畜舍环境多参数采集监测系统设计

李卫华，魏巍，李文顺，韦春波，丁福君，陈遇英

（1.黑龙江八一农垦大学信息技术学院，大庆 163319；2.黑龙江八一农垦大学动物科技学院；3.鹤岗市东方红乡；4.杜尔伯特蒙古族自治县畜牧水产局）

畜舍环境多参数采集监测系统设计

李卫华1，魏巍2，李文顺1，韦春波2，丁福君3，陈遇英4

（1.黑龙江八一农垦大学信息技术学院，大庆 163319；2.黑龙江八一农垦大学动物科技学院；3.鹤岗市东方红乡；4.杜尔伯特蒙古族自治县畜牧水产局）

以养殖业的实际需求为切入点，结合动物科学专业和电子信息工程专业特点，将畜牧生产的小气候环境要求和计算机传感技术相结合，设计并构建一套低功耗、智能化的畜舍环境监测系统。该系统采用MSP430F149超低功耗且抗干扰能力强的微处理器，使系统损耗及抗干扰能力达到最优化，具有方便快捷，稳定性强、可靠性高、足不出户即可掌握畜舍内环境的特点。

畜牧生产；环境参数；环境监控；无线传输

我国对畜舍环境问题的关注比较晚，但发展迅速。目前我国研究较为热门的为传感器、通信技术和数据处理技术的应用研究[2]，这些技术的发展对我国的畜牧业经济的发展有着巨大的推动作用。因此，根据畜禽养殖环境的特点，针对具体的研究目标和内容，建立了成本低廉、性能稳定的以MSP430芯片为控制器的环境监控系统，该系统的基本功能是可以实时通过多个传感器监测当前舍内的环境因子，如：风速、空气温度、湿度、二氧化碳浓度、氨气浓度、光照强度等指标，还可以由用户自行根据畜禽的生长需要来确定环境参数的阀值，并与系统所采集的环境参数进行智能化比较，对舍内的相关设备发出控制指令，最终实现畜舍环境自动控制，以满足畜禽生产所需的适宜生长环境条件。同时还具有查询功能，在PC端以周期时段查询实时参数，并可对数据进行存储和打印，系统安装简洁、配置性高、准确性高，适合我国大中型养殖场应用，为今后畜舍环境监控技术的应用与推广提供有益参考。

1 监控系统总体设计

系统实现的是基于无线传感技术的畜舍环境智能监控系统，可以实时监测畜舍光照强度、风速、温度、湿度、二氧化碳和氨等多种环境指标，并可能智能化控制畜禽舍中湿帘、风机或热风炉等设备系统。监视系统由以下三部分组成：①信号输入采集，包括温度，湿度和其他环境因素；②信号参数处理，计算机将传回来的信号转化成相应的操作人员可识别的数据，并进行相应的数据处理；③输出和控制，包括调控相对应的加热器，增湿器，风机，除湿器等设备。 硬件控制的构成包括PC、单片机系统和下位机电脑。PC和下位机分别为主设备与从设备，能够实现主从通讯，农场的指标采集和环境管理与控制采用RS232总线连接通信，同时由各自的气体传感器、微控制器和其他组件（主要为单片机）组成下位机。传感器采集的参数，如氨气参数、风速等再由下位机转换为电压数据的存储和预处理，并通过总线连接，在计算机完成收集、预处理和的独立信息存储任务，也可以从接收到的PC端进行参数设置，然后按规定的不同要求发送指令，启动加热，降温，加湿，除湿等调节设备，实现畜舍环境的调控[3]。上位机可以对整个装置进行配置，对下位机的传输进行控制参数的设定值，完成对各个传感器的集成管理和数据的算法处理传感器系统集成、历史数据分析、控制和管理，以及数据显示、统计分析、存储、打印输出等。该监控系统原理框图，如图1所示。

图1 系统总体结构设计Fig.1 The overall structure design of the system

2 系统硬件设计

2.1 微处理器的选择

微处理器的对于整个系统的重要性即决定系统的稳定性和可靠性，为提高系统性能，微处理器选用MSP430系列的CPU[4]。MSP430系列组合了相应模块的不同应用对象的基本功能。在系统中，由于本系统功能需求，最终选定了MSP430F149。该芯片是由美国德州仪器公司TI公司开发的16位微处理器，它具有强大的处理能力和低功耗的特点，非常适合于高性能，低功耗的场合，可以说是专门为仪器仪表而生的一款芯片。具体特点包括：①超低功耗：在正常模式下中，如果操作电压为2.2伏，典型的电流消耗只有200 μA，在待机状态下电流甚至可以降低到1 μA。②快速苏醒：从待机模式下恢复工作，只需要不到6 μS时间。③丰富的片上外设：芯片集成了多个外设模块，包括12位A/D，精密模拟比较器，硬件乘法器，看门狗和许多输入输出接口。④快速执行：高达8 Mbps的执行速度。具体电路图见图2。

图2 系统微处理器部分电路Fig.2 Circuit of the system microprocessor

2.2 无线网络节点设计

无线通讯的稳定运行是整个系统可靠性的基本环节，也是整体系统的重要保障。系统的无线传感器网络包括多个传感器单元的几个基本组件，无线通信模块，存储器单元等。各个传感器通过多个模拟开关将采集到的数据传回到单片机芯片进行处理。无线通信模块是该系统中主要的耗能模块，而由于此模块在收发数据时的功耗要非常低，系统选用了JZX875无线数传模块，采用ISM频段工作频率；可设置16个通信频道，发射功率为12W（30dB33dB），功率可通过软件设置，高接收灵敏度-123 dbm，工作频率为430～434 MHz，传输距离位2～10 km（1 200 bps），大量在收费系统，工业控制现场使用，非常方便于用户做内嵌式无线系统。工业级的设计，发射功率可设置，模块体积小，使用电压宽，方便使用。

2.3 系统其他硬件设计

2.3.1 传感器的选择

就目前我国的传感器来看，一个传感器通常只能检测一种物理量，在该系统中，为能准确地反映客观各项环境参数，需同时测量多个的物理量，多功能传感器能够转换两种以上的不同物理量，同时检测2个或2个以上的特性参数。所以根据畜舍内需要监测的生态环境质量和空气环境质量的具体指标，最终选定了风速、空气温湿度、光照强度、氨气浓度、二氧化碳浓度共计6个参数。考虑到牛舍空间较大，故系统针对各类参数采取布设多点的方式进行采集[5]。对于大多数地理环境的恶劣情况和畜禽适宜生存的温度要求，使用的传感器只要满足-10℃及相对湿度达95%能够正常工作时，基本满足绝大多数的畜舍，经过试验研究，最终确定了系统所用的传感器型号，具体规格见表1。

表1 畜舍环境监测系统的传感器参数Table 1 Parameters of sensor barn environment monitoring system

鉴于系统应用与畜舍环境，其面积一般较大，为了能够准确的反映畜舍中的环境参数，传感器的安置通常会距离控制单元有一定的距离。因此，为确保采集参数的准确性，各传感器均采用输出信号为电流型的传感器，并采用屏蔽电缆与控制单元连接。由于，MSP430单片机的A/D转换器采集的是电压信号。因此，传感器传回的电流信号先经过一个阻值适当的电阻转换为电压信号在送入单片机的A/D转换器（如图3所示）。

图3 A/D转换器Fig.3 A/D converter

2.3.2 显示与存储

系统将传感器采集的各个参数传输到单片机，通过液晶显示屏可实时查看当前的环境参数，也可按照用户需要将液晶屏拆卸，同时每隔1分钟由无线模块发送所有数据到PC端，也可将所采集的数据导出excel格式打印出来。这种显示数据方式方便高效、准确可靠，极大的降低了人力财力等所造成的冗余成本。

3 系统软件设计

系统采用IAR EW430为下位机软件编写的开发环境，程序语言为C语言开发，系统主程序流程如图4所示。系统上电后首先读取单片机中的采集器地址数据。初始化单片机的定时器、A/D转换器、液晶显示屏、时钟等模块，然后打开中断，单片机的CPU进入低功耗模式，等待某个模块发生中断时再唤醒CPU进行工作。

图4 主程序流程图Fig.4 Flow chart of the main program

4 结语

研究所设计畜舍环境监测系统通过养殖场的反复调试、实验与完善，可实现对养殖场环境参数的采集、发送、存储、显示和导出功能，达到了对远距离畜舍环境的监控和管理的系统目标，系统硬件设计简单，采用模块化程序设计方法，各模块相互独立，提高了系统的可靠性和可扩展性，具有较高的性价比[6]；若系统采用PLC搭建改进，还可根据用户需求，通过监控终端自行设定温湿度、光照、风速或其他气体浓度的配比范围，使相关设备如风机、除湿器、加湿器等能够在上下限自动调整环境参数，以使畜禽能够一直处于相对适宜的小气候条件下，满足养殖场环境监测和控制的要求[7]。

系统中的数据传输采用的是无线传感网络，在成本上能够降低人力（搭建与维护等）、财力（产品成本等）的投入，避免了环境引起的噪声和传输速度等问题，提高了数据的实时性，使系统更安全可靠，稳定性强，具有很好的应用前景。

［1］王冉，徐本崇，魏瑞成，等.基于无线传感网络的畜禽舍环境监控系统的设计与实现［J］.江苏农业学报，2010，26 （3）：562-566.

［2］丛希.国内外畜禽舍环境监控系统研究现状［J］.农业与技术，2012，32（6）：106-107.

［3］张玉峰，赵德安，马从国，等.基于温度和湿度养殖环境网络监控系统的研究［J］.农机化研究，2009（1）：23-25.

［4］柳平增，毕树生，梁勇，等.畜禽养殖环境智能终端的设计与实现［J］.计算机工程，2009，35（19）：20-22.

［5］田芳明，韦春波．寒区标准化奶牛舍环境多参数采集系统设计［J］.江苏农业科学，2013，41（6）：371-373．

［6］闫磊.畜禽舍环境监控系统设计与研究［J］.机械工程与自动化，2014（3）：156-157.

［7］关伟，李喜武，孙宏宇，等.牛舍饲养环境温度控制系统的研制及应用［J］.吉林农业大学学报，2011，33（5）：587-590.

Design of Multi Parameter Acquisition and Monitoring System for Livestock Shed Environment

Li Weihua1，Wei Wei2，Li Wenshun1，Wei Chunbo2，Ding Fujun3，Chen Yuying4
（1.College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.College of Animal Science and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University；3.Dafanghong Country of Hegang；4.Animal Husbandry Bureau Durbet Monggian national Autonomous county）

In this paper，the actual demand of livestock breeding industry was took as the breakthrough point，and it combined the characteristics of animal science and electronic information engineering with the combination of the livestock production of microclimate environment requirements and computer sensing technology to design and build a set of low power consumption intelligent livestock shed environment monitoring system.The system adopted MSP430F149 microprocessor with ultra-low power consumption and strong anti-jamming ability so that the system loss and anti interference ability could be achieved optimization.It has the characteristics of convenient，fast，strong stability，and high reliability.It could master the environment inside the barn without leaving the house.

animal production；environmental parameters；environmental monitoring；wireless transmission

TP274

A

1002-2090（2016）05-0114-05

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.05.023

2015-11-15

国家现代奶业发展科技工程（2012BAD12B05-4）；黑龙江省大学生创新创业训练计划项目（201510223043）。

李卫华（1994-），男，黑龙江八一农垦大学信息技术学院2013级本科生。

韦春波，男，讲师，E-mail：weicb298@163.com。

随着我国畜牧生产的集约化、密闭式饲养程度不断的提高，产生了一系列的诸多问题如禽流感、猪链球菌病、猪高温病等畜禽各类流行性疫病，严重地影响了家禽的健康与福利、产品的品质与安全，环境因素在畜牧生产中的的制约作用日益凸显，引起了广大消费者的普遍关注。据大量研究表明，畜禽疫病的暴发和传播与畜禽养殖环境的不断恶化关系极为密切，畜禽舍环境质量的优劣直接影响着畜禽健康和产品品质的提升[1]，在寒冷或炎热季节下的禽畜舍环境将严重影响禽畜健康，使其生产能力下降10%～20%。因此，畜舍环境问题已成为制约禽畜生长的重要因素，对畜舍环境的监测和有效控制被国内外专家普遍重视，尤其对于规模化养殖场畜舍内环境监控制系统的研究就显得十分必要和紧迫。