基于MSP430的禽舍智能控制系统设计及应用

于 群， 柳平增， 李宝全， 王祥龙， 冯 玲

(1.山东农业大学信息科学与工程学院，山东泰安 271018； 2.山东农业大学动物科技学院，山东泰安 271018；3.山东泰山学院信息科学技术学院，山东泰安 271000)

最早进行畜禽环境检测控制系统研究的国家是以荷兰等以集约型养殖为特点的西方国家，它们大多由很少的人来管理一个较大的畜牧场。而以色列的环境检测控制系统则是比较经典的监控系统，一是系统地采集了现场的各类有害气体的数据，二是对数据进行分析来达到控制现场设备的目的，采用模块化控制器，效果显著，有很高的实用性。赵娟从检测禽舍环境因子入手，研发了鸡舍环境监控与管理系统，着力分析了环境对蛋鸡生长和产蛋的影响[1]。李文设计了基于ZigBee无线传感器网络和以太网技术的远程监控系统，可以对鸡舍内的温度、湿度、光照以及红外报警等信息进行实时采集和远程监控[2]。本系统通过对影响家禽生产性能的各环境因子进行综合性、连续性的监测，研究禽舍内综合环境在不同时段的变化[3]，实现禽舍环境的智能控制。本研究利用物联网理论架构，在传统温度、湿度等环境指标的基础上增加氨气、粉尘、风速等传感器节点，结合禽舍环境无线测控网络结构和GPRS技术，通过基于低成本的MSP430微处理器实现禽舍环境自动化控制。

1 系统整体设计

本研究设计的禽舍智能控制系统分为4层，即数据感知层、数据传输层、智能控制层和数据管理层[4]。下位机部分是以MSP430微处理器为核心的数据感知、传输及控制系统。感知部分主要实现对禽舍内环境参数的检测，检测的内容包括温度、湿度、光照度、风速、空气质量。控制部分可根据禽舍内空气温湿度、光照度和空气质量的不同要求，对降温风机、暖风机、补光灯、湿帘等设备进行控制。传输部分主要采取多输入、多输出的多路径传输方式，除了具有信息输入、输出、转发功能外，还须具有信息暂存功能。GPRS无线传输模块可实现信息的远程传输。上位机软件运行在互联网服务器上，属于物联网应用层，在分析全面感知信息的基础上，实现禽舍环境因素的自动控制。用户还可通过手机应用程序进行禽舍环境的查看及设备的控制，系统结构如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件总体设计

下位机硬件模块以信息处理控制模块为核心，通过信息感知模块采集禽舍环境信息，同时将传感器的数值传送给信息处理控制模块，信息处理控制模块通过LED显示模块显示获取的相关数据及参数并同时自动控制整个禽舍设备的开关，数据同时通过GPRS传输模块上传至上位机软件系统。禽舍硬件模块总体框架图如图2所示。

2.2 信息处理控制模块

信息处理模块以MSP430F5438A为主要核心微控制器[5]，它具有1种活动模式和5种低功耗模式，有超低功耗等特性，在活动模式下耗电量仅有250 μA/MIPS，I/O输入端口的漏电电流最大只有50 mA；并且具有强大的数据处理能力，采用了RISC结构，1个时钟周期即可执行1条指令，所以其在8 MHz晶振工作时，指令速度可达8 MIPS；高性能模拟技术及丰富的片上外围模块如AD、DA、USART、看门狗、定时器、DMA、I2C等可根据实际情况选择相应的模块。可见，它作为本系统的主控芯片非常合适。MSP430F54388A引脚数量多达100个，由于引脚无法直接驱动继电器，须要借助三极管9013。微控制处理器引脚输出高低电平控制三极管进而控制继电器的通断，提高了系统的抗干扰能力[6]。

2.3 信息感知模块

信息采集是物联网感知层的主要功能，信息感知模块采用模块化的结构形式(图3)。信息感知模块负责连接各个传感器， 采集各个传感器的消除重叠在信号线路上的高频噪声。A/D转换器中有片内PGA的模数转换器CS5522，精度高达24位，可以电流值并转换成数值[7]。16路传感器将采集的电流信号经信号频带低通滤波后，解决所检测信号动态范围不一样的问题，并实现了对输入通道的增益可编程控制；同时，CS5522的自校准和系统校准功能消除了一部分由于器件本身或系统的增益和偏移造成的误差，使系统精度大大提高，完成对禽舍环境因素的准确采集。光耦隔离可以提高系统整体的抗干扰性，避免一些信号杂波，提高采集信号的有效输入，并采用双向电路485通信协议， 支持总线形式通信，具有抑制共模干扰的能力，有效提高系统的稳定性[8]。

2.4 传感器

选用较高精度的传感器是准确采集禽舍环境的前提，为了便于输出采集的信号和减小信号的失真，设计采用两线制或三线制4～20 mA电流型传感器。

2.4.1 空气温湿度传感器 系统以空气温湿度传感器 KM-KWS 作为禽舍测量温湿度部件，传感器将采集的模拟量以电流的方式传输给采集卡，其测量温度范围为-30～70 ℃，精度为 ±0.2 ℃，测量湿度范围为0～100% RH，精度为±3% RH，工作温度范围为-35～85 ℃，响应时间小于 1 s。温湿度传感器的硬件连接如图4所示。

2.4.2 光照传感器 系统以两线制电流环光照度传感器NHZD10作为禽舍测量光照度器件。光照度指物体被照亮的程度，用单位垂直面积所接受的光通量来表示，lx，即1 lx等于1 μm的光通量均匀分布于1 m2面积上的光照度，其测量输入光照度范围为0～200 000 lx，能满足禽舍光照测量要求。光照度传感器的硬件连接如图5所示。

2.4.3 风速传感器 系统采用三线制电流输出信号风速传感器NHFS45AI作为禽舍内设测量风速器件，用于检测禽舍每天的通风情况。其测量精确度为0.1 m/s，分辨率为 0.01 m/s，启动风力为0.02～0.04 m/s，工作温、湿度分别为 -40～80 ℃、0～100% RH，能很好地满足禽舍环境对风速的测量。光照度传感器的硬件连接如图6所示。

2.4.4 空气质量类传感器 禽舍CO2、NH3、CO、PM2.5浓度检测分别采用NH162型二氧化碳传感器、AQ63型氨气传感器、SM2130M一氧化碳传感器和NH179系列PM2.5传感器作为有害气体浓度测量器件。所用气体传感器硬件连接如图7所示。

2.5 LED显示模块

系统采用触屏LED显示屏作为用户现场实时查看数据、修改参数的器件(图8)。

LED显示模块采用32位ARM处理器+FPGA双核控制架构开发的高性能、低功耗、易使用的64 K色的TFT真彩显示器，可以直接和具有UART串行接口的MCU连接。用户只须通过串口向终端发命令，便可完成相应的操作[9]。具体硬件连接图如图9所示。

2.6 GPRS通信模块

GPRS通信模块为数据管理层与系统硬件部分提供数据传输服务。本系统以H7210D GPRS DTU移动通信模块作为物联网传输层的主要器件[10]，并对其进行二次开发，该模块采用分组交换技术，适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输。GPRS模块引脚1、3为数据的接收发送端，第11端子为地线“GND”，第12端子为电源输入正极“VIN”，通信速度快，性能可靠。同时，为了保证GPRS通信模块的可靠工作，引脚4为GPRS上线指示信号GPRS_LINE，引脚20为GPRS复位信号GPRS_RST。通信模块硬件连接如图10所示。

3 系统软件设计

3.1 下位机软件设计

图11为禽舍环境参数采集控制程序流程。系统程序由IAR软件编写而成，不仅支持硬件仿真，支持不同模式下的调试，而且还支持软仿真，用于各个模块的测试开发，功能强大，效率高[11]。下位机采用C语言进行模块化编程，对禽舍内环境(如空气温湿度、光照度、风速及有害气体浓度)进行采集，将采集值与参数设定值范围进行比较，发出相应的控制指令，将数据显示到现场LED显示屏上并进行相应处理后转发给上位机，上位机将数据进行处理保存。

3.2 上位机软件设计

上位机程序开发环境为Visual VC++6.0的MFC，主要功能是负责向下位机发送采集、控制指令，同时接收并处理下位机上传的数据并存到数据库，以供用户进行查看和使用[12]。具体控制流程图如图12所示。

系统创建2个Serive端口，负责与下位机、手机端、网页、个人计算机(PC)进行通信。网络处于稳定状态时，上位机与下位机处于连接状态，上位机发送代码给下位机，下位机执行相应操作，完成数据采集和发送，同时上位机接收到数据后保存在服务器中[13]。

4 应用试验

为了验证系统能否合理控制禽舍环境，根据本地区的气候状况和现场具体情况，本系统以肉鸡养殖为例，对禽舍内空气温湿度、光照度、风速、空气质量等环境参数进行自动采集和分析[14]。从表1可以看出，24 h内空气温度的平均值为26.048 ℃，与设定的9～11 d(26 ℃)之间的阈值基本相同，上下波动较小，空气湿度24 h平均值为64.46%，湿度基本满足肉鸡最佳生长湿度，在一个合理的动态范围内；另外全天光照度和设定值对比，波动较小，满足肉鸡最佳生长光照度；另外通过通风等有效措施的采用使有害气体浓度基本控制在阈值范围以内，不会影响肉鸡的正常生长。若关注24 h内空气温度，发现在9 d后的凌晨(表1)温度低于26 ℃时，此时启动了暖风机，温度缓慢上升到26 ℃左右，直至中午，温度上升至27 ℃，此时启动了降温风机，温度在14：00恢复到26 ℃左右。上述试验结果表明，系统通过采集禽舍环境参数，分析数据，最终能合理的控制禽舍环境并保持禽舍环境参数在适宜肉鸡生长的范围，实现鸡舍环境参数的智能控制。

表1 9 d后24 h内禽舍环境参数变化情况

5 结论

系统对禽舍环境进行了全方面的感知，并针对禽舍环境参数较难控制等问题，设计了一种以MSP430为控制核心的禽舍环境智能监控系统。该系统可以从现场或者手机客户端进行禽舍环境的参数预设、查看及设备控制，一旦环境参数超出了设定的范围，系统自动执行控制程序，对设备进行操作[15]。方便管理人员随时查看各种信息，有利于养殖户的集中管理，实现鸡舍养殖的智能化及现代化。同时，数据库中存储的大量数据可以供养殖户进行查看，有利于通过科学养殖来获取更高的经济效益[16]。

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