基于无线传感网络的智能畜禽舍环境控制系统设计

江苏农业科学２０１７年第４５卷第１３期　陈熔，丁　凯．基于无线传感网络的智能畜禽舍环境控制系统设计［Ｊ］．江苏农业科学，２０１７，４５（１３）：１８５—１８８　一１８５一　ｄｏｉ：１０．１５８８９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—１３０２．２０１７．１３．０５１　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　（江苏农牧科技职业学院，江苏泰州２２５３００）　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：￥１２６；ＴＰ２７３　文献标志码ｉ　Ａ　文章编号：１００２—１３０２（２０１７）１３—０１８５—０４　我国是农业生产大国，畜禽种类多、数量大，畜禽养殖业　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　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　影响。畜禽舍环境控制常见标准见表１。　应，大量采用封闭式的养殖方式，这种方式具有很多的优点，　表１畜禽舍环境控制标准　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…。　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　适合畜禽生长的环境标准见表１，但在实际生产中，畜禽　环境参数，为畜禽生长提供安全、健康的环境，实现了畜禽养　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　殖的自动控制及高效管理，保障了畜禽养殖业的可持续　生长的状态下。为了营造畜禽健康生长的环境，就必须人为　发展　。　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　１　畜禽舍环境对畜禽健康的影响　生长的影响　。　１．１　湿度　畜禽养殖与其所处的环境有着密不可分的关系，影响畜　在畜禽舍内空气中的水分来自舍外的空气水分、畜禽自　收稿日期：２０１７—０２—２１　身分泌（如粪便、呼吸等）、舍内设备和设施表面蒸发产生的　基金项目：江苏省科技支撑计划（编号：ＢＥ２０１３４１３８）；２０１４年江苏省　水汽（如水槽等）。在一般情况下，湿度对畜禽生长不会有太　“青蓝工程”优秀青年骨干教师培养计划。　大的影响，但在特别潮湿的环境中，病原体极易繁殖，容易引　作者简介：陈熔（１９７５一），男，江苏泰州人，硕士，副教授、工程师，　起传染疾病流行。　主要从事农业信息技术研究。Ｔｅｌ：（０５２３）８６１５８０８９；Ｅ—ｍａｉｌ：　１．２温度　Ｒｏｎｇｃ＠１６３．ｃＯｒｆｌ。　温度对畜禽的生长、繁殖、产乳、产蛋都有着巨大的影响。　［４］魏灵玲，杨其长，刘水丽．ＬＥＤ在植物工厂中的研究现状与应用　［１Ｏ］杜尚丰，李迎霞，马承伟，等．中国温室环境控制硬件系统研究　前景［Ｊ］．中国农学通报，２００７，２３（１１）：４０８—４ｌ１．　进展［Ｊ］．农业工程学报，２００４，２０（１）：７—１２．　［５］董乔雪，王一鸣．温室计算机分布式自动控制系统的开发［Ｊ］．　［１１］于海业，马成林，陈晓光．发达国家温室设施自动化研究的现状　农业工程学报，２００２，１８（４）：９４—９７．　［Ｊ］．农业工程学报，１９９７，１３（增刊１）：２６０—２６４．　［６］李莉，刘刚．基于蓝牙技术的温室环境监测系统设计［Ｊ］．　［１２］曹卫彬．虚拟仪器典型测控系统编程实践［Ｍ］．北京：电子工　农业机械学报，２００６，３７（１０）：９７—１００．　业出版社，２０１２．　［７］王荣辉，沈佐锐．基于短信息的温室生态健康呼叫系统［Ｊ］．农　［１３］王多辉，毛罕平，谢明岗．植物工厂自动控制系统软件设计［Ｊ］．　业工程学报，２００４，２０（３）：２２６—２２８．　江苏理工大学学报（自然科学版），１９９７，１８（４）：７一ｌ１．　［８］何世钧，张路，张弛，等．智能温室自动控制系统的设计与应　［１４］杨玮，吕科，张栋，等．基于ＺｉｇＢｅｅ技术的温室无线智能　用［Ｊ］．河南农业大学学报，２０００，３４（４）：３９９—４０１．　控制终端开发［Ｊ］．农业工程学报，２０１０，２６（３）：１９８—２０２．　［９］李慧，刘毅．温室控制技术的发展方向［Ｊ］．林业机械与木　［１５］艾海波，魏晋宏，邱权，等．微型植物工厂智能控制系统［Ｊ］．　工设备，２００４，３２（５）：４—７．　农业机械学报，２０１３，４４（增刊２）：１９８—２０４．　一１８６一　江苏农业科学２０１７年第４５卷第１３期　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　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　。　１．３光照度　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　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　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。　硬件设备要求能在一３０—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　ｑＣ，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　。　２．２软硬件设备结构设计　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　专　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　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　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　。　１．６硫化氢　大部分：环境监控系统、数据通信系统、数据及远程查询系　统　，系统整体结构见图１。　硫化氢产生的途径主要来自畜禽的粪便分解。硫化氢含　△　，　ｚｉ　ｅ　强　风风栩　机　无线检测　元　０一　网络协　器　△　畜禽舍　统　环境监控系统　数据通信系统　图１　系统整体结构　数据及远程查询系统　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　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。　３．２主控模块　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　。　３　系统硬件设计及工作原理　３．１　系统总体设计　ＣＣ２５３０是一款专门针对２．４　ＧＨｚ　ＩＥＥＥ　８０２．１５．ｄ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。　３．３供电电源电路　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。　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、　滤波和电压输出的直流电压；ＵＰＳ电源供电方式是市电停止　中央处理器ＡＴ８９Ｓ５２是整个系统的核心部分，负责配置　汀　农、ｆ　科学２０１７　第４５卷第１３期　一１８７一　尢线　凋器　尤线传感器　图２　系统硬件总框　供电后的主要动力来源，迎过ＵＰＳ电池ｒｆ按供给系统所　机，检测端　片机将数字　号处理后传送给主控模块　。　的直流电　，以保持系统止常Ｉ　作　小没计选』１Ｊ　ｒ　３．６显示采集模块　ＭＡＸ８７６０ＥＵＡ芯片和ＡＰＩ　１　１９—２６芯片米提供１．２５　Ｖ电　爪采集模块ｆ｝Ｉ　１２８６４液品显尔模块、ＭＡＸ２３２串口通　进行供电　、ｆ占模块、ＺｉｇＢｅｅ模块组成　片机通过ＭＡＸ２３２串口传输剑　３．４　Ａ／Ｄ转换模块　ＧＲＰＳ模ｊ火一｝Ｉ＇接收检测端的无线传感信号，＋耳通过１２８６４模　采川ｆ　ＡＤ７８１２转换｝｝｛｝，它　钉高速、低能牦、１０化模数转　块显示数　信息。　攀　譬　串行接¨兼容篓　奎孽害　繁　？　，配置单端或伪蓐分输入通道，譬　璺　瓮　　多封装应川ｉ１一　Ｉ　４系统上位机设计　…一……　通过　出片ｒｊｌ脚连线实现钳能选址功能　４．１　ＩＡＲ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ集成开发环境　３．５　信号采集模块　本系统采用的是ＩＡＲ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的开发，该软　检测电路由无线传感器、Ａ／Ｄ转换模Ｊ火Ａ１）Ｃ０８０９和【Ｕ源　什采用嵌入式的开发环境，使用简单、方便，并带有编译器、数　组成。通过无线传感器对环境因于进干ｊ＿榆测，然后通过Ａ／１）　据库的僻邢功能和项｝１开发工具等。ＩＡＲ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　转换模块进行数模转换，最后将数字信　发送给检测端　片　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ　ｋ）ｒ　８０５１７．６０的初始界面见图３。　￡　ｌ溶　ａ　簪　蕊蹙　簿　｝ｒ　：ｌ　露　｝碡簿　黪　彦　≮《《辩　％　麟　ｘ　■　￡冁ｉ　§§《§　《《　镕§《　錾莲§　§§　黉盎　《《蠢磋曩蚩　§§　妻藿　嚣螽　§喜　蕈薏鲻　薰曩　懿　《　§《§嚣蓬　然　ｊ　；？　ｊ　亭　ｌ　ｌ　ｌ００　ｌｌ　ｌｉ　ｌ　ｌｉ　…　＿＝¨　。　　＝零　囊　鬻譬　ｉ　ｉ　霉。　　－…　辘　，谢｝８　ｅ０抟　释等０　虢聍８ｄ｛ｎｗ《ｅｐ　ｈ　＾雠ｉ静ｓ　８ｎ　ｆ０　ｕ　ｎ　基ｎ８ｇｅ　ｓ　ａｎ心ｃｎｅ《ｋ　ｔｔｌｅ　ａｒ　…　｝…　¨　……　矗　Ｓ…剐　ｐ　＋　…　ｒｅｃ。州｛ｎ§。　一　…　ｑ…　｛　…　ｆ’扭ｉ…　Ｐ０　ｌ　§：　…　蛳ｍ￡　“　…｝　§ｆ　０｝一　０…　…Ｉｌ　ｔ＾　＾　…　｛　荆…　　Ｉ《＿．　～　｝　；辨ａｔ　ｃ《　…一　图３　ＩＡＲ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ初始界面　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，朱满足最小系　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）　系统旨先要对氨气模块进行初始化处　，然后开始采集　氨气传感器的探测信号，并在有效间隔时问内反复对空　ｔ　的氨气含量进行检测和采集，当确定采集刮信号后，没置数据　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。　４．４　ＺｉｇＢｅｅ软件设计　ＺｉｇＢｅｅ软件设计流程见图６　ＺｉｇＢｅｅ通过ＡＴ命令进行　图４系统初始化子流程　一１８８一　江苏农业科学２０１７年第４５卷第１３期　图５氨气检测模块设计　图６　ＺｉｇＢｅｅ软件设计流程　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　图７终端节点初始化设计　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］郝志平．基于ｚｉｇＢｅｅ技术的畜禽舍环境监控系统的研究ｌＤ］．　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］李文华，高惠芳，李小龙．．基于物联网的猪舍环境参数远程ｌ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）：１６４一ｌ７Ｏ．　［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［Ｊｊ．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．　［１０］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．