基于單片機(jī)的養(yǎng)牛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔡春成，郭 鵬

（天津農(nóng)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，天津 300384）

牛舍環(huán)境影響牛只的身體健康和生產(chǎn)水平，監(jiān)測(cè)牛只身體狀況和牛舍環(huán)境狀況可以為牛舍環(huán)境調(diào)控提供依據(jù)，不僅對(duì)養(yǎng)牛效益產(chǎn)生重要的影響，也符合動(dòng)物福利的要求[1]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)利用傳感器對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)將采集到de 數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)處理結(jié)果啟動(dòng)相應(yīng)的反饋裝置，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化管理[2]，提高生產(chǎn)效率。本文提出了基于單片機(jī)的養(yǎng)牛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)使用單片機(jī)控制傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)牛舍的環(huán)境和牛只身體狀況，利用ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)，用戶可以在計(jì)算機(jī)上查看監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信息，為后續(xù)的養(yǎng)牛智能化自動(dòng)控制提供技術(shù)準(zhǔn)備。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

養(yǎng)牛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件由計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、傳感器和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)組成。

1.1 Arduino單片機(jī)

單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。系統(tǒng)加電后，單片機(jī)檢查ZigBee 網(wǎng)絡(luò)和各種傳感器是否能正常工作，在發(fā)現(xiàn)故障后將錯(cuò)誤信息顯示在連接的顯示屏上。單片機(jī)在系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)后將接收到的監(jiān)測(cè)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心的計(jì)算機(jī)。本系統(tǒng)選用Arduino UNO REV3 單片機(jī)開發(fā)板[3]，通過集成開發(fā)環(huán)境編寫程序并完成燒錄實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)。

1.2 MPU6050運(yùn)動(dòng)傳感器

MPU6050 運(yùn)動(dòng)傳感器集成了3 軸MEMS 陀螺儀、3 軸MEMS 加速度計(jì)以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器，分別使用3 個(gè)16 位的數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置將其測(cè)量的模擬信號(hào)量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字信號(hào)量，可以精確地監(jiān)測(cè)物體運(yùn)動(dòng)狀況[4]。

1.3 DS18B20數(shù)字體溫傳感器

DS18B20 測(cè)溫傳感器內(nèi)的低溫度系數(shù)振蕩器的振蕩頻率受溫度的影響很小，使用它產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)，并將信號(hào)送給低溫振蕩器減法計(jì)數(shù)器；高溫度系數(shù)振蕩器的振蕩頻率的改變隨溫度變化明顯，它產(chǎn)生的信號(hào)作為高溫振蕩器計(jì)數(shù)器脈沖輸入。DS18B20 利用兩種振蕩器產(chǎn)生的不同信號(hào)實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量[5]。

1.4 溫濕度感知器

本設(shè)計(jì)選用DHT11溫濕度傳感器，該傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC 測(cè)溫元件，具有體積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)[6]。

1.5 MQ-135氣體傳感器

氨氣、硫化物等有害氣體不利于牛只的健康，二氧化錫的電導(dǎo)率隨污染氣體濃度的增加而增大，利用二氧化錫的這種特征可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有害氣體的監(jiān)測(cè)，以二氧化錫作為氣敏材料的MQ-135 傳感器對(duì)有害氣體靈敏度高，監(jiān)測(cè)效果比較好[7]，本設(shè)計(jì)選用MQ135傳感器監(jiān)測(cè)牛舍中有害氣體的含量。

2 工作流程

養(yǎng)牛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在加電后首先初始化單片機(jī)，并啟動(dòng)Zig-Bee 網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)成功后單片機(jī)利用網(wǎng)絡(luò)將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)中顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)失敗，則再次嘗試連接網(wǎng)絡(luò)，多次失敗后提示系統(tǒng)故障，結(jié)束啟動(dòng)嘗試。工作流程見圖1。

圖1 工作流程圖Fig 1.Workflow diagram

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本系統(tǒng)將溫度和濕度及空氣質(zhì)量傳感器固定在牛棚內(nèi)，牛只運(yùn)動(dòng)傳感器和體溫傳感器使用項(xiàng)圈掛在牛只頸部，實(shí)現(xiàn)對(duì)牛棚內(nèi)環(huán)境和牛只體溫和運(yùn)動(dòng)狀況等信息的監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)計(jì)算機(jī)端軟件使用Python 語言編程實(shí)現(xiàn)，2022 年9 月在天津某奶牛公司進(jìn)行了監(jiān)控實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)端程序接收到傳感器采集的數(shù)據(jù)顯示結(jié)果見圖2。從圖中顯示結(jié)果中可以知牛棚內(nèi)溫度27.5℃、濕度40%、空氣質(zhì)量指數(shù)36、牛的體溫39.69℃和牛只運(yùn)動(dòng)狀況數(shù)據(jù)。其中運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的GX代表繞X軸旋轉(zhuǎn)的角速度，GY 代表繞Y軸旋轉(zhuǎn)的角速度，GZ 代表繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角速度；AX 代表X軸方向加速度，AY 代表Y軸方向加速度，AZ 代表Z軸方向加速度；g 代表重力加速度；AQI代表空氣質(zhì)量指數(shù)。

圖2 后臺(tái)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.2 Monitoring data displayed in background

在計(jì)算機(jī)中可以查看牛棚環(huán)境數(shù)據(jù)，一天時(shí)間監(jiān)測(cè)的溫度、濕度和空氣污染指數(shù)變化見圖3。

圖3 牛棚內(nèi)1 d溫度、濕度和空氣污染指數(shù)變化圖Fig.3 Changes of temperature,humidity and air pollution Index in the cowshed

4 結(jié)語

本文針對(duì)牛舍環(huán)境和牛身體狀況的信息采集，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)養(yǎng)牛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了牛只體溫、運(yùn)動(dòng)狀況和牛舍溫度濕度以及有害氣體信息的采集，使用ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)牛過程中所需要的遠(yuǎn)程牛舍環(huán)境和牛只個(gè)體的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，本系統(tǒng)具有設(shè)置簡(jiǎn)單、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，為基于物聯(lián)網(wǎng)的奶牛養(yǎng)殖系統(tǒng)的發(fā)展提供了借鑒。