猪舍环境智能监控系统设计*

赵 斌，石 磊，匡丽红，王 淞，刘志强

（黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江 大庆 163319）

猪肉制品在我国肉制品消费中占60%以上，我国猪肉产量占世界产量的50%以上[1]，除自产外还需要大量进口猪肉。受各种因素影响，我国进口猪肉经常受限。因此，地方政府大力扶持和发展规模化养猪，生猪养殖业向现代化、集约化、规模化发展。饲养密度增大，舍内环境问题随之逐渐暴露，成为制约养猪企业发展的突出问题[2]。密闭猪舍的空气质量监控技术已成为生猪健康养殖的关键技术之一。

近年来，国内学者在猪舍环境监控技术、猪只健康监测技术研究中取得很大进展。王辉明等[3]采用ZigBee技术构建无线数据网络，将采集的养猪场环境参数传输到控制终端，利用组态软件开发了管理系统，设计了猪场温湿度模糊控制系统，环境参数控制精度小于4%。刘艳昌等[4]设计了以移动机器人为终端的空气质量智能监控系统，以现场可编程 逻 辑 门 阵 列 （Field Programmable Gate Array，FPGA）为核心，通过无线通信模块将传感检测模块获得的数据传输到上位机，上位机根据获取信息和设定信息实施环境控制。贾安峰等[5]探讨了利用物联网技术构建猪舍环境监控系统，论述了物联网架构、传感模块的对比等。曾志雄等[6]采用“一主多从”的ZigBee网状拓扑结构构成无线数据采集系统，通过主节点将数据上传至Web端，实现系统远程控制，锂电池可持续工作170 h。王斌等[7]研究了猪舍环境温湿度和氨气浓度检测方法，采用了多传感器数据融合算法，制定了可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制算法，系统成本低，易安装及维护。

目前，东北地区规模化养猪场蓬勃兴起，但人力资源紧缺，亟需成本低、适合该地区应用的猪舍环境监控系统。本文结合东北地区大型养猪场猪舍环境调控特点及应用需求，研究了基于无线局域网络的猪舍环境监控系统。

1 监控系统架构

猪舍环境智能监控系统由猪舍环境监控终端、LoRa无线通信模块、无线网络汇聚节点、远程监控终端等组成。猪舍环境监控终端实时进行环境温湿度、光照度、CO2浓度和氨气浓度采集，并通过LoRa网络将采集的数据传输到现场无线网络汇聚节点，同时，监控终端可以自主按照设定阈值进行天窗、加湿、除湿等相关设备的控制操作，或者根据指令进行控制。无线网络汇聚节点将获得的环境参数通过GPRS网络传输到控制室PC端或者用户手机端，并接收PC端或者手机端的指令，下传给监控终端。PC端和手机端显示、存储相关数据，并可设定相应的调控阈值，即时发送调节指令等。系统具有成本低、操作方便等特点。

2 监控终端系统设计

考虑到猪舍举架高，常年运行，而且猪舍内本就有电灯电源线、控制设备电源线等，猪舍内环境参数采集没有采用无线方式，免去了大量电池集中充电的问题，也避免了工人充电不及时造成设备长期不工作的问题。猪舍环境监控终端通过RS485总线实时获取采集节点的环境数据，并将数据通过LoRa网络传输到汇聚节点，按照程序设定进行自主控制，或者接收PC端或手机端指令进行环境调节。监控终端系统主要包括微处理器、总线通信模块、采集模块、LoRa通信模块等。

2.1 采集节点模块

采集节点完成猪舍内温湿度、光照度、CO2浓度和氨气浓度等环境参数的实时采集与处理，结构见图1。

图1 采集节点结构图

采集节点核心采用了STC15L2K60S2单片机，片内集成60 KB程序存储器、2 KB数据存储器，以及2个UART接口、8个10位的AD转换通道，满足采集功能需求。猪舍环境质量是制约养猪生产发展的重要因素，在众多因素中温度和湿度尤为重要。该模块的温湿度传感器采用了SHT20低功耗数字温湿度传感器，温度测量范围为-40~125℃，14位输出时精度为±0.3℃；湿度测量范围为0%~100%，精度为±5%；电源为直流2.1~3.6 V，测量功耗为300μA，采用I2C接口，与单片机P2.3和P2.2引脚连接。光照度传感器采用了低成本的I2C光照度传感器SS1060I，电源为直流5 V，最大功耗为400 mW，测量范围为1~65 535 lx，满足室内环境使用，其输出与单片机P2.1和P2.0引脚连接。氨气浓度传感器采用ZE03型模拟输出传感器，电源为直流5 V，测量范围为0~100×10-6，分辨率为1×10-6，对应输出直流0.6~3 V，由单片机的P1.3口进行AD转换。CO2传感器采用的是MH-Z18型NDIR红外气体传感器，电源为直流5 V，平均电流＜50 mA，量程为0~2 000×10-6，精度为±50×10-6，UART串口输出，直接连接单片机串口2。每个采集节点利用其内部E2PROM存储节点地址、采集周期数据，这些数据可以通过串口指令修改。采集节点与监控终端之间通信采用RS485总线通信方式，便于根据猪舍面积和需求增减采集节点数量，终端定时轮询各个采集节点。

2.2 监控终端模块

监控终端模块完成收集采集节点数据、与无线网络汇聚节点互输数据、控制执行设备等功能。其核心采用的是STC15L2K60S2单片机，引脚数及功能能满足控制终端功能需求。通常各地猪舍环境调节设备各不相同，以交流大负荷设备为主。为保持系统的通用性，系统控制输出采用了3种信号输出，分别为220 V交流输出、4~20 mA直流输出、0~10 V直流输出，电路见图2。

图2 控制输出部分电路图

220 V交流输出最大承载电流为10 A，可以直接驱动小型交流调节设备，大型三相交流设备可以在该输出端外接三相继电器。单片机的所有控制输出都经过光电耦合器隔离，以保证核心系统工作的稳定。4~20 mA直流输出、0~10 V直流输出便于扩展连接其他变频设备或者PLC设备需要此类信号。0~10 V直流输出采用的是有源高精度隔离变送器T1530D，电源为直流24 V，输入为直流4~20 mA，输出为直流0~10 V，精度为0.1%F.S.。4~20 mA直流输出采用了两线制信号调理模块TW147HL，输入为脉冲宽度调制 （Pulse Width Modulation，PWM）信号，输出为调制电流信号，PWM信号由单片机产生。

由于现代化猪场通常占地面积较大，如果采用猪舍间有线通信方式，增加成本和施工难度，易损坏，所以采用无线组网形式较好。如果每个控制终端都通过通信基站与手机端或者PC端通信，势必增加成本。因此，兼顾通信距离远、成本低、费用低问题，选用了低功耗、小功率、高性能的无线模块UM402，频率为433 MHz，与单片机串口2连接，见图3。传输视距在5 km内，即使有楼房等障碍物，也能保证2 km以上的传输距离，满足现有大型猪场覆盖范围。各个猪舍控制终端通过UM402与无线网络汇聚节点组网，由无线网络汇聚节点将数据汇总后传输到PC端或手机端。

图3 UM402接口电路图

3 汇聚节点设计

无线网络汇聚节点起到承上启下的作用，一方面通过UM402收集网络内猪舍环境控制终端的采集信息，通过USR-GPRS7S3传输到云服务器端，另一方面通过USR-GPRS7S3接收控制指令，通过UM402下发到相应的控制终端。USR-GPRS7S3支持GSM/GPRS网络；支持TCPClient和UDPClient；支持短信透传、网络透传、HTTPD和UDC等多种工作模式。利用USR-GPRS7S3和有人物联网公司提供的云服务平台，开发云平台管理软件。相较于每个终端单独与服务器通信的方式，这种通过汇聚节点与服务器通信的方式可以降低GPRS模块的投入成本和运行时的短信费用，缺点是数据传输的实时性有所降低，但是在实际应用中，环境参数不会出现剧变，这个延时对实际生产不会产生影响。

4 控制终端工作流程设计

控制终端负责组织猪舍内各个节点的数据采集、调节执行设备、传输数据到无线网络汇聚节点，是系统的重要组成部分。其工作流程如下：系统上电进行系统初始化设置，并读取ROM中保存的地址号、采集周期、通信波特率、报警阈值和控制阈值等设置；开启定时器，按照设定的采集周期计算定时时间，如定时时间未到，检测是否有云服务器指令传来，有指令则按照指令发出调节动作或者收集数据，如定时时间到，向采集节点发出数据采集指令，收集采集数据，并把数据发送到汇聚节点；判断本轮数据是否有超限情况，如有超限参数，根据超限情况和程序设定发出调节动作，同时不断查询该采集节点数据情况，直到超限数据消失，恢复到正常循环状态。

5 结束语

针对现代化大型猪场猪舍环境监控问题，本研究采用云服务器、无线网络汇聚节点、猪舍环境监控终端、采集节点等构成了猪舍环境智能监控系统。采集节点实时采集猪舍内温湿度、光照度、氨气浓度和CO2浓度等信息。猪舍环境监控终端采用RS485总线方式收集采集节点的数据，采集节点数量可根据猪舍面积和用户需求灵活增减；监控终端调节输出方式灵活，可以输出220 V交流信号控制单相交流设备，或外接扩展模块驱动大型三相负荷设备，能够输出4~20 mA直流信号、0~10 V直流信号，便于与PLC、变频器等设备连接；各个猪舍监控终端通过LoRa网络与汇聚节点组成免费内网。汇聚节点通过内网与各监控终端进行信息交互，通过GPRS模块与云服务器、手机端和PC端进行信息交流，一个猪场使用一个汇聚节点连通通信基站即可，降低使用成本和运营成本。整个系统具有配置灵活、成本低、精度高、通用性和扩展性好的特点。