距在5 km內，即使有樓房等障礙物，也能保證2 km以上的傳輸距離，滿足現有大型豬場覆蓋范圍。各個豬舍控制終端通過UM402與無線網絡匯聚節點組網，由無線網絡匯聚節點將數據匯總后傳輸到PC端或手機端。

圖3 UM402接口電路圖

3 匯聚節點設計

無線網絡匯聚節點起到承上啟下的作用，一方面通過UM402收集網絡內豬舍環境控制終端的采集信息，通過USR-GPRS7S3傳輸到云服務器端，另一方面通過USR-GPRS7S3接收控制指令，通過UM402下發到相應的控制終端。USR-GPRS7S3支持GSM/GPRS網絡；支持TCPClient和UDPClient；支持短信透傳、網絡透傳、HTTPD和UDC等多種工作模式。利用USR-GPRS7S3和有人物聯網公司提供的云服務平臺，開發云平臺管理軟件。相較于每個終端單獨與服務器通信的方式，這種通過匯聚節點與服務器通信的方式可以降低GPRS模塊的投入成本和運行時的短信費用，缺點是數據傳輸的實時性有所降低，但是在實際應用中，環境參數不會出現劇變，這個延時對實際生產不會產生影響。

4 控制終端工作流程設計

控制終端負責組織豬舍內各個節點的數據采集、調節執行設備、傳輸數據到無線網絡匯聚節點，是系統的重要組成部分。其工作流程如下：系統上電進行系統初始化設置，并讀取ROM中保存的地址號、采集周期、通信波特率、報警閾值和控制閾值等設置；開啟定時器，按照設定的采集周期計算定時時間，如定時時間未到，檢測是否有云服務器指令傳來，有指令則按照指令發出調節動作或者收集數據，如定時時間到，向采集節點發出數據采集指令，收集采集數據，并把數據發送到匯聚節點；判斷本輪數據是否有超限情況，如有超限參數，根據超限情況和程序設定發出調節動作，同時不斷查詢該采集節點數據情況，直到超限數據消失，恢復到正常循環狀態。

5 結束語

針對現代化大型豬場豬舍環境監控問題，本研究采用云服務器、無線網絡匯聚節點、豬舍環境監控終端、采集節點等構成了豬舍環境智能監控系統。采集節點實時采集豬舍內溫濕度、光照度、氨氣濃度和CO2濃度等信息。豬舍環境監控終端采用RS485總線方式收集采集節點的數據，采集節點數量可根據豬舍面積和用戶需求靈活增減；監控終端調節輸出方式靈活，可以輸出220 V交流信號控制單相交流設備，或外接擴展模塊驅動大型三相負荷設備，能夠輸出4~20 mA直流信號、0~10 V直流信號，便于與PLC、變頻器等設備連接；各個豬舍監控終端通過LoRa網絡與匯聚節點組成免費內網。匯聚節點通過內網與各監控終端進行信息交互，通過GPRS模塊與云服務器、手機端和PC端進行信息交流，一個豬場使用一個匯聚節點連通通信基站即可，降低使用成本和運營成本。整個系統具有配置靈活、成本低、精度高、通用性和擴展性好的特點。