國家級大學生創新創業訓練計劃項目申 報 書院 系：電子信息工程學院項目名稱：基于物聯網技術的養殖場環境監測控制系統設計項目類型： 創新訓練項目 創業訓練項目 創業實踐項目負 責 人：王晨禹指導教師：陳軍寧安徽大學教務處二 年 月 日 填 寫 須 知一、項目分類說明：1、創新訓練項目是本科生個人或團隊在導師指導下，自主完成創新性實驗項目設計、方法選擇、設備和材料的準備、實驗的實施、數據處理與分析、總結報告撰寫、學術論文發表和專利申請等工作。2、創業訓練項目是本科生團隊在導師指導下，開展創業培訓，團隊學生在項目實施過程中扮演不同的角色，依據任務需求，通過編制商業計劃書、開展可行性研究、模擬企業運行、進行一定程度的驗證試驗，撰寫創業報告等工作。3、創業實踐項目是學生團隊在學校導師和企業導師共同指導下，以前期創新訓練項目（或創新性實驗）的成果為基礎，提出具有市場前景的創新性產品或者服務，以此為出發點開展創業實踐活動。二、申報書請按順序逐項填寫，填寫內容必須實事求是，表達明確嚴謹。空缺項要填“無”。三、申請參加大學生創新創業訓練計劃項目團隊的人數含負責人在內不得超過3人。四、填寫時可以改變字體大小等，但要確保表格的樣式沒有被改變；填寫完后用A4紙張打印，不得隨意涂改。七、申報過程有不明事宜，請與學校教務處實踐教學中心聯系和咨詢，電項目名稱基于物聯網技術的養殖場環境監測控制系統設計項目起止時間 2013 年 8 月 至 2014 年 8 月負責人姓 名學號所在院系年級專業手機E-mail王晨禹P0101412110電子信息工程138569927601604345103項目組成員朱兵P0101418710通信工程182266210891334963556朱非E0111420611計算機科學與技術15395083001874293329 指導教師姓 名陳軍寧職務/職稱教授所在單位安徽大學電子信息工程學院手 -一、項目簡介（300字左右）本項目主要基于物聯網技術，對現代規模化養殖場的環境進行檢測與自動控制，以改變傳統落后的飼養環境，實現畜牧與家禽的快速生長，提高養殖的生產技術和經濟效益，進一步滿足養殖場現代生產管理的需要。方法是采用各種傳感器與物聯網技術對豬場溫度、濕度、氨氮等參數進行實時監測，同時與豬舍內部的雨淋器、加熱器、風機等設備相連，通過設定的閾值來進行自動加溫和通風，從而改善舍內環境。最終通過串行端口通信將采集數據傳送到PC機中，作進一步的處理分析，以便及時準確地掌握養殖場各項環境指標，達到最大幅度的增產目的。二、申請理由（包括自身/團隊具備的知識條件、特長、興趣等）在現今物聯網技術不斷發展的情況下，而我們周圍大量養殖企業還未能跟上時代的發展步伐。其主要原因還是受限于技術上的不足以及管理者未能重視環境因素在豬群飼養中的關鍵作用，以至于在生產技術上還有很大的上升空間、廣闊的發展潛力以及豐厚的經濟效益。而作為新時期的大學生，我們在努力學習專業文化課之余，也懷著勇于探索，積極實踐的心態來投入到物聯網信息化技術的實踐推廣應用中。并且我小組成員都在專業文化課的學習中取得了優秀的成績，有著扎實的專業素質。同時，在專業實踐中也積極參加各種相關的比賽，甚至在一些大型比賽中也取得了不錯的成果和獎勵。 王晨禹：小組負責人，現任班級團支書。具有出色的組織協調能力，多次獲得國家二等獎學金。并積極參加電子實驗培訓，專業素質優秀。朱兵：參加過校實驗室電子實訓，暑期的電賽培訓，并在固瑋杯比賽和省電子設計大賽分別獲第一、第三名，現參與飛思卡爾比賽。熟練掌握Multisim, Protues, Altium Designer, Keil等軟件的使用，且具有一定的軟硬件開發能力和也有豐富的項目經驗。朱非：在校期間，認真學習計算機科學知識，能夠熟練掌握c，匯編，c+等程序語言，具有良好的專業素質，并對物聯網技術有著濃厚的興趣，動手實踐能力較強。并積極參加班級活動，形成了良好的交際和團隊合作能力。3、 項目方案1.系統整體概述整體方案共五個模塊：基于ARM的主控模塊，人機對話模塊（主要由獨立按鍵、LED顯示電路和聲光報警電路組成），控制系統，存儲器，信息接收與發送模塊（包括串口通信和PC機顯示）。圖1 系統工作模式圖2.基于ARM的主控模塊嵌入式芯片自己是不能獨立工作的，需要必要的外圍電路給他提供基本的工作條件。一個嵌入式芯片必須有供電系統為其供電，必須有時鐘系統提供時鐘信號，必須有復位系統。嵌入式芯片還需要有存儲系統。如果芯片內部存儲容量不足以滿足需求，則需要外擴存儲芯片。這些微處理器運行的必要條件的電路或芯片與ARM一起構成最小系統。嵌入式微處理器時鐘系統供電系統復位系統存儲器系統圖2 ARM的最小系統圖2.1電源模塊開關電源：效率較高，可以減少發熱量，因而在功率較大時可以減小電源模塊的體積；模擬電源：電路簡單，輸出電壓紋波較小，并且干擾較開關電源小得多。2.2時鐘電路設計目前所有的微控制器均為時序電路，需要一個時鐘信號才能工作，大多數微控制器具有晶體振蕩器。簡單的方法是利用微控制器內部的晶體振蕩器，但有些場合（如減少功耗、需要嚴格同步等情況）需要使用外部振蕩源提供時鐘信號。2.3復位電路的設計微控制器在上電時狀態并不確定，這造成微控制器不能正確工作。為解決這個問題，所有微控制器均有一個復位邏輯，它負責將微控制器初始化為某個確定的狀態。這個復位邏輯需要一個復位信號才能工作。一些微控制器自己在上電時會產生復位信號，但大多數微控制器需要外部輸入這個信號。這個信號的穩定性和可靠性對微控制器的正常工作有重大影響。 圖3 最小系統3.人機對話模塊3.1獨立按鍵鍵盤接口電路采用4個獨立式按鍵來實現各種操作功能，一鍵多義。主要通過按鍵來分別設定溫度、空氣濕度、氨氣濃度的適宜大小，即參數設定的標準值，然后通過總線傳給各個控制系統。電路中通過上拉電阻與電源相接，可靠性高，結構簡單，如圖4所示，利用軟件方式來解決消抖與連擊問題。圖4 獨立按鍵3.2 LED顯示接口電路系統采用液晶顯示來完成時鐘、參數設定與運行數據的顯示，以靜態方式顯示。這里選用LCD1620，1602是字符型液晶，微功耗、體積小，且超薄輕巧，顯示字母和數字比較方便，控制簡單，成本較低。圖5 1602液晶顯示3.3聲光報警電路在這里聲光報警器是一種警告裝置，在溫度、濕度、氨氣濃度其中一項嚴重超標或超標時間較長，自動控制系統無法調節時，由單片機控制指示燈閃光和蜂鳴器鳴叫來提醒農戶。其中指示燈閃光頻率為1-2Hz，蜂鳴器發出聲響的頻率約為1000Hz，指示燈采用發光二極管4.控制系統整個控制系統由數據采集電路模塊、系統控制模塊、I/O擴展模塊、人機對話模塊和執行控制機構模塊五部分組成。系統控制模塊采用Atmel公司的單片機芯片AT89C52為核心, 數據采集電路模塊由空氣濕度傳感器、氨氣濃度傳感器、紅外線傳感器、溫度傳感器和模/數轉換（ADC）電路; I/O擴展模塊采用8155A利用AT89C52串口擴展；人機對話模塊主要由LED顯示電路和聲光報警電路組成（這部分在前面以有描述，就不在贅述，主要顯示各豬舍內三樣指標）; 執行控制機構由光電耦合器、晶閘管和執行器件組成。硬件電路系統控制框圖如圖6所示。AT89C52 芯片報警電路LED顯示復位晶振8155A光耦晶閘管風扇光耦晶閘管水霧器光耦晶閘管門控光耦晶閘管加熱器溫度傳感器空氣濕度傳感器A/D轉換芯片氨氣濃度傳感器74HC573雙D觸發器紅外傳感器 圖6 控制系統4.1 參數采集與A/D轉換電路參數采集分別以溫度傳感器、空氣濕度傳感器HS1101、氨氣檢測傳感器 MQ137為數據采集傳感器, 通過模/數轉換器把采集到的模擬信號轉換成數字信號, 控制系統對采集到的信號進行處理并發出相關控制指令, 為豬生長提供良好的外部環境。參數采集與A/D轉換電路主要由單片機AT89C52 、74HC573鎖存器、ADC0809等組成。接線如下圖7所示，單片機AT89C52的P0口分別與74HC573、ADC0809的D0D7相連，74HC573的Q0Q2與ADC0809的輸入地址線A、B、C相連，接地，CLK與AT89C52的ALE相連，ADC0809片內無時鐘，利用89C52的地址鎖存允許信號ALE經D觸發器分頻后得到。 圖7 參數采集與A/D轉換電路4.2信號采集模塊4.2.1溫度信號對于豬的生長水平受到諸多環境因素的影響，其中溫度是最重要的因素之一。環境溫度直接影響著豬體的熱調節，通過熱調節影響豬的健康狀況和生產性能。溫度過高，散熱困難，引起體溫升高和采食量下降，溫度過低，畜體散熱過快，為維持熱平衡，需要有大量的飼料用于產熱消耗，也將導致生產力下降。因此環境的溫度，往往影響著豬的各種性能，實時監測環境溫度，具有很大的實際意義。用來測量溫度的傳感器種類很多，熱敏電阻器就是其中之一。許多熱敏電阻具有負溫度系數(NTC)，也就是說溫度下降時它的電阻值會升高。在所有被動式溫度傳感器中，熱敏電阻的靈敏度(即溫度每變化一度時電阻的變化)最高，但熱敏電阻的電阻/溫度曲線是非線性的。圖8是熱敏電阻的溫度曲線，電阻/溫度曲線是非線性的（見下一頁）。圖8 熱敏電阻的溫度曲線如果想要知道兩點之間某一溫度下的阻值，可以用這個曲線來估計，也可以直接計算出電阻值，計算公式如下：T指開氏絕對溫度，A、B、C、D是常數，根據熱敏電阻的特性而各有不同，這些參數由熱敏電阻的制造商提供。4.3.2空氣濕度參數的采集人類和動物的生存和社會活動與濕度密切相關。隨著現代化的實現，很難找出一個與濕度無關的領域。濕度對豬的影響主要是通過影響機體的體熱調節來影響豬的生產力和健康，因此在豬的生產當中，濕度往往對其有決定性的影響，采集濕度這一參數，還是非常必要的。 濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。我們采用HS1101濕度傳感器。 濕度傳感器HS1101是基于獨特工藝設計的電容元件，這些相對濕度傳感器可以大批量生產。可以應用于辦公室自動化，車廂內空氣質量控制，家電，工業控制系統等。它有以下幾個顯著的特點：（1）全互換性，在標準環境下不需校正；（2）長時間飽和下快速脫濕（3）可以自動化焊接，包括波峰或水浸（4）高可靠性與長時間穩定性（5）專利的固態聚合物結構（6）可用于線性電壓或頻率輸出回路（7）快速反應時間相對濕度在0%100%RH范圍內；電容量由162pF變到200pF,其誤差不大于2%RH；響應時間小于5s；溫度系統為0.04pF/。可見其精度是較高的。其濕度電容響應曲線如圖9：圖9 HS1101濕度電容響應曲線HS1101電容傳感器，在電路構成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。4.2.3氨氣檢測傳感器 MQ137隨著畜牧生產規模化、集約化程度的不斷提高，畜禽及其廢棄物所產生的氨氣日趨增多，畜舍內的氨氣來源主要分為兩種：一種胃腸道內的氨，來源于糞尿、腸胃消化物等；另一種是舍內環境氨，是通過堆積的糞尿、飼料殘渣和墊草等有機物腐敗分解而產生的。它危害畜禽的健康，降低生產性能，使得更容易誘發疾病，影響疫苗的免疫效果，因此檢測畜舍內氨氣濃度是十分必要的。在這我們使用MQ137氨氣傳感器，它所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環境中存在氨氣時，傳感器的電導率隨空氣中氨氣濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。 MQ137氣體傳感器對氨氣的靈敏度高，對其它有機胺（如三甲胺、乙醇胺等）的監測也很理想。這種傳感器可檢測多種含氨氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器，可以保證長期的穩定工作。圖10 傳感器典型靈敏度特性曲線 圖中縱坐標為傳感器的電阻比（Rs/R0），橫坐標為氣體濃度。Rs表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值RO表示傳感器在50ppm乙醇中的電阻值圖中所有測試都是在標準試驗條件下完成的。圖11 傳感器的典型溫度、濕度特性曲線圖中縱坐標是傳感器的電阻比（Rs/Ro）。Rs表示在含50ppm氨氣、不同溫/濕度下傳感器的電阻值。Ro表示在含50ppm氨氣、20/65%RH環境條件下傳感器的電阻值。4.2.4紅外線傳感器 熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發射的紅外線而輸出電信號的傳感器。在這里我們采用CD-208，它是基于紅外線技術的自動控制產品，靈敏度高,可靠性強，廣泛應用于各類自動感應電器設備。能全自動感應，人或動物進入其感應范圍專用傳感器探測到人體紅外光譜的變化，則輸出高電平，自動接通負載，人不離開感應范圍，將持續接通；人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平，自動關閉負載。這是一種可觸發的控制方式。 一般紅外線傳感器是由一只光電三極管構成，其電路圖如下 圖12 紅外線傳感器電路圖4.3 輸出控制電路 AT89C52單片機的I/O口輸出電流小，不能直接驅動風扇等大功率負載，需要增加驅動電路。為提高系統的可靠性與耐用性，選用晶閘管驅動電路，具有無器械接觸、體積小、便于安裝等優點。開關器件采用雙向晶閘管BTA16來控制220V的市電。同時為了保護5V電路不受市電的干擾，采用了光耦作為隔離器件。可控硅的開關狀態由AT89C52的I/O口的高低電平決定的。電路圖如圖13所示，當采集到得信號要求風扇、加熱器、水霧器要工作時，從單片機P2口輸出信號，控制晶閘管的斷開與閉合，實現電器開關的控制。例如門控系統，我們采用紅外方式來檢測，動物進入其感應范圍，自動接通負載（即開門），人不離開感應范圍，將持續接通；人離開感應范圍則自動關閉負載。圖13 輸出控制電路5. 信息處理與共享模塊5.1串口通信常用串口包括RS-232系列的串口以及RS-485系列串口，就具體形式上又分為DB9、DB25等。通過相應的芯片進行驅動，使得串口能夠正常工作。通過串口，可以完成向單片機中下載程序、主控模塊與控制系統通訊等功能。要完成串口通信，首先要選擇串口并打開串口，然后才能傳輸數據，最后需要關閉串口，完成數據傳輸。在這個系統中包括單片之間（如圖14）、微處理器與上位機直接的通信。圖14 單片機間的串口電路圖15 PC機與微處理器間串口電路5.2 USB數據傳輸數據自動存儲的客觀要求：在我們的測量過程中，不僅要求讀取簡單的數據，而且還需要對一段時間的數據進行科學的分析和處理以取得預測的分析的目的。在這種情況下，可能要求測量時間長，采集要求自動進行，無需人工值守，所以數據必須自動存儲;另一個原因，采集數據的比較高，人得觀察不能滿足實際需要，這就要求對采集的數據進行有效的存儲。SD/TF卡與ARM接口軟件設計：（1）首先初始化SD/TF卡、檢查狀態、扇區讀寫等基本操作。文件操作層包括文件的建立、讀寫、刪除等。 （2）當檢測到有串口數據，系統自動在SD/TF卡上創建一個事先定義好的文件夾，目錄下生成一個存儲數據文件，進行實時數據存儲。文件夾名稱可通過配置軟件自定義命名，例如2011年的數據，文件夾名稱可以定義為20111001；數據存儲文件為.TXT文件，系統自動創建，自動編號，不重復覆蓋，便于文件管理。 （3）為了能夠長期進行數據存儲除了采用更大容量的SD/TF卡外，采用定時創建數據存儲文件進行存儲，有利于對數據進行更有效的管理，更好的分析處理。如：假定用戶通過配置軟件設置間隔24個小時即一天（根據用戶設備具體的存儲數據量大小情況決定時間）創建一個數據儲存文件，那么N天后，文件夾20111001下將自動創建有N個TXT文件分別為0001.TXT、 0002.TXTN.TXT，各個時段的數據將完整的保存在相對應的文件中，不丟失任何字節。5.3上位機的操作和信息共享上位機與單片機及模塊通訊應當包括串口的選擇、收發數據等基本功能，在上位機接收到數據之后，要顯示出來用于分析計算。串口選擇：在上位機中能否成功的調試串口也是決定了系統的順利運行與否。在VB、VC等編程環境中借助MSCOMM控件可以達到預期效果。上位機軟件是直接與使用者溝通的一個橋梁，也是關系到數據的采集和計算，得到最佳溫濕度、氨氣濃度的重要部分。當然，隨著項目的深入，我們也會設計出功能更強、效果更好的上位機程序。編寫的上位機圖形界面大致初圖如圖14所示將所檢測到參數顯示出來，通過圖表計算分析。圖16 初期數據顯示通過對種豬的生長環境的時刻監測，由數據的傳輸和顯示到上位機上，我們將進行如下圖的分析和操作參數設置故障診斷幫助退出系統關于數據備份/恢復/初始化進/出入站種豬飼喂過程數據采集與分析系統系統數據分析飼養設備查看圖表分析生長性能飼料報酬日齡測定經濟效益測定報表采食效率投料管理料槽占用異常預警下載瀏覽上報文件夾管理測試校準工具欄狀態欄圖17 種豬飼喂過程數據采集與分析系統6.軟件設計該系統軟件主要由主程序、中斷子程序、數據采集與A/D轉換子程序、顯示子程序、報警子程序等模塊組成，因為C語言編寫的軟件易于實現模塊化，生成的機器代碼質量高、可讀性強、移植好，所以本系統軟件的開發全部采用適時性強與透明度高的Keil C51開發，采用模塊式結構設計，系統程序流程描述如下。6.1整體系統程序流程系統的整體流程主要是系統上電復位后，通過鍵盤設定各參數的標準值，然后通過總線傳給各控制系統，隔斷時間去讀取各豬舍控制的各項參數的數據并存儲，并判斷是否嚴重超標或超標時間較長，是則報警，反之不進行操作，存儲的數據在以后需分析計算時可提取出來與上位機間通信。報警子程序是當出現異常情況時輸出報警信號，例如溫度以及氨氣濃度超過一定數值（特高）或濕度低于某數值時，音頻報警裝置發出報警信號，同時相應的指示燈亮，以提醒養豬戶注意。Y 讀取各項參數數據并存儲判斷是否超標？系統初始化 設定各參數標準值傳給控制系統 報警、對應LED閃N 圖18 整體系統流程 6.2控制系統程序流程系統上電復位后，先讀取各參數的標準值，然后判斷是否有豬進來，有則開門，且每次只運行一個豬進來，進來后關門，無時返回繼續檢測，最后對采集到的數據進行判斷。首先判斷氨氣濃度，過高則開風扇，接著判斷溫度，過高開風扇散熱，在檢測溫度是否合適，合適不處理，過低開電熱器加熱；最后判斷空氣濕度，過高開風扇加速對流，過低噴水增濕，過低再看空氣濕度合適不，合適不處理，過低噴水增濕。通過上述流程對各種因子綜合控制，從而使得豬舍內處于最佳生長的環境狀態。（如下圖）圖19 控制系統程序流程四、項目特色與創新1本次項目主要利用物聯網的各種感知技術來對豬舍各種環境指標的檢測和控制。總控制系統中部署了多種類型傳感器，包括溫濕度傳感器、氨氣濃度傳感器等。每個傳感器都是一個信息源，不同類別的傳感器所捕獲的信息內容和信息格式不同。傳感器獲得的數據具有實時性，按一定的頻率周期性的采集環境信息，不斷更新數據。同時又由各個傳感器和相應的電子電路及芯片構成了一些例如豬舍空氣凈化、自動控溫系統和進排氣凈化系統等三個子系統。采溫控系統又包括降溫和加熱兩個子系統，降溫設備主要由雨淋器組成，加熱設備主要由電暖片設施組成。該系統可按需設置舍內溫度和風速并自動運行，保證豬舍內的溫度適宜和空氣清鮮環境質量大有提高。能夠自動預防空氣傳播的突發群體性疫病的發生。2本項目在采集各種環境數據時，也注重通過串行通信將數據進行傳輸共享。采集可以自動進行，無需人工值守。主要是利用一種建立在互聯網上的泛在網絡，通過各種有線網絡與互聯網融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去。并且可以在安全飼養方面，能夠幫助企業建立完善的生產檔案，建立畜禽產品安全溯源的數據基礎，提高畜禽生產的安全性，進而保障消費者的身體健康和生命安全。3本次項目本身也配備了智能處理的能力，可以將采集存儲的數據進行相應的處理分析，以實現對物體實施智能控制。通過物聯網將傳感器和智能處理相結合，在能力允許的情況下利用各種智能技術，擴充其應用領域。4本項目還采用先進的電子識別技術對畜禽進行全程管理，可以獲取畜禽所吃飼料、病歷、喂藥、轉群等信息。 合理地規劃了養殖場的業務流程，貼近養殖生產實際，人性化設計，運行穩定、功能強大。 通過監控平臺掌控各養殖場的狀況，對養殖場的生產經營實施起監督、管理、推進作用。 與此同時，系統在設計上具有極大