基于无线网络的羊舍环境参数采集控制系统设计

邬 娟，宣传忠，武 佩，刘艳秋，祁 飞

(内蒙古农业大学机电工程学院，内蒙古呼和浩特 010018)



基于无线网络的羊舍环境参数采集控制系统设计

邬 娟，宣传忠，武 佩*，刘艳秋，祁 飞

(内蒙古农业大学机电工程学院，内蒙古呼和浩特 010018)

摘要[目的]实现养羊业集约化、数字化和智能化管理，保证羊舍环境参数的实时采集。[方法]以畜牧业中羊舍的养殖环境作为研究对象，运用ZigBee短距离无线技术和GPRS技术，实现对羊舍环境中温度、湿度、CO2浓度、氨气浓度的实时采集，并将其快速、准确地传送于上位机的羊舍环境参数管理系统，可远程或自动控制通风、加温等设备，以保证羊舍内的环境适宜羊只健康生长。[结果]该系统可实现羊舍环境参数的稳定采集，当环境参数超出设定的阈值时，能及时报警并启动相应的控制设备，使羊舍的环境参数变化在设定的范围内。[结论]该系统操作界面简单友好，运行稳定，能及时报警，一定程度上提高了羊舍管理的自动化水平。

关键词GPRS；ZigBee；环境参数；羊舍

我国是世界第一养羊大国，绵山羊存栏量、羊肉产量、山羊绒产量均居世界首位[1]。北方地区拥有丰富的草场资源和悠久的养羊历史，历来是我国绵羊的主要饲养地区。随着人们生活水平的提高，动物食品的人均消费量也在提高，这为养羊业的发展创造了机遇，也激发了广大农民养羊的热情。近年来为了恢复生态，我国实行了粮改饲及草原轮牧、禁牧的政策，因此集约化设施养羊目前得到了很大的发展。由于设施养羊羊的数量多、密度大，因此建立一种可提高养殖效益、减少人员劳动强度的羊舍智能化管理系统是养羊业迫切需求的。与国外相比，我国的养羊业起步晚、差距大、存在的问题较多，大多还是传统的粗放型[2]，受自然、环境条件的限制，养羊设施简陋，抵御自然灾害的能力很弱。在设施水平较低的情况下，环境的可控性就差，而羊舍环境质量对羊的健康、产肉量、产羔量等均有很大影响。随着设施规模化、集约化养殖的发展[3]，对羊舍环境进行监控、创造适宜生长的环境条件也是目前养羊业的重要发展方向。科学技术的发展特别是远程无线技术、单片机技术和传感器技术的快速发展为羊舍环境的数据采集与控制提供了强大的技术支持。基于此，笔者设计了一种羊舍环境参数采集控制系统，以期为羊舍的环境控制及参数预警等研究提供理论依据和试验基础。

1系统总体结构

基于无线网络的羊舍环境参数采集控制系统集传感器、通讯技术、计算机技术等于一体，通过预设羊只健康生长所需的适宜环境参数，搭建智能化软件与硬件平台，实现对羊舍中温度、湿度、CO2、氨气等因子的自动监测和控制。

该系统采用低功耗微处理器STC12C4052AD单片机实现与各个模块控制与通信，羊舍环境数据采集系统主要由数据管理中心、GPRS终端、数据采集模块、传感器以及执行机构组成。利用传感器对羊舍内不同区域的温度、湿度、氨气浓度、CO2浓度等环境参数进行检测，了解羊只生长状况。执行机构可对环境参数进行实时调节控制，使羊只生长在适宜的环境中。其系统结构如图1所示。远程羊舍环境数据采集系统连接如图2所示。系统采用上、下位机控制方案，下位机主要由传感器、数据采集模块和执行机构组成，对羊舍环境参数的实时检测和调节，并通过GPRS将数据传送到上位机；上位机为基于LabVIEW的智能管理系统，与下位机通过GPRS技术进行通信，实现对羊舍的远程监控和管理操作，用户也可通过互联网络来访问该系统，预设环境参数，监测实时采集的环境参数，实现羊舍环境的自动控制。

图1　系统结构Fig.1　Diagram of structure system

图2　数据采集系统示意Fig.2　Diagram of data acquisition system

2羊舍环境参数采集控制系统的硬件设计

根据整个系统要实现的相关功能要求设计出详细的硬件电路，如图3所示。

图3　硬件结构Fig.3　Diagram of hardware structure

注：a.温度与湿度传感器； b.氨气浓度传感器；c.CO2浓度传感器。Note：a. Temperature and humidity sensor； b. Ammonia concentration sensor； c. CO2 concentration sensor.图4　数据采集模块传感器Fig.4　Sensor of data acquisition module

2.1数据采集模块结构设计数据采集模块的主要功能是实现对羊舍内的温度、湿度、氨气浓度、CO2浓度等参数的精确测量，因此，温度与湿度传感器采用的是瑞士Sensirion公司生产的SHT11新型传感器，温度量程范围为-40.0～123.8 ℃，测温精度可达0.4 ℃，湿度量程范围为0～100%RH，测湿精度可达3%RH。氨气浓度传感器选用NH3/CR-200型氨气浓度传感器和FAD-8209型氨气浓度变送器组成的氨气浓度检测模块，该模块具有测量精度高、稳定性好、抗干扰能力强、寿命长等优点。CO2浓度传感器选用MH-Z14气体传感器，该传感器线性范围宽、精度高且功耗低。数据采集模块传感器实物如图4所示。数据采集模块中的采集电路前端需接各种变送器，从变送器送来的是标准信号，即4～20 mA，所设计的电路需满足通用性的要求。只要前端接不同类型的变送器，采集电路均可将采集到的电压传送到A/D转换电路中去[4]。A/D转换过程中，采样电路通过采样电阻将变送器输出的电流信号转换成电压信号，为了提高采集的精度，采样电路需使用高精度的电阻。

2.2GPRS终端模块结构设计数传终端是整个数据采集系统中实现数据远程传输的关键部分，是实现远程数据管理屮心与数据采集模块之间通信的桥梁[5]，接收到的数据经由RS232串口通信实时传送给GPRS模块。要进行远程数据传输必须用到GPRS模块，该数传终端使用的GPRS模块是西门子的SIM300C，SIM300C模块具有可靠性高、功能模块完全、价格便宜等优点。

2.3串口调控模块结构设计系统除了需要利用串口模块与GPRS模块进行通信外，还需要频繁地使用串口模块进行系统调试。在调试过程中，需要通过串口与计算机相连接来测试数据传输的可行性与正确性。串行接口按电气标准及协议来分包括 RS-232-C、RS-422、RS485等，该系统选用RS-232作为串口模块的电器标准协议[6]。

2.4单片机处理模块结构设计单片机对电压的要求比较严格，当输入到单片机中的电压存在扰动或者杂波时，可能会导致程序跑飞或复位[7]，所以在将3.3 V电压引入到单片机以前需先经过滤波、除噪，以减小电压中的杂波对单片机的干扰。

3羊舍环境参数采集控制系统软件设计

为了保证羊舍环境参数采集控制系统各部分功能的稳定、可靠运行，必须编写相应的软件程序。羊舍环境数据采集系统软件分为嵌入式底层软件和PC上位机软件2个部分。嵌入式底层软件包括数传终端、数据采集模块中的在单片机中运行的嵌入式代码。PC上位机软件包括数传终端参数配置软件和环境数据采集软件。用户只需远程监测系统运行状态、查询感兴趣的参数数据，而不必关心数据采集和网络组建的技术细节[8]，降低了使用人员的技术要求，同时为用户提供了一个易用、简洁的图形化管理界面。

3.1系统软件组成系统软件由数据库单元、功能单元、用户管理单元和远程控制单元组成。数据库单元根据数据的不同建立相应的数据表格记录，同时实现对数据的添加和查询检索功能；功能单元包括实时数据显示、参数初始化、设备控制、历史报表查询和系统帮助；用户管理单元将不同级别的用户给予不同级别的权限，可实现某个用户管理一个或多个信息和自动化设备；远程控制单元控制羊舍的无线传感网络，当有数据到来时，通知系统取出传送来的数据保存到数据库中。系统软件组成如图5所示。

图5　软件结构Fig.5　Diagram of software structure

3.2通讯协议设计要实现将下位机传送过来的数据在LabVIEW中进行显示必须遵循统一的通讯协议，并按照这个协议格式将数据进行数值转换。在该系统的通信过程中，数据包的长度为18字节，第1位为0，第18位为17，从第1位至第18位所表示的数据格式分别为“K”、“温度百位”、“温度十位”、“温度个位”、“温度小数位”、“湿度百位”、“湿度十位”、“湿度个位”、“湿度小数位”、“氨气浓度个位”、“氨气浓度十分位”、“氨气浓度百分位”、“氨气浓度千分位”、“CO2浓度个位”、“CO2浓度十分位”、“CO2浓度百分位”、“CO2浓度千分位”、“M”。数据通信格式中的开头设为“K”，只要通信过程中得到传送的数据为75(“K”的ASCII值)，之后按照上述中的后续格式进行数据转换，如果得到的数据为77(“M”的ASCII值)，则结束转换。

在实现串口通信的过程中，要将接收到的数据按照一定的数据格式转换为数值，然后才可以在LabVIEW中进行显示。数据包的长度为18字节，当上位机接收到相应位，即按照相应计算进行数值转换。具体计算如下：①温度数值。W=r1×100+r2×10+r3+r4×0.1。式中，W为温度最终显示数值；r1为温度百位；r2为温度十位；r3为温度个位；r4为温度小数位。②湿度数值。S=r1×100+r2×10+r3+r4×0.1。式中，S为湿度最终显示数值；r1为湿度百位；r2为湿度十位；r3为湿度个位；r4为湿度小数位。③氨气浓度数值。N=r1+r2×0.1+r3×0.01+r4×0.001。 式中，N为氨气浓度最终显示数值；r1为氨气浓度个位；r2为氨气浓度十分位；r3为氨气浓度百分位；r4为氨气浓度千分位。④CO2浓度数值。C=r1+r2×0.1+r3×0.01+r4×0.001。式中，C为CO2浓度最终显示数值；r1为CO2浓度个位；r2为CO2浓度十分位；r3为CO2浓度百分位；r4为CO2浓度千分位。

3.3主程序界面系统的软件主界面如图6所示。该界面采用虚拟仪器软件开发平台 LabVIEW 2010 设计，采用模块化设计方法，各模块的编写互相独立[9]，部分程序如图7所示。该系统实现了串口数据读取、分析、处理，仪表显示，波形显示及超过阈值报警等主要功能。

图6　软件界面Fig.6　Interface of the software

图7　程序框图Fig.7　Diagram of program

4试验结果

软件系统接收到被测点采集的数据之后，LabVIEW数据处理软件将按照“3.2”的数据格式进行分解，最后将温度、湿度、氨气浓度、CO2浓度的相应数值显示到相应的仪表区域和波形图区域。有研究显示，适宜羊生长的环境对各参数的要求为：温度10～30 ℃；湿度50%～80%；氨气浓度<15 mg/m3；CO2浓度<13 mg/m3[10]。当超过上述参数的上限值时，系统进行报警并启动相应的环境参数调控设备。

在养羊场安装该监测及预警系统，经过调试，系统运行稳定，按照预定要求采集到了羊舍的环境参数数据(表1)。在环境参数超出设定的阈值时，能及时报警并启动环境参数调节设施。该系统用户界面友好，有效提高了羊场管理的效率和自动化水平。

表1　羊舍环境参数测定结果及变化范围

5结论

基于GPRS远程数据传输技术与ZigBee短距离无线通信技术的智能化设施养殖系统已成功应用，构建的羊舍无线监控和智能控制系统对羊舍内环境参数值进行调控，满足了羊只生长环境的要求，有效提高了畜牧业集约化生产程度。在该系统中数传终端与数据采集模块之间的通信釆用ZigBee短距离无线传输技术，数传终端与远程数据管理中心之间的通信采用GPRS远程数据传输技术，这样避免了采用有线方式传输数据而导致大量布线带来的麻烦。该系统经过可靠的运行，实现了对羊舍内的空气温度、湿度、氨气浓度、CO2浓度等参数的准确测量，同时能根据不同要求设定环境参数的报警范围，也可将系统设置成手动控制或自动控制状态，该系统开发成本低廉、通用性强，因而其在智能化设施养殖环境控制中有着广阔的发展和应用空间。

参考文献

[1] 博亚.我国畜牧业现状及发展趋势[J].农业技术与装备，2011(11)：8-9.[2] 郑升阳.试论工厂化养殖设施综合利用的现状及改进措施[J].宁德师专学报(自然科学版)，2005(3)：272-276.

[3] 高照良，彭珂珊.中国畜牧业现状与可持续发展措施的研究[J].生态经济(学术版)，2008(2)：255-260.

[4] 郭文川，程寒杰.基于无线传感器网络的温室环境信息监测系统[J].农业机械学报，2010(7)：181-185.

[5] 刘媛媛，朱路.无线环境监测系统及应用层通信协议[J].仪表技术与传感器，2013(9)：92-95.

[6] 薛卫强.基于物联网的无线环境监测系统设计与软件的实现[D].秦皇岛：燕山大学，2013.

[7] 曹明华.基于无线传感器网络的环境监测系统设计与应用[D].兰州：兰州理工大学，2009.

[8] 杨玮，吕科.基于ZigBee技术的温室无线智能控制终端开发[J].农业工程学报，2010(3)：198-202.

[9] 陈树学，刘萱.Lab VIEW 宝典[M].北京：电子工业出版社，2012：1-603.

[10] 张鹤平.羊的行为与精细饲养管理技术指南[M].北京：化学工业出版社，2015：180-190.

基金项目国家自然科学基金(11364029，61461042)；内蒙古自然科学基金(2012MS0720)；内蒙古“草原英才”产业创新人才团队项目(内组通字[2014]27 号)。

作者简介邬娟(1989-)，女，内蒙古鄂尔多斯人，硕士研究生，研究方向：农业工程测试与控制。*通讯作者，教授，博士生导师，从事农业工程测试与控制研究。

收稿日期2016-03-25

中图分类号S 26+3

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)13-293-04

Research on the Acquisition and Control System for Environmental Parameter of Sheep Pen Based on the Wireless Network

WU Juan, XUAN Chuan-zhong, WU Pei*et al

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot, Inner Mongolia 010018)

Abstract[Objective] The intensive, digital and intelligent management of sheep pen could be ensured through the research on real-time acquisition of the environmental parameter in the sheep pen. [Method] The real-time acquisition of environmental parameters of temperature, humidity, CO2 concentration, NH3 concentration in sheep pen was carried out with the technique of ZigBee short-range wireless and GPRS and the data was fast and accurately transferred to the management system in PC, so that the healthy sheep growth would be realized through the optimum environment based on the remote and automatic control in the ventilation, heating and others. [Result] The environment parametes in sheep pen could be stably collected with the system. The timely alarming and the starting of the appropriate control equipment were done when the environmental parameters in sheep pen exceeded the threshold that was set. [Conclusion] The system is simple and user-friendly, stable and timely warning, and to some extent, the automation level of sheep pen management is improved.

Key wordsGPRS; ZigBee; Environmental parameters; Sheep pen