基于Arduino控制板的鸡舍有害气体检测系统设计

杨献峰　孙甲霞等

摘要：针对现代化养鸡场生产过程中需要对鸡舍中的有害气体进行检测，以便为蛋鸡的生产决策服务，设计了一种基于Arduino控制板的鸡舍有害气体无线采集系统。设计采用Arduino控制板作为控制核心，结合使用CO2、NH3和H2S等传感器和无线数据收发模块，实现了对鸡舍特征信息的采集、数据处理及显示报警等功能，非常适用于现代家禽生产过程中对鸡场信息进行快速采集。

关键词：Arduino控制板；数据采集；有害气体；传感器

中图分类号：TP277；S126 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）15-3760-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.15.047

Abstract： In the productive process of modern henhouse，it is needed to collect the information of harmful gases in the henhouse， which contributes to the decision about the layer production，so a wireless project based on Arduino control board for the detecting of harmful gas was designed. The system took Arduino control board as the control core，combining with wireless UART module（CO2，NH3，H2S） and sensor module，and the functions including information collection，data processing and alarm indication were realized. In general， the system was suitable for modern poultry production for fast acquisition of harmful gas.

Key words： Arduino control board； data acquisition； harmful gas； sensor

中国现代养殖的规模越来越大，集约化程度也越来越高，对养殖环境提出了更高的要求。鸡舍环境的控制是鸡场管理中的一项重要内容，包括鸡舍的温度、空气的质量等，其中最重要的就是对鸡舍空气质量的管理。通风良好的养殖环境可以显著提高养殖的成活率并减少疾病的发生[1-3]。因此，如何检测和减少养鸡场中的有害气体，对养殖企业来说非常关键。

不少养鸡场采用人工通风、人工喷洒消毒剂等方法来减少鸡场的有害气体，但这些方法显得越来越落后。也有养鸡场采用微控制器对鸡舍的有害气体进行采集和控制[4，5]，但存在着一些弊端。为了提高和加快鸡场养殖的信息化，提高养殖企业的经济效益，降低人工劳动强度，考虑鸡舍不太适合进行有线施工的实际情况，结合嵌入式技术和数据的无线传输，设计了一种基于Arduino控制板的鸡舍有害气体无线采集系统[5，6]。该设计将采集到的鸡舍CO2、NH3、H2S等主要有害气体信息及鸡舍环境的温度和湿度等信息通过控制芯片处理后，经过无线传输把鸡舍的相关环境信息传给上位机，在上位机显示界面上实时动态显示出来。并将接收到的数据生成相应的数据库，方便进行鸡舍环境数据的分析，为鸡舍的生产和管理提供依据。该系统设计具有施工容易、成本低、工作稳定等特点。

1 系统整体设计

系统由Arduino控制板、CO2传感器、H2S传感器、NH3传感器、空气温湿度传感器、光照转换模块和无线串口数据收发模块组成，其中Arduino控制板作为系统的控制核心，负责采集鸡场环境数据，然后按照一定的通信协议传输给控制台[7，8]。系统的结构框图如图1。

2 系统硬件设计

2.1 Arduino单片机控制板

Arduino是目前流行的源于意大利的开源硬件。其硬件完全开源，软硬件完全免费，具有良好的基于C语言的集成开发环境（IDE），任何组织和个人都可以免费使用。具有简单、易使用的特点，非常容易上手。硬件平台上面预留了IO口、I2C等接口，方便和外部电路进行互连互通，尤其和各类传感器的连接十分简单。另外大量的公司和个人爱好者也开发了多种Arduino外围功能电路供选择，如电机的驱动、无线通信、USB接口、CAN总线等。

设计将Arduino UNO R3作为控制单元，该版本是Arduino USB接口系列的最新版本，使用ATmega328作为核心控制单元，有14路数字IO（其中6路可以作为PWM输出），6路模拟输入，另外该控制板还支持I2C和串行外设接口（SPI）通信协议。

2.2 光照度模块单元

光照度传感器的基础为光电转换器件的光电效应，可以将光照度转换为电压值，以方便控制芯片对光照进行检测和控制。光照度传感器一般由光源、光学电路和光电器件等组成，在控制和检测方面应用非常广泛。

设计中使用的光照度传感器为HA2003，其内部采用原装内置16位模拟数字转换器的芯片BH1750FVI，检测范围为0～216-1，该模块直接输出反映光强弱的数字信号，免去了复杂的计算和标定。另外该模块支持I2C通信协议，和单片机的端口直接对接，非常容易在系统中进行扩展而无需任何附加电路，适合广泛应用在温室大棚培育、养殖等行业的光照测量及研究中，其和控制板的连接如图2。模块引脚表示如表1。

2.3 空气温湿度传感器模块

鸡舍中的空气温湿度数据采集模块采用SHT11，该传感器模块是盛思锐（Sensirion）温湿度传感器系列中的产品，该产品提供的输出数字信号是经过完全标定之后的，无需再经过额外的标定即可使用[9，10]，具有低功耗、体积小、长期稳定性高等特点。与单片机的IO口可以直接连接，使用非常方便。相对湿度范围：0%～100%，最大误差±3%RH。温度工作范围：-40～125 ℃，温度最大误差±0.4 ℃。其与控制板的连接如图3。

2.4 CO2传感器模块

CO2传感器模块采用工业级的MG-811 CO2探头，该传感器对CO2非常敏感，还能同时排除酒精和CO的干扰。对周围环境的温湿度依赖小、工作性能稳定、响应速度快。连接图如图4所示。

2.5 H2S传感器模块

H2S是有毒气体，对人和动物都有很大的危害性，人在H2S浓度为300 mg/L的环境中会感觉呼吸困难，浓度为500 mg/L时就会失去知觉，所以非常有必要检测其浓度，使鸡舍的H2S浓度在允许的范围内。H2S传感器采用H2S/M-100，该模块是电流驱动型，需要利用I/V转换电路，把电流转变成电压，然后再经过放大器送入控制芯片处理即可[10-12]。另外该模块受CO、SO2、NO等其他气体的干扰较小，还具有体积小、重量轻及安装使用方便等特点。测量范围0～100 mg/L，分辨率0.1 mg/L，湿度范围15%～90 % RH。与终端设备的连接图如图5所示。

2.6 NH3传感器模块

NH3传感器模块采用MQ-137和LM393组成的模块电路，工作电压为直流5 V，与控制板连接方便。电平输出为TTL，可直接接单片机的IO口。具有灵敏性很高、选择性较多、寿命长、稳定以及响应恢复快速等特点，适合用于禽类养殖等环境中[13]。测试浓度范围：5～500 mg/L。与终端设备的连接图如图6所示。

3 系统软件设计

系统软件设计由上位机软件和下位机两部分组成。

3.1 底层软件设计

软件设计使用keil c51编写，该软件开放环境基于C语言。下位机包括主循环、各种传感器的采集和处理程序及串口发送程序。数据发送的时间间隔为20 s，程序流程图如图7。初始化主程序中设置波特率、定时器和中断操作；传感器测量程序测量光照度、温湿度、CO2、H2S和NH3等环境信息，并通过串口发送给控制台。

3.2 控制台软件设计

控制台软件采用C#编写，将采集到的传感器数据按照一定的协议通过串口发送出去，再把接收的数据经过处理后在对应的显示控件实时显示，并绘制成曲线图显示，最后可以打印输出。

4 小结

基于ArduinO控制板的鸡舍有害气体信息无线采集系统能采集鸡舍环境的温湿度，鸡舍空气的光照度、H2S、NH3及CO2等有害气体的浓度，并能对采集电路的掉电情况进行相关的检测。整个设计具有采集数据的精度高、操作方便简单、成本低廉、抗干扰能力强等特点，能对现代养殖业的生产和决策提供真实有效的数据支撑，具有很高的推广价值。

参考文献：

[1] 赵 娟，李丽华，贾兰英，等.基于AVR单片机的鸡舍有害气体监测系统[J].农机化研究，2011，33（4）：85-88，92.

[2] 童海兵，邵 丹，张 珊，等.不同饲养密度对肉鸡舍内有害气体、粉尘和微生物的影响[J].中国家禽，2014，36（20）：30-33.

[3] 卢 超，李鹏辉.基于虚拟仪器的有害气体报警仪[J].电子器件，2013，36（4）：559-563.

[4] 高同辉，杨立峰.基于ZigBee的有害气体检测系统设计[J].电视技术，2013，37（13）：202-207.

[5] 丁承君，赵艳辉，张明路，等.基于ZigBee的有害气体信息采集系统设计[J].天津工业大学学报，2012，31（1）：74-77.

[6] 魏凤仙，胡骁飞，李绍钰，等.肉鸡舍内有害气体控制技术研究进展[J].中国畜牧兽医，2011，38（11）：231-234.

[7] 蒋勇军，陈来文，李桂琴.鸡舍中有害气体的产生及控制措施[J].黑龙江畜牧兽医，2011（12）：66-67.

[8] 高军礼，朱慧华，李龙昌，等.基于可编程电路的有害气体检测系统研制[J].自动化与仪表，2014，29（7）：18-21.

[9] 李 莲，金晶晶.一种可移动有害气体检测装置的软件设计[J].自动化与仪表，2011，26（6）：47-49.

[10] 俞守华，区晶莹，张洁芳.猪舍有害气体测定与温度智能控制算法[J].农业工程学报，2010，26（7）：290-294.

[11] 谭韦君，丁万山.基于红外传感器和ARM的大气有害气体浓度监测系统[J].传感技术学报，2011，24（3）：321-324.

[12] 侯立安，吴鸿辉，王佑君.密闭空间有害气体的吸附工艺研究[J].环境工程，2009，27（6）：63-65.

[13] 俞守华，董绍娴，区晶莹.猪舍有害气体NH3、H2S的电子鼻定量识别[J].农业工程学报，2009，25（7）：153-157.