基于Arduino的养殖场环境监控系统设计

陈越超，程志伟，王晓丹

(长春师范大学工程学院，吉林长春 130032)

随着经济的不断发展，我国养殖场规模不断扩大，养殖业正向高度智能化的方向发展。针对温湿度、有害气体浓度和光照的控制是养殖场生产过程中的重要控制环节，传统人工方式已经无法满足智能化的发展。本文提出基于Arduino的养殖场环境监控系统，可以对环境信息进行智能监控，管理员可以利用手机、电脑等终端，借助此系统远程实时调控养殖场环境参数，也能及时获取环境参数异常报警信息。

1 系统总体设计

该系统主要由4部分组成：数据监控单元、用户网关、OneNet平台和用户远程监控平台。数据监控单元包括传感器数据采集模块和执行器模块。数据监控单元可以根据养殖场要求监控参数不同，设置相匹配的监控模块，可任意扩展；用户网关通过WiFi模块与数据监控单元的各个模块进行数据交互；OneNet平台是中国移动提供的物联网平台，负责接收和存储监测数据信息及向各控制模块发送指令信息；用户远程监控平台可以是用户电脑、手机等，用户随时随地通过访问远程监控平台的方式，实时监控整个养殖场。系统总体结构图如图1所示。

2 传感器数据采集模块设计

传感器数据采集模块主要包括电源模块、微控制器、数据采集单元、报警显示单元和无线通信单元。数据采集单元包括温湿度检测模块、气体浓度检测模块和光照强度检测模块等，Arduino MEGA2560作为微控制器，接收并处理各模块采集的数据，通过WiFi模块(本文采用ESP8266)将采集数据信息实时传输到OneNet，通过LCD12864显示数据信息，如果有数据超过报警限，蜂鸣器发出报警信号。

2.1 Arduino系统设计

微控制器是监控系统最重要的部分，决定了系统的质量，本设计的微控制器选用Arduino MEGA2560，核心芯片是ATmega2560，同时具有1个USB口、4路UART接口、16路模拟输入、54路数字输入/输出口、1个电源插座、1个16MHz晶体振荡器、1个ICSP header和1个复位按钮。内部结构图如图2所示。

2.2 温湿度测量电路设计

温湿度主要是影响鸡群的自身舒适度和生理成长，本文采用DHT11数字温湿度传感器测量养殖场环境温湿度，它是一款全量程标定校准单线数字输出复合型传感器，湿度测量范围为20%～90%RH，测量精度为±5.0%RH，温度测量范围为0～50℃，测量精度为±1.0℃。当检测到温度或湿度超过设定值上限,Arduino向控制模块发送指令，控制通风器增大通风量；当检测到温度或湿度低于设定值下限，Arduino向控制模块发送指令，控制加湿器或加热器进行增湿或升温。电路图如图3所示。

图1 系统总体结构图

图2 Arduino MEGA2560内部结构图

图3 温湿度测量电路图

2.3 气体浓度检测模块设计

气体浓度主要影响鸡群的自身舒适度和生理成长，本设计气体浓度检测采用半导体气体传感器，它可以通过对其内部半导体元件中添加不同催化剂进行检测特定气体浓度，利用半导体气敏原件与气体接触，造成半导体性质发生变化,检测出特定气体的成分和浓度。养殖场主要影响气体为二氧化碳和氨气，本设计采用MQ-135检测二氧化碳浓度、MQ-137检测氨气浓度。氨气浓度检测模块电路图如图4所示。

图4 氨气浓度检测模块电路图

图5 光照采集电路图

2.4 光照采集模块设计

光照强度主要影响鸡群的生理活动(包括采食、日常活动和性成熟等)。光照采集电路图如图5所示，光照强度通过光敏电阻进行采集，光敏电阻与3个电阻组成电桥，电桥输出为微弱信号，需要经过运算放大器(本文选用LM258)放大后送入Arduino MEGA2560进行AD转换和数据处理。当光照过弱时，Arduino向控制模块发送指令，控制灯光控制器，增加光亮度。

3 执行器模块设计

执行器模块主要有电源单元、微控制器、输入单元、执行单元和无线通信单元组成。继电器模块控制通风扇通风、加湿器加湿、灯光亮度调节、升温和降温等。其中升温模块电路图如图6所示，Arduino数据输出端口D21通过NPN型三极管Q13控制继电器吸合或断开，继电器控制热风机开启或关闭，达到加热的效果。其他模块电路原理相似，不在赘述。

图6 升温控制电路图

4 软件程序设计

本设计软件分为两部分，分别为数据采集单元程序和执行器控制程序。

数据采集单元程序:首先初始化端口、定时器、WiFi模块、液晶显示等，然后进行数温湿度采集、气体浓度采集和光照采集，将数据通过WiFi模块传到OneNet平台中，最后将数据在液晶显示器中实时显示。流程图如图7所示。

图7 数据采集单元程序流程图

执行器控制程序:首先初始化端口、定时器、WiFi模块等，然后通过WiFi模块接收OneNet平台数据，之后扫描按键，最后根据逻辑判断结果控制相应继电器动作。流程图如图8所示。

图8 执行器控制程序流程图

5 结语

本监控系统与其它监控系统存在较大的不同，它可以通过温湿度、气体浓度、光照度的集成检测完成养殖场环境检测；通过液晶显示器使工作人员能够掌握实时数据，并在超出报警限时通过蜂鸣器和指示灯发出声光报警；同时将实时数据上传到OneNet平台上，用户可以不分地域、时间通过访问网页的方式，实时监控整个养殖场，还可以通过平台向执行控制模块发送控制指令；最后，执行器模块通过WiFi模块接收OneNet平台数据及指令，控制执行器动作。

随着“互联网+”时代的到来，基于开放物联网平台的养殖场综合监控系统将在养殖业起到越来越重要的作用，进一步推进“智慧养殖业”的发展。