基于ARM控制器的豬舍有害氣體無線檢測控制系統

左現剛 孔德川 周逸 王建平

摘要：在現代化養豬場的生產過程中，需要對豬舍中影響豬群健康的有害氣體進行檢測，以便于豬場作出生產決策。設計了1種基于STM32的豬舍有害氣體無線檢測采集系統，整個設計采用STM32作為主控制單元，結合使用CO2、H2S、NH3等傳感器和無線數據收發模塊。該系統實現了對豬場整體特征信息的采集、數據處理、顯示報警等功能，非常適用于現代化禽畜生產過程中對豬舍信息進行快速采集。

關鍵詞：有害氣體；STM32；數據采集；傳感器

中圖分類號： TP276；S126文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0440-03

目前，中國的養豬行業逐漸由小規模散養向工廠化、集約化養殖發展，養豬場中豬的數量往往是上千頭甚至上萬頭，因此豬場的疾病預防非常重要。對豬場環境的調控水平是預防疾病的關鍵和影響養豬業生產水平的重要因素，也是導致我國養豬業水平落后于其他發達國家的原因之一[1-3]。良好的通風環境能大幅減少豬病的發生，從而提高養豬的成活率和經濟效益；因此，檢測并減低豬場內的有害氣體，是規?；B豬中一項非常必要的工作。

近年來，不少專家、學者、科研人員基于不同技術研制了多種檢測和控制豬場環境的技術和產品，并在一些大型養殖企業中得到應用。文獻[4]設計了1種采用Zigbee技術采集溫室環境數據信息的環境遠程監控系統。文獻[5]基于PLC技術研制了用于改善分娩豬舍環境質量的智能監控系統，但該系統是對豬場環境的整體檢測和控制，并無調節改善仔豬小環境的功能。文獻[6]基于ARM和ZigBee無線網絡研制了對有害氣體H2S、CO、CH4的采集系統，該系統使用ZigBee進行數據通信，利用上位機對氣體濃度進行實時監測，但該系統采用專用模塊設計，成本較高。文獻[7]設計了1種基于可編程電路的電化學有害氣體檢測系統，利用統一的硬件平臺通過串行通訊協議實現對多種有害氣體濃度的檢測，但其無線通信采用Wi-Fi方式，通信距離短，且極易受到外界無線信號的干擾和影響。

為提高養豬的經濟效益，加快養豬的信息化進程，并考慮到豬舍環境不適合布線的情況，在已有研究的基礎上，基于無線數據傳輸模塊和嵌入式技術，設計了1種基于ARM控制板的豬舍有害氣體無線檢測采集和控制系統，以實現對豬舍環境的遠程監控和集中遠程控制[8-11]。該系統主要由以下模塊組成：豬舍有害氣體（CO2、NH3、H2S）信息的檢測、采集、處理模塊，數據的無線傳輸模塊，數據的顯示、分析、決策模塊。

具體工作過程為：有害氣體及豬舍環境的溫濕度等數據通過CPU處理后，經無線數據傳輸模塊上傳至上位機進行顯示，并對采集的數據與數據庫中豬舍的正常環境信息進行分析比較，從而為豬場管理人員提供數據依據。該系統具有施工簡單、精度高、穩定性好、成本低的特點，非常適于推廣使用。

1系統整體設計

系統由STM32控制板、CO2傳感器、空氣溫濕度傳感器、H2S傳感器、NH3傳感器、光照轉換模塊、觸摸屏、基于無線的串口數據收發模塊組成。STM32控制板作為系統的控制中心，負責采集豬舍的環境數據，數據經CPU處理后按照自定義的串口通信協議傳輸給上位機。系統整體結構見圖1。

2系統整體硬件設計

2.1STM32單片機

系統前端采用目前流行的STM32F103RBT6單片機（意法半導體公司），具有性價比高、功耗低、價格低的特點。其硬件資源豐富，開發過程簡單，非常適于做控制類的電子產品，且其集成開發環境（IDE）是基于C語言的KEIL開發軟件（ARM公司）。

2.2主要氣體檢測模塊

硫化氫傳感器采用英國Alpha sense型電化學氣體傳感器。該傳感器具有靈敏度高、線性好、高選擇性的優點，利用的化學原理是傳感電極與被測氣體發生化學反應后，產生與被測氣體濃度成正比例關系的電信號（主要是電流）。

氨氣傳感器采用NH3 3E 100SE型傳感器，其測量范圍為0～100 mg/L，工作電壓為5 V，便于與控制板連接，可直接連接到MCU的I/O口。該傳感器具有分辨率高、靈敏性高、線性好、壽命長等特點，非常適用于檢測禽類和畜類養殖環境中的有害氣體。與終端設備的連接圖見圖2。

由于電化學傳感器輸出的微弱信號無法達到模數轉換器的檢測信號要求，需要對其進行放大處理。本系統檢測電路使用高精度運算放大器ICL7650（Intersil公司），該放大器具有增益高、輸入偏置電流小、響應快、漂移低等優點，將傳感器輸出的信號放大至STM32的A/D檢測范圍內。系統采用2級放大，第1級使用2個ICL7650，具有高輸入阻抗和共模抑制比。為防止電路自激振蕩，在R2兩端并聯150 pF電容。檢測電路見圖2。

2.3溫度傳感器模塊

溫度傳感器模塊采用單總線傳感器DS18B20，僅需1根線就可與MCU互相通信并進行級聯。每個DS18B20傳感器在出廠時均有1個全球唯一的64位光刻ROM編碼，有4種分辨率可選，溫度分辨率可達0.062 5 ℃，可設置溫度上下限報警區間。其內部結構見圖3，與MCU的連接見圖4。

2.4濕度傳感器模塊

豬舍中的空氣濕度傳感器采用電壓輸出式集成濕度傳感器HM1500（美國Humeral公司），該傳感器屬于通用型濕度傳感器，測量范圍為（0%～100%） RH。該傳感器集成度高，不需要外圍元件，使用非常便捷，十分適用于帶ADC的控制器?？奢敵雠c相對濕度成線性比例關系的電壓信號，范圍為（+1～+4） V，精度為±3% RH，靈敏度為+25 mV/RH。其外形見圖5。

[FK（W9][TPZXG5.tif；S+3mm][FK）]

電壓輸出的計算公式為：U0=1.079+0.256 8RH。在（10%～95%） RH范圍內，TA=+23 ℃時輸出電壓與相對濕度的響應曲線見圖6；當TA≠+23 ℃時，濕度按下式修正：

[JZ]RH′=RH×[1-2.4（TA-23）e-6]。

2.5光照度模塊單元

光電效應是光照度傳感器的基礎，光照度傳感器由光源、

光學電路、光電器件等組成?？蓪⒐庹斩绒D換為電流或電壓值，再接到A/D轉換器變成數字量，送至控制器對光照進行檢測和控制。

光照度傳感器使用HA2003傳感器，該傳感器廣泛應用于溫室大棚培育、林業、養殖的光照測量。其原理是光照度變為電壓值后，經調理電路將電壓值轉換為0～2 V電壓值或 4～20 mA電流值。該模塊具有I2C總線協議，非常便于與控制器進行接口，與控制板的連接見圖7。

4結論

[CM（24]基于STM32的豬舍環境信息無線采集系統能夠采集豬[CM）]

舍環境中的溫度、濕度、光照度以及H2S、NH3、CO2等氣體的濃度，可用于現代養殖業。系統具有采集精度高、操作便捷、抗干擾性強的特點，具有較高的推廣使用價值。

參考文獻：

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