基于无线传感网络的智能畜禽舍环境控制系统设计

陈熔+丁凯

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.13.051[HT9.]

摘要：畜禽养殖在我国农业生产中占有十分重要的地位。为了确保畜禽产量，绝大多数采用封闭式的养殖方式，这种方式具有很多的优点，但畜禽养殖场的恶劣环境容易引起动物传染病，严重的会造成畜禽大面积死亡，给养殖户带来巨大的经济损失。基于无线传感技术，以畜禽养殖为例分析了影响畜禽生长的主要环境因素，将温度、湿度、氨气、硫化氢、二氧化氮等作为监控对象，设计了一套畜禽舍环境智能控制系统。该系统能够实时检测畜禽生长环境数据，实现对畜禽舍实时远程控制，具有组网灵活性好、可靠性高等特点，具有一定的应用和推广前景。

关键词：无线传感；畜禽舍；环境监控

中图分类号： S126；TP273文献标志码： A[HK]

文章编号：1002-1302（2017）13-0185-04[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2017-02-21

基金项目：江苏省科技支撑计划（编号：BE20134138）；2014年江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师培养计划。

作者简介：陈熔（1975—），男，江苏泰州人，硕士，副教授、工程师，主要从事农业信息技术研究。Tel：（0523）86158089；E-mail：Rongc@163.com。

[ZK）]

我国是农业生产大国，畜禽种类多、数量大，畜禽养殖业在农业生产中占有十分重要的地位。为了保障农畜产品的供应，大量采用封闭式的养殖方式，这种方式具有很多的优点，但饲养风险却在成倍增加。封闭式畜禽舍中环境因素对畜禽的生长繁殖影响较大，直接影响畜禽的健康。因此，利用现代通信技术，根据畜禽舍环境特点，对畜禽生长环境参数进行准确、实时的监控是保障农产品供给安全，实现农业增效、农民增收的重要手段[1]。

在无线传感技术的基础上，设计了一种智能畜禽舍控制系统。该系统能实时检测环境因子，通过控制模块实时调节环境参数，为畜禽生长提供安全、健康的環境，实现了畜禽养殖的自动控制及高效管理，保障了畜禽养殖业的可持续发展[2]。

1畜禽舍环境对畜禽健康的影响

畜禽养殖与其所处的环境有着密不可分的关系，影响畜禽生长的环境因素比较多，环境因素之间相互联系而又相互影响。畜禽舍环境控制常见标准见表1。

适合畜禽生长的环境标准见表1，但在实际生产中，畜禽舍的环境随着季节的变化起伏很大，很难将环境维持在适合生长的状态下。为了营造畜禽健康生长的环境，就必须人为地对畜禽舍环境进行控制，最大限度地降低环境因素对畜禽生长的影响[3]。

1.1湿度

在畜禽舍内空气中的水分来自舍外的空气水分、畜禽自身分泌（如粪便、呼吸等）、舍内设备和设施表面蒸发产生的水汽（如水槽等）。在一般情况下，湿度对畜禽生长不会有太大的影响，但在特别潮湿的环境中，病原体极易繁殖，容易引起传染疾病流行。

1.2温度

温度对畜禽的生长、繁殖、产乳、产蛋都有着巨大的影响。影响畜禽舍温度的因素较多，如光照的影响、畜禽自身散热以及季节变化造成温度改变等。温度过度变化会降低饲料的转换率，引起畜禽的应激反应[4]。

1.3光照度

光照对畜禽生理有着调节作用，直接或间接影响畜禽的摄食、昼夜活动规律和生长规律。适当的光照对畜禽的生长和繁殖是有益的，但在封闭式养殖场中光照过强，畜禽容易患光照性眼炎；若光照过弱，也会造成畜禽生长发育不健康，对鸡影响尤为严重，会造成鸡生产力降低。

1.4氨气

畜禽舍中的氨气主要是由动物的排泄物以及饲料、垫草等含氨的有机物分解所产生。少量的氨气对畜禽的免疫力会造成影响，但不会造成直接的伤害；当氨气浓度过高时，会对畜禽眼睛、呼吸道以及神经系统产生强烈的刺激，引发皮肤灼伤、气管炎、中枢神经麻痹等疾病。

1.5二氧化碳

畜禽舍中二氧化碳主要源自畜禽的呼吸。二氧化碳浓度过高时，畜禽舍中的氧气含量就会下降，从而造成畜禽缺氧，引起畜禽食欲不振、生长减缓、精神萎靡不振[5]。

1.6硫化氢

硫化氢产生的途径主要来自畜禽的粪便分解。硫化氢含量过高会使畜禽体质变弱、抵抗力下降，破坏畜禽的呼吸系统和中枢神经系统，引发畜禽中毒、心脏衰竭等。

2系统总体设计方案

2.1系统设计要求

本系统使用的平台为Windows 10（向下兼容），数据库为SQL Server 2008，软件系统使用IAR Embedded Workbench平台的C语言制作。远程平台通过网页（WEB）形式访问，能防止黑客袭击和网络攻击，需设定严格的权限管理，同时能允许200个用户并发访问，能够实现数据迁移等。

硬件设备要求能在-30～40 ℃环境中工作，光照传感器最小分辨率为0.05 lx，温度传感器最小分辨率为0.5 ℃，湿度传感器最小分辨率为0.5% RH，二氧化碳传感器最小分辨率为5 mg/L，氨气传感器最小分辨率为0.5 mg/L，硫化氢传感器最小分辨率为0.5 mg/L[6]。

2.2软硬件设备结构设计

畜禽舍环境监控系统是一项综合性的工程，包含了畜禽养殖技术、计算机控制技术、组网通信技术和无线传感技术等。根据畜禽舍养殖环境以及实现的功能，本系统可分为三大部分：环境监控系统、数据通信系统、数据及远程查询系统[7]，系统整体结构见图1。

[FL（2K2]本系统利用畜禽舍里安装的无线传感器实时采集现场的温度、湿度、光照度、氨气浓度等环境因子数据，通过ZigBee将采集到的数据传送到网络协调器，网络协调器通过有线的方式把数据传送到上位机。上位机实时显示采集数据，并通过图形方式直观地展示，当畜禽舍监控环境因子超出监测的范围，上位机程序会发出报警信息，并通过控制单元启动风机、湿帘等设备调节畜禽舍环境，为畜禽养殖营造健康、舒适的生长环境，促进畜禽健康成长[8]。endprint

3系统硬件设计及工作原理

3.1系统总体设计

控制节点硬件主要由中央处理器AT89S52、GPRS无线传输模块、无线传感协调器、复位电路系统、电源系统、报警系统、以太网、LCD液晶显示器、MIC输入电路等组成，硬件总框见图2。

中央处理器AT89S52是整个系统的核心部分，负责配置系统、红外信号、远程控制、提供与外网接口协议和与CC2530信息传输接收等功能；无线协调器负责采集周围环境的信息数据，并将数据传输到主控设备，控制器可以通过ZigBee模块将数据信息发送到用户手机，使用户可以实时获取系统状态信息。

[HTK]3.2主控模块[HT]

CC2530是一款专门针对2.4 GHz IEEE 802.15.4和ZigBee应用单芯片系统，具有成本低、性价比高、睡眠模式功率消耗低和转换时间快等特点，适用于所有低能耗的系统，它将微控制器、主机端及应用程序集合在芯片上。CC2530结合了无线射频（RF）的优良性能，系统内可编程并有8 kB的RAM和强大的外设支持功能。

[HTK]3.3供电电源电路[HT]

本设计采用双电源供电方式，由主电源和UPS电源2种模式组成。主电源供电方式是220 V交流市电，再经过整流、滤[CM（25]波和电压输出的直流电压；UPS电源供电方式是市电停止供电后的主要动力来源，通过UPS电池直接供给系统所需要的直流电压，以保持系统正常工作。本设计选用了MAX8760EUA芯片和API 119-26芯片来提供1.25 V电压进行供电[9]。

3.4A/D转换模块

采用AD7812转换器，它具有高速、低能耗、10位模数转换的功能，采用高速串行接口与数字信号处理器和微控制器串行接口兼容，配置单端或伪差分输入通道，在多封装应用中通过芯片引脚连线实现智能选址功能。

3.5信号采集模块

检测电路由无线传感器、A/D转换模块ADC0809和电源组成。通过无线传感器对环境因子进行检测，然后通过A/D转换模块进行数模转换，最后将数字信号发送给检测端单片机，检测端单片机将数字信号处理后传送给主控模块[10]。

[HTK]3.6显示采集模块[HT]

显示采集模块由12864液晶显示模块、MAX232串口通信模块、ZigBee模块组成。单片机通过MAX232串口传输到GRPS模块中，接收检测端的无线传感信号，再通过12864模块显示数据信息。

4系统上位机设计

4.1IAR Embedded Workbench集成开发环境

本系统采用的是IAR Embedded Workbench的开发，该软件采用嵌入式的开发环境，使用简单、方便，并带有编译器、数据库的管理功能和项目开发工具等。IAR Embedded Workbench for 80517.60的初始界面见图3。

4.2系统初始化程序设计

系统上电后，首先进行硬件模块的初始化，来满足最小系统的运行要求。系统初始化子流程见图4。

4.3监测模块程序设计（以氨气为例）

系统首先要对氨气模块进行初始化处理，然后开始采集氨气传感器的探测信号，并在有效间隔时间内反复对空气中的氨气含量进行检测和采集，当确定采集到信号后，设置数据发送，将数据发给协调器，最后协调器把数据发给主控中心。检测模块设计见图5。

4.4ZigBee软件设计

ZigBee软件设计流程见图6。ZigBee通过AT命令进行

系统远程监控，首先进行的是串口及ZigBee模块初始化，若初始化成功， 则同时进行两部分工作： （1）查询短消息， 若收到消息则解析得出控制码，并进行相应处理，若没有收到短消息， 则返回继续查询消息； （2）定时发送状态信息， 若发送成功，则返回，若没有发送成功，则返回继续定时发送消息步骤。

4.5终端节点初始化设计

终端节点在上电后，调用sampleapp_init（）函数进行初始化，通过网络协调器发送网络应用程序，网络协调器在其指定地址接收网络应用程序的终端节点，如果地址分配成功，终端节点将地址信息存储到自身的RAM或者FLASH中。终端节点初始化设计见图7。

5结语

本设计针对当前封闭式畜禽养殖方式，以无线传感网络为依托，开发了一套畜禽舍环境监控系统，该系统由环境监控

[FK（W19][TPCR777.tif][FK）]

系统、数据通信系统、数据及远程查询系统三部分组成，各部分之间具有一定的独立性，保证了系统的扩展性、安全行和可维护性。经过应用表明，该系统能够实时获取畜禽舍养殖环境信息，实现畜禽舍环境的自动控制、精准调控和远程实时监控，成本低、性价比高、实用性强，具有一定的推广应用价值。

参考文献：

[1][ZK（#]郝志平. 基于ZigBee技术的畜禽舍环境监控系统的研究[D]. 长春：吉林农业大学，2015.

[2]姜荣昌. 畜舍养殖环境监测系统的设计与实现[D]. 哈尔滨：东北农业大学，2013.

[3]刘思远，贾艳玲. 基于ZigBee的猪舍环境监测系统设计[J]. 湖北农业科学，2015，54（16）：4041-4044.

[4]李文華，高惠芳，李小龙. 基于物联网的猪舍环境参数远程监控系统设计[J]. 安徽农业科学，2016，44（6）：296-299.

[5]朱伟兴，戴陈云，黄鹏. 基于物联网的保育猪舍环境监控系统[J]. 农业工程学报，2012，28（11）：177-182.

[6]李颀，冯宇谦，周晓岚. 基于ZigBee无线网络的养殖场信息监测系统设计[J]. 陕西科技大学学报，2016，34（1）：164-170.

[7]刘义，王明泉，赵月玲，等. 基于GSM的粮仓多点温度监测系统的设计[J]. 中国农机化学报，2015，36（6）：212-215.

[8]钱政. 基于ZigBee技术的猪舍移动监控系统设计[J]. 湖北理工学院学报，2015，31（2）：31-34.

[9]刘树香，杨璐，郑丽敏，等. 猪舍环境远程监测系统的设计与实现——基于WSN技术[J]. 农机化研究，2014，36（2）：102-105.[ZK）]

[10][ZK（#]张飞云. 基于ZigBee无线网络的智能猪舍控制系统设计[J]. 广东农业科学，2013，40（15）：185-187.endprint