基于ARM控制器的猪舍有害气体无线检测控制系统

左现刚 孔德川 周逸 王建平

摘要：在现代化养猪场的生产过程中，需要对猪舍中影响猪群健康的有害气体进行检测，以便于猪场作出生产决策。设计了1种基于STM32的猪舍有害气体无线检测采集系统，整个设计采用STM32作为主控制单元，结合使用CO2、H2S、NH3等传感器和无线数据收发模块。该系统实现了对猪场整体特征信息的采集、数据处理、显示报警等功能，非常适用于现代化禽畜生产过程中对猪舍信息进行快速采集。

关键词：有害气体；STM32；数据采集；传感器

中图分类号： TP276；S126文献标志码：

文章编号：1002-1302（2016）08-0440-03

目前，中国的养猪行业逐渐由小规模散养向工厂化、集约化养殖发展，养猪场中猪的数量往往是上千头甚至上万头，因此猪场的疾病预防非常重要。对猪场环境的调控水平是预防疾病的关键和影响养猪业生产水平的重要因素，也是导致我国养猪业水平落后于其他发达国家的原因之一[1-3]。良好的通风环境能大幅减少猪病的发生，从而提高养猪的成活率和经济效益；因此，检测并减低猪场内的有害气体，是规模化养猪中一项非常必要的工作。

近年来，不少专家、学者、科研人员基于不同技术研制了多种检测和控制猪场环境的技术和产品，并在一些大型养殖企业中得到应用。文献[4]设计了1种采用Zigbee技术采集温室环境数据信息的环境远程监控系统。文献[5]基于PLC技术研制了用于改善分娩猪舍环境质量的智能监控系统，但该系统是对猪场环境的整体检测和控制，并无调节改善仔猪小环境的功能。文献[6]基于ARM和ZigBee无线网络研制了对有害气体H2S、CO、CH4的采集系统，該系统使用ZigBee进行数据通信，利用上位机对气体浓度进行实时监测，但该系统采用专用模块设计，成本较高。文献[7]设计了1种基于可编程电路的电化学有害气体检测系统，利用统一的硬件平台通过串行通讯协议实现对多种有害气体浓度的检测，但其无线通信采用Wi-Fi方式，通信距离短，且极易受到外界无线信号的干扰和影响。

为提高养猪的经济效益，加快养猪的信息化进程，并考虑到猪舍环境不适合布线的情况，在已有研究的基础上，基于无线数据传输模块和嵌入式技术，设计了1种基于ARM控制板的猪舍有害气体无线检测采集和控制系统，以实现对猪舍环境的远程监控和集中远程控制[8-11]。该系统主要由以下模块组成：猪舍有害气体（CO2、NH3、H2S）信息的检测、采集、处理模块，数据的无线传输模块，数据的显示、分析、决策模块。

具体工作过程为：有害气体及猪舍环境的温湿度等数据通过CPU处理后，经无线数据传输模块上传至上位机进行显示，并对采集的数据与数据库中猪舍的正常环境信息进行分析比较，从而为猪场管理人员提供数据依据。该系统具有施工简单、精度高、稳定性好、成本低的特点，非常适于推广使用。

1系统整体设计

系统由STM32控制板、CO2传感器、空气温湿度传感器、H2S传感器、NH3传感器、光照转换模块、触摸屏、基于无线的串口数据收发模块组成。STM32控制板作为系统的控制中心，负责采集猪舍的环境数据，数据经CPU处理后按照自定义的串口通信协议传输给上位机。系统整体结构见图1。

2系统整体硬件设计

2.1STM32单片机

系统前端采用目前流行的STM32F103RBT6单片机（意法半导体公司），具有性价比高、功耗低、价格低的特点。其硬件资源丰富，开发过程简单，非常适于做控制类的电子产品，且其集成开发环境（IDE）是基于C语言的KEIL开发软件（ARM公司）。

2.2主要气体检测模块

硫化氢传感器采用英国Alpha sense型电化学气体传感器。该传感器具有灵敏度高、线性好、高选择性的优点，利用的化学原理是传感电极与被测气体发生化学反应后，产生与被测气体浓度成正比例关系的电信号（主要是电流）。

氨气传感器采用NH3 3E 100SE型传感器，其测量范围为0～100 mg/L，工作电压为5 V，便于与控制板连接，可直接连接到MCU的I/O口。该传感器具有分辨率高、灵敏性高、线性好、寿命长等特点，非常适用于检测禽类和畜类养殖环境中的有害气体。与终端设备的连接图见图2。

由于电化学传感器输出的微弱信号无法达到模数转换器的检测信号要求，需要对其进行放大处理。本系统检测电路使用高精度运算放大器ICL7650（Intersil公司），该放大器具有增益高、输入偏置电流小、响应快、漂移低等优点，将传感器输出的信号放大至STM32的A/D检测范围内。系统采用2级放大，第1级使用2个ICL7650，具有高输入阻抗和共模抑制比。为防止电路自激振荡，在R2两端并联150 pF电容。檢测电路见图2。

2.3温度传感器模块

温度传感器模块采用单总线传感器DS18B20，仅需1根线就可与MCU互相通信并进行级联。每个DS18B20传感器在出厂时均有1个全球唯一的64位光刻ROM编码，有4种分辨率可选，温度分辨率可达0.062 5 ℃，可设置温度上下限报警区间。其内部结构见图3，与MCU的连接见图4。

2.4湿度传感器模块

猪舍中的空气湿度传感器采用电压输出式集成湿度传感器HM1500（美国Humeral公司），该传感器属于通用型湿度传感器，测量范围为（0%～100%） RH。该传感器集成度高，不需要外围元件，使用非常便捷，十分适用于带ADC的控制器。可输出与相对湿度成线性比例关系的电压信号，范围为（+1～+4） V，精度为±3% RH，灵敏度为+25 mV/RH。其外形见图5。

[FK（W9][TPZXG5.tif；S+3mm][FK）]

电压输出的计算公式为：U0=1.079+0.256 8RH。在（10%～95%） RH范围内，TA=+23 ℃时输出电压与相对湿度的响应曲线见图6；当TA≠+23 ℃时，湿度按下式修正：

[JZ]RH′=RH×[1-2.4（TA-23）e-6]。

2.5光照度模块单元

光电效应是光照度传感器的基础，光照度传感器由光源、

光学电路、光电器件等组成。可将光照度转换为电流或电压值，再接到A/D转换器变成数字量，送至控制器对光照进行检测和控制。

光照度传感器使用HA2003传感器，该传感器广泛应用于温室大棚培育、林业、养殖的光照测量。其原理是光照度变为电压值后，经调理电路将电压值转换为0～2 V电压值或 4～20 mA电流值。该模块具有I2C总线协议，非常便于与控制器进行接口，与控制板的连接见图7。

4结论

[CM（24]基于STM32的猪舍环境信息无线采集系统能够采集猪[CM）]

舍环境中的温度、湿度、光照度以及H2S、NH3、CO2等气体的浓度，可用于现代养殖业。系统具有采集精度高、操作便捷、抗干扰性强的特点，具有较高的推广使用价值。

参考文献：

[1]王美芝，田见晖，刘继军，等. 北京市繁殖猪舍高温环境控制状况[J]. 农业工程学报，2011，27（10）：222-227.

[2]王美芝，吴中红，刘继军. 标准化示范猪场建设——标准化规模化猪场中猪舍的环境控制[J]. 猪业科学，2011，28（3）：28-31.

[3]王清义，王占彬. 环境温度对仔猪、繁殖母猪及生长肥育猪的影响[J]. 黑龙江畜牧兽医，2002（11）：15-16.

[4]韩华峰，杜克明，孙忠富，等. 基于ZigBee网络的温室环境远程监控系统设计与应用[J]. 农业工程学报，2009，25（7）：158-163.

[5]李立峰，武佩，麻硕士，等. 基于组态软件和模糊控制的分娩母猪舍环境监控系统[J]. 农业工程学报，2011，27（6）：231-236.

[6]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.