淮安生物工程高等职业学校 张兆朋 王友刚 杜光波

基于物联网的羊舍环境监控系统的设计

淮安生物工程高等职业学校 张兆朋 王友刚 杜光波

本文对羊舍环境监控系统进行了研究和设计，提出了基于物联网的ES系统在羊舍环境监控系统上的应用，利用超低功耗单片机、各种传感器，无线发射接收模块等进行信息采集传输处理，将采集到的信息通过无线传输发送到主单片机，由主单片机发送到上位机，ES系统根据传送的信息与电脑数据库里的数据信息进行比较，然后利用下位机控制执行机构进行工作进行智能控制，达到羊群生长的最佳环境，同时把信息显示在管理员办公室里的显示屏上，管理员也可以切断自动控制根据显示进行手动控制，如通风、洒水、补光等，该系统的好处是可以实时监控，节省了人力，提高了工作效率。

物联网；羊舍环境监控系统；ES系统；信息采集传输处理；智能控制

0 引言

动物生长需要适宜的温湿度，光照等，不同的动物需要不同的环境，根据动物的具体情况，配置最佳的生长环境，利用温度、湿度、光照度、气体传感器等监测羊舍环境，通过无线发射技术把监测到的数据发送到液晶屏上，同时传送给电脑进行数据比较。

羊群养殖规模不断扩大，羊舍的智能管理非常重要，为羊提供好的生活生长环境同时监测羊的体重和温度等及时发现羊在生长过程中遇到的问题，及时隔离治疗防止交叉感染，适宜的温湿度、优秀的空气质量、良好的通风光照条件有助于羊的生长，同时及时的发现羊生病降低损失。美国麻省理工学院在20世纪90年代就提出了EPC系统的物联网设想，物联网由感知层，网络层和应用层组成，在农业上有着广泛的应用，利用MPS430构成几个网络节点，实时监测空气温湿度、光照强度、有害气体等，同时采集与羊健康有关的信息。这样降低了劳动强度，并能够及时的发现羊舍出现的问题，及时的解决，为羊的生长提供好的生活环境。

1 总体设计

图1 羊舍监测总框图

图2 羊舍下位机监控总框图

利用各种传感器检测羊舍内的有毒气体含量、空气温湿度、光照强度、每个羊的重量和体温等，把监测的信息传送到从机单片机MSP430，从机单片机MSP430通过无线发射模块把信息发送到主机单片机MSP430，显示器与主机单片机连接把羊舍内的信息显示在显示屏，同时主机单片机通过无线传输装置与电脑和手机相连接，把参数传送到管理员手机和电脑，检测到的参数与电脑里的参数进行比较，如果不一致则作出提示，管理员采取措施解决问题。

2 肉羊舍环境参数

肉羊生长适宜的温度是15-20℃，相对湿度为50-70%，通风量在不同季节通风量不同，冬季是0.3m³/只，夏季是0.70.3m³/只，采光是光照与地面面积之比为1:15-1:20较适宜，空气质量为氨气小于20mg/ m³，硫化氢浓度应小于8mg/ m³，二氧化碳浓度小于1500mg/m³，总悬浮颗粒需小于4mg/ m³，肉羊在此环境中生长较适宜，设计的监控系统检测到的信息和肉羊羊舍环境参数进行比较。

3 硬件设计

硬件设计包括信息的采集，传输，接收，处理，控制，执行等，利用压力传感器、温湿度传感器，有害气体传感器，红外测温探测器等组成监测部分；由电动机、电磁阀、继电器等组成执行部分；由扬声器、显示器等组成报警显示部分。

3.1 检测部分

温湿度传感器SHT11：瑞士Sensirion公司生产的具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器，可用来测量相对湿度、温度等，分辨率高。选用SHT11，进行检测羊舍内空气的温湿度，把信息传送到单片机控制器，当湿度偏离羊生长所需的适宜相对湿度或温度偏离羊生长所需的适宜温度时，报警模块发出报警提醒管理员注意，相对湿度低于50%或高于70%发出警报，温度低于15℃或高于20℃发出警报。

光传感器选用TSC2561，它是TAOS公司推出的一种高速、低功耗、宽量程、可编程的光强度数字转换芯片，该传感器用于检测羊舍内的光照强度，把信息传递给单片机，光照与地面面积之比为1:15-1:20时不提示，党当不在此范围发出警报，同时采取遮阳或补光的措施。

CO2传感器选用TGS4160，该传感器是FIGARO公司生产的一种CO2传感器，具有体积小，寿命长，耐高低温的特点，用来检测羊舍有害气体含量，当二氧化碳大于1500mg/ m³时报警通风。氨气传感器用来测量氨气浓度，当羊舍内氨气大于20mg/ m³时进行提示。

红外测温探测器可以将线路中散发的红外辐射能量转化成电信号，当羊从羊舍外到羊舍经过时可以测量羊的体温，在羊饮食时，压力传感器用来测量羊的体重和饮食情况，根据羊的体温和重量以及饮食情况判定羊的健康状况，及时采取措施进行隔离治疗。

3.2 控制部分

控制部分采用的是MSP430单片机，该单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor），该单片机起到控制作用，是监控系统的核心接收传感器发来的信号，控制执行器执行，通过无线模块或串口线与电脑连接，信息传送到上位机电脑并接受电脑发来的指令。

3.3 执行部分

执行机构包括洒水，遮阳，通风，补光等，具体操作由电动机和电磁阀来实现的，电动机控制通风，遮阳，补光等，电磁阀控制洒水；电磁阀、电动机是由中间继电器间接控制，继电器正常情况下触点是断开的，执行机构不工作，当需要洒水、通风等操作时，电脑给单片机一个命令，单片机引脚输出高电平使继电器线圈得电，常开触点闭合，电动机或者电磁阀电路接通，执行机构开始工作，实现洒水、通风等动作。在设计时，电磁阀需要原理单片机或者加入一个电容进行缓冲，防止电磁阀工作引起单片机误动作。

3.4 显示部分

图3 显示部分硬件图

图4 数据显示图

传感器检测羊舍内的环境信息传送到单片机，单片机与扬声器和显示器连接，把羊舍内的信息显示在显示屏，单片机通过无线传输装置与电脑相连接，信息传送到电脑，同时接收器上装有红绿LED，用LED显示进行表示有没有接收到信息，红LED亮表示没有接收到信息，绿LED亮表示接收到了信息。图4为监测到的温度、湿度、光照以及有害气体含量。

4 软件设计

监测模块首先完成单片机与各个传感器的初始化，然后对传感器的工作状态进行判断，如果不正常则向控制中心发送传感器故障信息，如果没有问题，开始采集传感器数据，利用Zigbee节点模块向控制中心发出监测数据。主控制器MSP430单片机及其外围电路完成初始化之后，开始断接收数据，进行判断，如数据与标准数据不一致，则发出报警并把信息显示在显示屏上，及时采取措施进行处理；如果数据与标准参数一直则将信息显示在显示器上不发出警报。

图5 节点程序流程及主控程序流程

5 具体实施方法

本产品是采用以下技术措施来实现的：利用传感器检测智能养殖场内的空气温湿度、光照强度、有毒气体传感器等，把检测的信息传送到从机单片机，从机单片机通过无线发射把信息发送到主机单片机，主机单片机与电脑相连接，参数传送到电脑，检测到的实际参数与电脑里的标准参数比较，和标准制不一致作出提示，以便管理员作出相应的处理，电脑可以联网，管理员可以在值班室查看电脑，也可以在手机查看。

6 结论

本文利用物联网技术，通过传感器监测羊舍环境，通过无线发射把监测到的信息发送到单片机，显示在显示屏上，同时可以传送到电脑，与电脑数据进行比较，上位机控制下位机使执行机构工作，配置适宜肉羊生长的最佳环境，此系统也可以用以其他动物生长环境的监控。该作品适宜于小型农场，方便用户及时掌握养殖场信息；根据动物的品种选择不同环境模式；提供一种低功耗，发射部分可以使用干电池供电，也可以采用市电供电。

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防治羊大肠杆菌病的微生态中药制剂的研制（HAN2015029）。

张兆朋（1980—），男，江苏沛县人，硕士，讲师，工程师，主要从事汽车电子、智能控制方向的研究。

2017年7月29日