基于Arduino的温棚养殖环境监控系统

张浩华, 赵小姝, 于欣禾, 程立英, 马世军

(沈阳师范大学 物理科学与技术学院, 沈阳 110034)



基于Arduino的温棚养殖环境监控系统

张浩华, 赵小姝, 于欣禾, 程立英, 马世军

(沈阳师范大学 物理科学与技术学院, 沈阳 110034)

随着现代科技的发展和进步,智能农业设备开始进入人们的视野并逐渐融入农业生产中。以Arduino为主控板的温棚养殖环境监控系统的设计,根据现代化养殖对环境指标(主要包括温度、湿度、有害气体等)需求的分析,利用先进的传感器技术和无线网络传输技术设计出一种简单、高效、低成本和低功耗的温棚养殖环境监控系统。通过DHT11温湿度传感器、TGS4160型CO2传感器以及NH3传感器实时测量温棚内的环境指数,利用基于Atmega328P单片机的Arduino UNO硬件平台进行数据采集和分析,使用无线网络传输模块将实时数据传送到Yeelink平台,即可实现实时数据监测以及异地监控,也便于对温棚养殖环境实施长期监控和数据分析。

Arduino; 传感器; 环境监测; 远程监控

0 引 言

温棚养殖在禽类养殖业中占据重要地位,棚内环境直接影响禽类生长。例如,在肉鸡养殖过程中,温棚接近为一个封闭的环境系统,该环境内的温度、湿度、气流、有害气体浓度等因素对于肉鸡的生长起到至关重要的作用[1]。随着科技的进步和大规模养殖业的迅猛发展,依靠传统技法采用人工控制环境指数已经不能满足现代化生产生活对于养殖业的要求,传统的养殖业正伴随着科技的发展向现代化的物联网技术信息化养殖业方向转型[2]。因此,研究温棚环境自动监测调节系统已经成为农业设施研制人员关注的焦点,也是传统养殖业向现代化养殖业迈进的重要一步。

近年来,已经有大量的专家学者对温棚养殖环境进行研究,虽然这些研究已经取得了显著进展,但都侧重于某一单一方面,无法系统的反应温棚环境中各因素的动态变化对禽类生长的影响。例如文献[3]的研究侧重于环境温度的监测与调节,文献[4]虽然在关注温棚环境温度的同时增加了对温棚环境湿度的监测但仍然不够全面。本次设计在以往学者研究的基础上加入了现今较为热门的Arduino UNO控制板以及Yeelink远程控制平台,使设计更加简便,使用更为方便。

1 系统总体设计

本次设计的基于Arduino的温棚养殖环境监控系统, 以原有的温棚温控系统为原型, 改传统的单片机控制为Arduino UNO硬件控制, 将单一的测温模块改为温湿度测量模块, 增加了CO2传感器和NH3传感器, 以及报警电路, 更精确的测量出鸡舍内的环境参数, 既能够为人工调控鸡舍环境提供参照, 也能够减少因人工懒惰而造成的经济损失。 同时,在设计中创新性的加入了无线通信模块, 将现场采集到的环境参数实时传输到Yeelink网络平台[5], 即可实现远程实时监控, 也可利用Yeelink的数据云存储功能进行数据长期保存和分析。 另外,本系统采用了模块化的设计, 一旦系统发生故障, 可对单一模块进行检测, 避免了对整个系统的大范围检测, 提高了系统的工作效率。 与其他同类温棚养殖环境监控系统相比, 具有低功耗、低成本、设计简单、操作性强等特点, 具有很好的实用性。 系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2 系统硬件设计

2.1 Arduino主控板

Arduino是一款开源硬件平台,核心设备是Atmega328的微控制器[6],具有32 KB Flash、1 KB EEPROM、14路数据I/O口(其中6路可作为PWM输出)和6路模拟输入口,内部封装了多种常用开发库以及多种常用传感器测量的库函数[7-10],可供开发者直接调用,大大简化了传感器测量系统的设计。

2.2 温湿度测量模块

图2 温湿度测量电路图Fig.2 Temperature and humidity measurement circuit

温湿度测量模块采用设计中较为流行的DHT11温湿度测量传感器。DHT11温湿度传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,采用8位温度和8位湿度数字信号输出,即采用数字模块采集技术和温湿度传感技术,具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性[11]。DHT11温湿度传感器可以检测作业现场的实时环境温度、湿度指标,其温度检测范围为0～50 ℃,温度检测精度为1 ℃,其相对湿度检测范围为20%～90%RH,检测精度为1%RH,且两次读取传感器数据的采样周期间隔不低于1 s。同时,该传感器具有体积小、功耗低、响应快、抗干扰性强等特点,能够满足本次设计的技术指标要求。温湿度测量电路图如图2所示。

2.3 有害气体检测模块

温棚内的有害气体主要包括CO2和NH3两种气体,因此,本次设计的有害气体检测模块选用了TGS4160型CO2浓度检测传感器[12]、MIC-NH3型NH3浓度检测智能传感器。

图3 二氧化碳测量电路图Fig.3 Carbon dioxide measurement circuit diagram

TGS4160是农业大棚中常用的CO2浓度检测传感器,测量范围为300～50 000 ppm,加热器电压为5 V±0.2VDC,对环境湿度依赖性极低,灵敏度高,寿命长,符合本次设计要求。二氧化碳测量电路图如图3所示。MIC-NH3是常用的NH3浓度检测传感器,其测量范围在0～5 000 ppm,分辨率为1 ppm,电流输出为4～20 mA,响应时间不高于30 s,且采用2路无源节点信号输出报警,具有极高的稳定性和可靠性。

2.4 无线通信模块

无线传感器网络通过将大量的传感器节点以无线多跳的方式自组织成网络[13],将多个传感器节点安置到需要监控的区域,通过特定的算法,以无线的方式建构成一个网络系统,经过网关设备将无线传感器网络连接到因特网,从而将采集到的数据发送到管理平台。

本次设计的无线通信模块由nRF24L01单片无线收发器芯片[14]、Arduino的接口板和天线3部分构成。其中nRF24L01单片无线收发器芯片是世界通用的ISM频段的单片机无线收发芯片,工作频率在2.4～2.5 GHz,并内置频率发生器、功率放大器、增强型SChockBurstTM模式控制器、晶体振荡器、调制器、解调器,功耗低,有多种频道选择和协议选择。通过Arduino接口板完成主控制器对nRF24L01单片无线收发器的初始化,保证主控板与无线通信模块的通信,同时,无线通信模块也将采集到的温棚环境信息上传到Yeelink网络平台,进行数据保存和分析。

3 系统软件设计

3.1 温棚温湿度测量主程序设计

系统启动后,首先进行环境的温度、湿度采集并将数据发送到上位机。当检测到的温度低于系统设定的温度下限时,启动风炉、关闭天窗,对温棚进行辅热升温;当检测到的温度高于系统设定的温度上限时,启动风扇、打开天窗,以加快空气流动的方式降低温棚温度。当检测到的湿度大于系统所设的湿度上限,启动风炉,对鸡舍进行辅热去湿;当检测到的湿度低于系统所设的湿度下限,启动喷雾,增加温棚环境湿度。温棚温湿度调节流程图如图4所示。

3.2 有害气体检测程序设计

有害气体检测模块对温棚内的CO2和NH3的浓度进行检测,将检测到的模拟信号转化为可显示的数字信号并在显示装置上显示出来,再将检测到的数值与系统设定的阈值范围进行比较,若超出系统设定的气体浓度范围,则启动声光报警电路,反之不报警,电路跳转到气体浓度检测环节。有害气体检测报警程序流程图如图5所示。

3.3 Yeelink网络平台设计

Yeelink网络平台是国内较早提供的免费传感器数据接入管理的互联网服务提供商[15]。用户可以在Yeelink网站上对传感器检测到的数据进行接收、存储和管理,且该平台为用户提供了海量的传感器数据存储空间,并能根据用户的需求设计一系列的动作,如发送邮件、发送自动控制指令等。用户可以通过智能设备上安装的应用程序,经互联网随时访问Yeelink网络平台查看所监测的传感器数据。

图4 温棚温湿度调节流程图

图5 温棚有害气体检测报警程序流程图

首先,在Yeelink官方网站上注册一个Yeelink账户,注册后可得到一个唯一的API-Key。接下来在用户中心界面添加新设备,再进入设备管理界面,在设备管理界面中添加新的传感器,选择相应的传感器类型,确认添加后便可获得传感器的URL。用户可通过对URL的一个HTTP POST请求创建一个新的设备[16]。在Yeelink中创建一个新设备的要点如表1所示。

表1 在Yeelink中创建新设备的要点Tab.1 Key points for creating new devices in Yeelink

4 系统性能分析

本系统的特点在于将传统单一的环境温度测量模块改为温湿度测量模块,有效减少了因环境湿度造成的环境温度偏差,更准确的反应了温棚环境的真实参数。增加了CO2和NH3浓度测量传感器,为温棚内的空气净化提供了一定的参照,为禽类提供了更加舒适的生长环境。本系统中还加入了无线通信模块,能够利用Yeelink网络平台对温棚环境进行远程实时监控,弥补了以往温棚测温系统只能在温棚内监测环境温度的局限性,大大提升了工作效率。

5 结 语

传统的温棚温度监测系统功能单一,测温周期长,需要大量的人力支持,且一旦发生故障需要对整个系统进行故障检修,效率低下,无法满足现代化生产力的发展要求。本次设计的基于Arduino的温棚养殖环境监控系统能够在完成传统测温过程的基础上增加有害气体检测,使得养殖户和技术人员对温棚内的环境的了解更加精确,有利于通过人工调控温棚环境提升禽类的出肉率(或产蛋率),增加养殖效益。同时,互联网远程实时监控的设计,Yeelink的海量数据存储、管理功能也为技术人员掌控鸡舍环境创造了便利,极大的减少了技术人员的人力投入,具有较强的可靠性和实用性。

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Arduino based greenhouse cultivation environment monitoring system

ZHANGHaohua,ZHAOXiaoshu,YUXinhe,CHENGLiying,MAShijun

(College of Physical Science and Technology, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

With the development and progress of modern science and technology, intelligent agricultural equipment began to enter people’s vision and gradually integrated into agricultural production. Greenhouse cultivation environment monitoring system using Arduino as the core control module, and a serious analysis of modern farming environment requirements (including temperature, humidity, harmful gases, etc.). It uses advanced sensor technology and wireless network transmission technology to design a greenhouse cultivation environment monitoring system is simple and efficient, low cost and low power consumption. The DHT11 temperature and humidity sensor, TGS4160 CO2sensor and NH3sensor are used to real-time measurement of henhouse environment index. The data acquisition and analysis using UNO Arduino hardware platform based on Atmega 328P, and then use the wireless network transmission module to transmit real-time data to the Yeelink platform. It is not only convenient for real-time data measurement and remote monitoring, but also can be stored and analyzed greenhouse cultivation environment data for a long-term.

Arduino; sensor; environment monitoring; remote monitoring

2016-07-06。

辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2013418); 辽宁省科技厅博士启动基金资助项目(20141091)。

张浩华(1977-),男,辽宁沈阳人,沈阳师范大学副教授,博士。

1673-5862(2016)04-0454-05

TP273

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.04.016