猪舍环境智能监控系统设计

猪肉制品在我国肉制品消费中占60%以上,我
国猪肉产量占世界产量的50%以上[1],除自产外还需要大量进口猪肉。

受各种因素影响,我国进口猪肉经常受限。

因此,地方政府大力扶持和发展规模化养猪,生猪养殖业向现代化、集约化、规模化发展。

饲养密度增大,舍内环境问题随之逐渐暴露,
成为制约养猪企业发展的突出问题[2]。

密闭猪舍的
空气质量监控技术已成为生猪健康养殖的关键技术之一。

近年来,国内学者在猪舍环境监控技术、猪只健康监测技术研究中取得很大进展。

王辉明等[3]采用Zi gB ee 技术构建无线数据网络,将采集的养猪场环境参数传输到控制终端,利用组态软件开发了管理系统,设计了猪场温湿度模糊控制系统,环境参数控制精度小于4%。

刘艳昌等[4]设计了以移动机器人为终端的空气质量智能监控系统,以现场可编程逻辑门阵列(Fi el d Pr ogr am m abl e G at e A r r ay ,FPG A )为核心,通过无线通信模块将传感检测模块获得的数据传输到上位机,上位机根据获取信息和设定信息实施环境控制。

贾安峰等[5]探讨了利用物联网技术构建猪舍环境监控系统,论述了物联网架构、传感模块的对比等。

曾志雄等[6]采用“一主多从”的Zi gB ee 网状拓扑结构构成无线数据采集系统,通过主节点将数据上传至W eb 端,实现系统远程控制,锂电池可持续工作170h 。

王斌等[7]研究了猪舍环境温湿度和氨气浓度检测方法,采用了多传感器数据融合算法,制定了可编程逻辑控制器(Pr ogr am m abl e Logi c Cont r ol l er ,PLC )控制算法,系统成本低,易安装及维护。

目前,东北地区规模化养猪场蓬勃兴起,但人力资源紧缺,亟需成本低、适合该地区应用的猪舍环境监控系统。

本文结合东北地区大型养猪场猪舍环境调控特点及应用需求,研究了基于无线局域网络的猪舍环境监控系统。

1监控系统架构
猪舍环境智能监控系统由猪舍环境监控终端、LoR a 无线通信模块、无线网络汇聚节点、远程监控终端等组成。

猪舍环境监控终端实时进行环境温湿度、光照度、CO 2浓度和氨气浓度采集,并通过LoR a 网络将采集的数据传输到现场无线网络汇聚节点,同时,监控终端可以自主按照设定阈值进行天窗、加湿、除湿等相关设备的控制操作,或者根据指令进行控制。

无线网络汇聚节点将获得的环境参数通过G PR S 网络传输到控制室PC 端或者用户手机端,并接收PC 端或者手机端的指令,下传给监控终端。

PC 端和手机端显示、存储相关数据,并可设定相应的调控阈值,即时发送调节指令等。

系统具有成本低、操作方便等特点。

*
猪舍环境智能监控系统设计赵
斌,石
磊,匡丽红,王
淞,刘志强
文章编号:1674-9146(2021)11-118-03
[基金项目]黑龙江省农垦总局重点计划项目(H N K 135-06-08);大庆市指导性科技计划项目(zd-2020-46);黑龙江省农垦总局推广示范项目(2019H K Q N JTG 0017)收稿日期:2020-12-27;修回日期:2021-03-01作者简介:赵斌(1970—),男,四川广安人,博士,教授,主要从事农业设施自动化、农机装备电气化研究,
E-m ai l :616283364@ 。

通信作者:石
磊(1996—),男,辽宁盘锦人,在读硕士,主要从事农机装备自动化研究,E-m ai l :807839751@ 。

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2
监控终端系统设计
考虑到猪舍举架高,常年运行,而且猪舍内本就有电灯电源线、控制设备电源线等,猪舍内环境参数采集没有采用无线方式,免去了大量电池集中充电的问题,也避免了工人充电不及时造成设备长期不工作的问题。

猪舍环境监控终端通过R S485总线实时获取采集节点的环境数据,并将数据通过LoR a 网络传输到汇聚节点,按照程序设定进行自主控制,或者接收PC 端或手机端指令进行环境调节。

监控终端系统主要包括微处理器、总线通信模块、采集模块、LoR a 通信模块等。

2.1采集节点模块
采集节点完成猪舍内温湿度、光照度、C O 2浓度和氨气浓度等环境参数的实时采集与处理,结构见图1。

采集节点核心采用了STC15L2K 60S2单片机,
片内集成60K B 程序存储器、2K B 数据存储器,以及2个U A R T 接口、8个10位的A D 转换通道,满足采集功能需求。

猪舍环境质量是制约养猪生产发展的重要因素,在众多因素中温度和湿度尤为重要。

该模块的温湿度传感器采用了SH T20低功耗数字温湿度传感器,温度测量范围为-40~125℃,
14位输出时精度为±0.3℃;湿度测量范围为0%~100%,精度为±5%;电源为直流2.1~3.6V ,测量
功耗为300μA ,采用I 2C 接口,与单片机P2.
3和P2.2引脚连接。

光照度传感器采用了低成本的I 2C 光照度传感器SS1060I ,电源为直流5V ,最大功耗为400m W ,测量范围为1~65535l x ,满足室内环境使用,其输出与单片机P2.1和P2.0引脚连接。

氨气浓度传感器采用ZE 03型模拟输出传感器,电源为直流5V ,测量范围为0~100×10-6,分辨率为1×10-6,对应输出直流0.6~3V ,由单片机的P1.3口进行A D 转换。

C O 2传感器采用的是M H -Z18型N D I R 红外气体传感器,电源为直流5V ,平均电流<50m A ,量程为0~2000×10-6,精度为±50×10-6,U A R T 串口输出,直接连接单片机串口2。

每个采集节点利用其内部E 2PR O M 存储节点地址、采集周期数据,这些数据可以通过串口指令修改。

采集节点与监控终端之间通信采用R S485总线通信方式,便于根据猪舍面积和需求增减采集节点数量,终端定时轮询各个采集节点。

2.2监控终端模块
监控终端模块完成收集采集节点数据、与无线网络汇聚节点互输数据、控制执行设备等功能。

其核心采用的是STC15L2K 60S2单片机,引脚数及功能能满足控制终端功能需求。

通常各地猪舍环境调节设备各不相同,以交流大负荷设备为主。

为保持系统的通用性,系统控制输出采用了3种信号输出,分别为220V 交流输出、4~20m A 直流输出、0~10V 直流输出,电路见图2。

图1
采集节点结构图
220V 交流输出最大承载电流为10A ,可以直
接驱动小型交流调节设备,大型三相交流设备可以在该输出端外接三相继电器。

单片机的所有控制输出都经过光电耦合器隔离,以保证核心系统工作的稳定。

4~20m A 直流输出、0~10V 直流输出便于扩展连接其他变频设备或者PLC 设备需要此类信号。

图2
控制输出部分电路图
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0~10V 直流输出采用的是有源高精度隔离变送器
T1530D ,电源为直流24V ,输入为直流4~20m A ,输出为直流0~10V ,精度为0.1% F.S.。

4~20m A 直流输出采用了两线制信号调理模块TW 147H L ,输入为脉冲宽度调制(Pul s e W i dt h M odul at i on ,PW M )信号,输出为调制电流信号,PW M 信号由单片机产生。

由于现代化猪场通常占地面积较大,如果采用猪舍间有线通信方式,增加成本和施工难度,易损坏,所以采用无线组网形式较好。

如果每个控制终端都通过通信基站与手机端或者PC 端通信,势必增加成本。

因此,兼顾通信距离远、成本低、费用低问题,选用了低功耗、小功率、高性能的无线模块U M 402,频率为433M H z ,与单片机串口2连接,见图3。

传输视距在5km 内,即使有楼房等障碍物,也能保证2km 以上的传输距离,满足现有大型猪场覆盖范围。

各个猪舍控制终端通过U M 402与无线网络汇聚节点组网,由无线网络汇聚节点将数据汇总后传输到PC 端或手机端。

3
汇聚节点设计
无线网络汇聚节点起到承上启下的作用,一方面通过U M 402收集网络内猪舍环境控制终端的采集信息,通过U SR -G PR S7S3传输到云服务器端,另一方面通过U SR -G PR S7S3接收控制指令,通过U M 402下发到相应的控制终端。

U SR -G PR S7S3支持G SM /G PR S 网络;支持TCP Cl i ent 和U D P Cl i ent ;支持短信透传、网络透传、H TTPD 和U D C 等多种工作模式。

利用U SR -G PR S7S3和有人物联网公司提供的云服务平台,开发云平台管理软件。

相较于每个终端单独与服务器通信的方式,这种通过汇聚节点与服务器通信的方式可以降低G PR S 模块的投入成本和运行时的短信费用,缺点是数据传输的实时性有所降低,但是在实际应用中,环境参数不会出现剧变,这个延时对实际生产不会产生影响。

4控制终端工作流程设计
控制终端负责组织猪舍内各个节点的数据采集、调节执行设备、传输数据到无线网络汇聚节
点,是系统的重要组成部分。

其工作流程如下:系
统上电进行系统初始化设置,并读取R O M 中保存的地址号、采集周期、通信波特率、报警阈值和控制阈值等设置;开启定时器,按照设定的采集周期计算定时时间,如定时时间未到,检测是否有云服务器指令传来,有指令则按照指令发出调节动作或者收集数据,如定时时间到,向采集节点发出数据采集指令,收集采集数据,并把数据发送到汇聚节点;判断本轮数据是否有超限情况,如有超限参数,根据超限情况和程序设定发出调节动作,同时不断查询该采集节点数据情况,直到超限数据消失,恢复到正常循环状态。

5结束语
针对现代化大型猪场猪舍环境监控问题,本研究采用云服务器、无线网络汇聚节点、猪舍环境监控终端、采集节点等构成了猪舍环境智能监控系统。

采集节点实时采集猪舍内温湿度、光照度、氨气浓度和C O 2浓度等信息。

猪舍环境监控终端采用R S485总线方式收集采集节点的数据,采集节点数量可根据猪舍面积和用户需求灵活增减;监控终端调节输出方式灵活,可以输出220V 交流信号控制单相交流设备,或外接扩展模块驱动大型三相负荷设备,能够输出4~20m A 直流信号、0~10V 直流信号,便于与PLC 、变频器等设备连接;各个猪舍监控终端通过LoR a 网络与汇聚节点组成免费内网。

汇聚节点通过内网与各监控终端进行信息交互,通过G PR S 模块与云服务器、手机端和PC 端进行信息交流,一个猪场使用一个汇聚节点连通通信基站即可,降低使用成本和运营成本。

整个系统具有配置灵活、成本低、精度高、通用性和扩展性好的特点。

参考文献:
[1]洪雨.养猪场自动饲喂与环境控制系统设计[D ].杭州:杭州
电子科技大学,2018.
[2]周斌.猪场空气污染控制技术研究与应用[D ].杭州:浙江
大学,2016.
[3]王辉明,项新建,郑永平.基于Z i gB ee 和组态王软件的养猪场
环境监控系统[J ].浙江科技学院学报,2019,31(6):457-463.[4]刘艳昌,吴纪红,徐加乐,等.基于机器人的猪舍空气质量
智能监控系统[J ].家畜生态学报,2018,39(8):65-71.[5]贾安峰,刘永宁,王众,等.基于物联网的猪舍环境监控系统[J ].
中国猪业,2018,13(2):63-67.
[6]曾志雄,董冰,吕恩利,等.猪舍环境无线多点多源远程监测
系统设计与试验[J ].农业机械学报,2020,51(2):332-340+349.[7]王斌,刘雪梅,张国强,等.猪舍生态环境监测和清洁控制
系统的设计[J ].农业工程学报,2020,36(3):55-62.
(责任编辑石志荣)
图3
U M 402接口电路图
(英文部分下转第123页)
化研究是一项综合性的技术工作,首先采用多种三
维扫描手段获取古建筑点云数据,并对其进行处理、提取,其次基于点云数据得到的信息在R evi t 软件中进行BI M 建模,最后将古建筑数据整理录入专属的信息库,保证建筑数据得到完整的保护,并且开发信息化网站作为虚拟导向为今后的古建筑旅游开发提供帮助。

在实际应用与操作中,项目成果也有待完善之处。

玄天宫构件数据库的应用意义大于其借鉴意义,整体建筑信息模型的普适性有限。

古建筑保护不仅包括对玄天宫这类保存完好的单体建筑建模,还包括对大型古建筑与古建筑集群以及场地环境的信息进行保存。

随着计算机技术、三维激光扫描仪、G I S 、BI M 等技术的快速发展,古建筑的BI M 数据库内容会日益丰富,功能也会逐渐强大。

其中,古建筑构件建模具有精细化与共享化趋势。

精细化要求每个构件的信息完整,而共享化要求不同建筑基础构件共享。

共享化为精细化的
基础,它节约了重复建模的时间,以便模型更好地体现不同建筑的独特细节。

在玄天宫信息化网站建设中,除古建筑数据的查询和基础的模型展示外,还将为游客提供更多线上线下交互体验,并且为数据库管理者提供属性信息的修改功能,以适应不断精密的测绘工具可能产生的数据变化。

参考文献:
[1]梁思成.清式营造则例[M ].北京:中国营造学社,1934.[2]张祥.基于B I M 的明清官式古建筑构件参数化及其装配
研究[D ].西安:西安建筑科技大学,2015.
[3]王茹,韩婷婷.基于B I M 的古建筑构件信息分类编码标准化
管理研究[J ].施工技术,2015,44(24):105-109.
[4]秦强.古建筑海量二三维空间数据存储与管理[D ].北京:
北京建筑大学,2016.
[5]杨永.古建筑数字化保护关键技术研究[D ].开封:河南大学,
2010.
[6]王茹.古建筑数字化及三维建模关键技术研究[D ].西安:
西北大学,2010.
(责任编辑
石志荣)
B I M Spat i alM odeland I nf orm at i on W ebs i t e
C ons t ruct i on
ofY unt ai guan X uant i angong i n M i anyang C i t y
Y A N G Q i ng,Z O U T ao,SU N Ji a-m i ng,W E I Y ue,Q I N Q i ng
(School of A rchi t ect ure and D esi gn,Sout hw est Ji aot ong U ni vers i t y,C hengdu 611756C hi na)
A bst ract :
T hi s paper s el ect s t he Y unt ai guan X uant i angong i n M i anyang C i t y as t he r es ear ch obj ect ,es t abl i shes i t s s pat i al
m odel and sor t s out t he com ponent dat abas e t hr ough B I M t echnol ogy,and es t abl i s hes a com ponent i nf or m at i on quer y w ebs i t e bas ed on t hes e dat a.I t can not onl y ens ur e t he com pl et e pr ot ect i on of bui l di ng dat a,pr ovi de suppor t f or t he pr ot ect i on and r es t or at i on of anci ent bui l di ngs,but al s o pr ovi de hel p f or f ut ur e t our i s m devel opm ent .K ey w ords :anci ent bui l di ng;B I M ;X uant i angong;i nf or m at i zat i on D es i gn ofPi g H ouse E nvi ronm entInt el l i gentM oni t ori ng Syst em
Z H A O B i n,SH I L ei ,K U A N G L i -hong,W A N G Song,L I U Z hi -qi ang
(C ol l ege of E ngi neeri ng,H ei l ongj i ang B ayi A gri cul t ural U ni versi t y,D aqi ng 163319C hi na)
A bst ract :I n or der t o r eal i ze t he oper at i on econom y,r eal -t i m e and i nt el l i gent cont r ol of pi g hous e envi r onm ent ,a pi g hous e envi r onm ent i nt el l i gent m oni t or i ng s ys t em i s desi gned.The s ys t em i s com pos ed of net w or k s i nk node,m oni t or i ng t er m i nal and acqui si t i on node.T he LoR a m odul e of ever y pi g house envi r onm ent m oni t or i ng t er m i nal cons t i t ut es t he i nt r anet .Each m oni t or i ng t er m i nal i n t he i nt r anet s har es a w i r el es s net w or k and connect s t o t he ext er nal net w or k t hr ough G PR S m odul e.U s er s coul d access t he cl oud s er ver t hr ough m obi l e phone or PC t o quer y or cont r ol t he equi pm ent i n t he pi g hous e.The m oni t or i ng t er m i nal coul d be connect ed w i t h A C as r equi r ed or PLC and ot her equi pm ent ,w hi ch has t he char act er i st i cs of l ow cos t ,hi gh pr eci si on and i nt el l i gence.
K ey w ords :pi g hous e envi r onm ent ;i nt el l i gent m oni t or i ng;cl oud s er ver
(上接第120页)
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