基于单片机的猪舍环境监测模块的设计.pdf

收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目(项目编号:)河南省科技攀登计划(项目编号:)作者简介:李俞浩硕士生:.通信作者:付成果副教授博士研究方向:机械工程:.:./.基于单片机的猪舍环境监测模块的设计李俞浩杨 辉李海波陈 婷何伟伟付成果王占奎(河南科技学院 机电学院河南 新乡)摘 要:为了提高生猪养殖质量实时监控猪舍各环境参量的变化提出了一种易维护、可二次开发的多传感器环境监测模块 环境监测模块主控芯片采用 负责数据运算、处理以及存储等功能通信模块采用 和 模块负责数据的收发传感器模块支持模拟量、以及 等多种协议类型传感器的接入负责环境数据的采集工作环境监测模块的主控芯片及其加载电路进行独立密封通过外置接线端子与传感器进行连接能够较好地适用于复杂环境 现场测试证明该环境监测模块可以稳定运行数据收发准确关键词:环境监测无线通信传感器中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:第 卷 第 期 年 月 湖 北 理 工 学 院 学 报 .根据 规模猪场环境参数及环境管理(/.)要求环境质量包括温湿度、空气卫生(、细菌总数、粉尘)、猪舍通风、猪舍采光和猪舍噪声等 项参量 为了提高生猪养殖质量多环境参数监控必然成为趋势 环境监测模块是猪舍环境调控系统研究的关键部分运行稳定和监测准确是核心性能要求 学者们利用单片机设计了相应的环境监控系统对猪舍环境中的、以及温湿度等环境参数进行监测取得了较好的试验效果 环境监控系统平台一般包括传感器、单片机或 模块大部分集成传感器的主板和传感器探头多是通过焊接形式实现的连接不利于后期的重复利用与维护针对以上问题本文提出了一种方便维护支持二次开发能够满足多参数测量的基于单片机的猪舍环境监测模块 该监测模块通过接线端子与外界传感器连接可集成包括温湿度、.、风速和光照强度等多种传感器支持 通信、通信以及无线网络通信 种方式的数据输出此外在实验室搭建模拟猪舍环境监测平台对实验室中的相关参量进行监测以验证本监测模块的可行性和监测的准确性以期为多场景环境监测提供参考总体设计环境监测模块采用 芯片作为控 制 核 心 搭 配 温 湿 度、.以及风速传感器等多 种 通 信 协 议 传 感器 通信模块选择 模块和 模块 电 路 系 统 包 括 复 位 电 路、晶 振 电 路、显示电路以及传感器电路 环境监测模块的主要功能特点如下:可搭载多种环境传感器可对多种环境数据进行同时监测对控制主板及其加载电路进行独立密封通过外置的接线端子与传感器连接可适应多种复杂场景且便于维护支持 通信、通信以及无线网络通信模块外部预留有 路串口、路 总线、路 总线、对 供电端口、对.供电端口、路 引脚、路数字量引脚以及 路模拟量引脚便于后期加载其它设备 猪舍环境监测模块总体设计框图如图 所示图 猪舍环境监测模块总体设计框图模块组成.控制核心控制核心选用的是 芯片是一款低功耗 位微控制器基于 增强的 架构 在单个时钟周期 内 可 执 行 个 指 令 可 实 现 接 近 /的数据吞吐量且允许系统设计人员对其功耗与处理速度进行优化提升 该芯片工作电压为.时钟频率为 拥有 路数字端口和 路模拟量端口数字引脚包括 路 引脚 路 引脚以及 路 引脚.传感器传感器是环境监测模块的采集部分可支持模拟量、以及 协议型等多种型号传感器的接入 该部分可根据实际需求添加传感器常用的猪舍环境监测传感器主要有温湿度传感器、光照强度传感器、传感器、灰尘传感器以及风速传感器等.通信模块除了采用串口传输外还可在串口通信的基础上加载 无线通信模块和 通信模块以此达到更加多元化的通信无线通信选用的是 芯片 该模块体积小集成了业界领先的 超低功耗 位微型 主频支持 和 支持 可为现有的设备添加第 期 李俞浩杨 辉李海波等:基于单片机的猪舍环境监测模块的设计 联网功能也可以构建独立的网络控制器 支持二次开发有着较高的实用性可进行远程通信实现远程监测 通信模块选用的是 芯片该模块最多允许 个设备连接在同一条总线上有线通信距离最远可达到千米以上 同时该芯片拥有较好的系统稳定性以及通信速率高等诸多优点硬件电路设计.电源电路猪舍环境监测模块采用 电压供电内部可分为 和 .供电电路 供电电路的 引脚为电路中其它电子元件以及传感器的正极引脚 引脚为 的模拟电源引脚 在电源两端并联有 个容量为 的电容起到稳压和滤除杂波等作用在 极前端串联电感 起到稳流和储能等作用.供电电路采用 .芯片属于正向低压差稳压器内部集成有过热保护和限流电路输入电容 和 可防止电路断电后电压发生倒置输出滤波电容 和 用于抑制自激振荡.复位电路复位电路的作用是初始化单片机让单片机内部的程序重新开始执行运行时钟处于稳定状态让端口和寄存器处于初始化状态复位电路如图 所示图 复位电路图 中 连接 的 引脚系统通电时 处于断路状态此时 处于高电位 按钮按下时正负极形成通路此时 处于低电位单片机进行低电平复位.晶振电路晶振的主要作用是在电路中产生振荡频率振荡频率越高单片机运行速度越快晶体振荡器分为无源晶振和有源晶振两种类型 猪舍环境监测模块选择成本较低的无源晶振结合单片机内部的电路可提供单片机所必须的时钟频率 晶振电路如图 所示图 中 为 贴片无源晶振属于石英晶体振荡器是一种高精度、高稳定震荡器 和 为匹配晶体的负载电容 和 引脚分别与芯片的 管脚和 管脚相连接进而组成振荡电路生成一定频率和峰值的正弦波图 晶振电路.传感器电路传感器电路主要指的是不同通信协议传感器与单片机的连接方式监测模块中按通信方式传感器大致可分为 类 传感器电路图如图 所示图 传感器电路图 湖 北 理 工 学 院 学 报 年)模拟量输出型传感器 该类型的传感器主要有 传感器、传感器以及风速传感器 其输出方式比较简单只需要利用单片机模拟量端口读取模拟量数值进而通过专有的公式进行转换即可得出相应的环境参数值 传感器采用 工作电压为 模拟信号输出引脚为 与单片机引 脚 连 接传 感 器 采 用工作电压为 以模拟电压方式输出与单片机的 引脚连接 风速传感器采用 工作电压为 .采用模拟量输出经信号转换后其信号输出引脚与单片机 引脚连接)输出型传感器 输出型传感器指的是 传感器和.传感器 该类型传感器输出的脉冲周期为 单片机通过 端口采集一个脉冲周期内高电平和低电平的持续时间进而通过公式进行数值转换得到所监测环境的具体数值 传感器选用 工作电压为 数据输出为 与单片机的 引脚连接 灰尘传感器采用 数据输出为 与单片机 接口连接)型传感器 温湿度传感和光照强度传感器属于 通信协议传感器 通信需要用到 条总线线路分别为:串行数据线()负责数据的发送接收串行时钟线()用于产生所有数据发送或接收的时钟 温湿度传感器和光照强度传感器通过并联连接在一条 总线上 温湿度传感器采用 和 引脚分别接单片机 和 引 脚 光 照 强 度 传 感 器 选 用供电 电 压 为 其 和 接口分别与主控板的 和 引脚连接.数据输出电路猪舍环境监测模块的信号输出主要有 种方式分别为串口输出、无线网络输出以及 输出)串 口 输 出 共 有 路 串口可以扩展多种通信模块 在该模块中 和 主要负责数据的收发和代码的上传工作 和 连接 转 模块 和 连接 无线通信模块 该模块在工作状态下通过示波器可测得控制芯片 引脚数据输出波形图)无线模块 无线通信采用的是 模块其电路图如图 所示 图 中与复位电路相连接高电平工作低电平复位 为使能端口连接高电平进行工作 为.供电端口 与 负责收发数据 可通过 与 的通断进行工作模式与下载模式的转换 串口输出高电平为.串口输出为 因此模块间相互通信需要进行电平转换电平转换电路通过三极管 和肖特基二极管 实现 串口通信时序图如图 所示图 无线通信模块电路图().转 ()转.图 串口通信时序图)通信模块 通信模块选用半双工 芯片既可以做为从机向主机发送数据也可以作为主机接收从机的数据 无线通信模块电路图如图 所示 图 中 为信号输出端 为接收器的输出使能(低电平使能)和 驱动器输出使能(高电平有效)共线 为驱动器输入连接 处于低电平 与 为单片机引脚编号当单片机向 模块发送高电平信号第 期 李俞浩杨 辉李海波等:基于单片机的猪舍环境监测模块的设计 时 三极管导通此时 与 处于低电平接收器输出使能 输出有效解析、引脚接收到的差分信号 当单片机向 模块发送低电平信号时三极管 截止此时 与 处于高电平驱动器输出有效 外加低电平使驱动器同向端 输出为低电平驱动器反向端 输出为高电平 模块、引脚分别加装了上拉电阻和下拉电阻避免差分信号在闲置状态下失效、以及 为 瞬态抑制二极管对 通信串口起到保护作用避免电路元器件受瞬态高能量冲击而损坏 通信接口处的、为贴片保险丝 起到过流保护作用 电阻 为匹配电阻其作用是防止信号反射提高信号质量图 无线通信模块电路图.电路 电路的主要作用是对电路运行状态进行显示提示方便用户直观地了解电路的运行状态包括提示电路通电状况、端口工作情况、电路状态 电路主要根据用户需求进行设计并不影响实际的环境监测效果测试与验证在河南科技学院机器人实验室中搭建模拟猪舍环境监测平台实验室长 宽.高.中间设置有 排高度为 的实验桌传感器监测模块安置在实验室正中间距地面高度为 测试时间为 年 月 日室外温度为 实验室内常驻人口为 人人口数量最大时为 人窗户全部处于密闭状态风扇及空调等设备均未开启对房间内的温度、湿度、光照强度、.浓度、浓度、浓度、浓度以及风速进行 监测 猪舍内的细菌总数一般需要通过棉拭子法采样检测后才能得出相应数值无法通过传感器进行监测在此进行讨论现场环境参数监测结果如图 所示()温度()湿度().浓度()光照强度()浓度()风速图 现场环境参数监测结果从图 可以看出在该模拟猪舍环境下和 传感器并未监测到数值变化符合实际情况也验证了本监测模块的准确性 温度随着实验室内人流量增大最高达到.在夜间会受到室外低温的影响出现下降相对湿度会随着温度增加而降低受温度峰值 湖 北 理 工 学 院 学 报 年影响在 左右出现最低值.在人流量较低的情况下.浓度相对较低但随着人员增多带动空气的流动在 左右达到峰值 /浓度分别在 和 人流量最大的时刻出现了 次峰值最高峰值达到 /光照强度受灯光和室外光照影响较大在 左右产生突变 左右达到峰值后随着室外光照变弱逐渐开始下降 风速传感器受人员走动的影响数值会产生明显的波动但基本稳定在./以下 此次实验采集的数据符合正常变化趋势验证了本监测模块的可靠性结论基于单片机的猪舍环境监测模块按照环境监测的多参量要求进行设计可连接多路传感器进行环境数据采集 环境数据可通过串口、模块以及 模块进行数据传输其独立性的密封设计满足了设计要求 实际环境测试表明该模块运行稳定数据准确通过分析该监测模块能够满足规模猪场环境参数测量要求在畜禽养殖的环境监测场景中具有较好的应用前景 但是该环境监测模块仍然存在着较大的局限性:传感器达到一定数量后可能发生过载的情况此时传感器可能需要单独安装外置电源该模块无法为 以上工作电压的传感器进行供电参 考 文 献 冯娜娜冯娟娟杨延宁等.基于 的可视化温湿度实时监测器的设计.延安大学学报(自然科学版)():.梁一啸刘志欣范恩等.基于多传感器的温室环境监测系统设计与实现.物联网技术():.赵炜华谭锦元李沛敏等.基于 的网络集成智能家庭系统设计.物联网技术():.郑宇宏鄢艳红.基于单片机的环境温湿度及.浓度监测仪的设计.电脑知识与技术():.徐玲.一个基于单片机的鸡舍环境控制系统的设计与实现.电脑知识与技术():.吴志东房俊龙刘美奇等.基于 的猪舍环境监测系统设计.黑龙江畜牧兽医():.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.农业机械学报():.:():.贾志鹏念彬周婷等.基于 的原油含水率在线监测系统.物联网技术():.王晓燕.基于 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