安徽大学大学生创新创业训练计划项目申报书1.doc
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国家级大学生创新创业训练计划项目
申报书
院系：
电子信息工程学院
项目名称：
基于物联网技术的养殖场环境监测控制系统设计
项目类型：
创新训练项目
□创业训练项目
□创业实践项目
负责人：
王晨禹
指导教师：
陈军宁
安徽大学教务处
二〇年月日
填写须知
一、项目分类说明：
1、创新训练项目是本科生个人或团队在导师指导下，自主完成创新性实验项目设计、方法选择、设备和材料的准备、实验的实施、数据处理与分析、总结报告撰写、学术论文发表和专利申请等工作。
2、创业训练项目是本科生团队在导师指导下，开展创业培训，团队学生在项目实施过程中扮演不同的角色，依据任务需求，通过编制商业计划书、开展可行性研究、模拟企业运行、进行一定程度的验证试验，撰写创业报告等工作。
3、创业实践项目是学生团队在学校导师和企业导师共同指导下，以前期创新训练项目（或创新性实验）的成果为基础，提出具有市场前景的创新性产品或者服务，以此为出发点开展创业实践活动。
二、申报书请按顺序逐项填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨。
空缺项要填“无”。
三、申请参加大学生创新创业训练计划项目团队的人数含负责人在内不得超过3人。
四、填写时可以改变字体大小等，但要确保表格的样式没有被改变；填写完后用A4纸张打印，不得随意涂改。
七、申报过程有不明事宜，请与学校教务处实践教学中心联系和咨询，电话0551-3861232。
项目名称
基于物联网技术的养殖场环境监测控制系统设计
项目起止时间
2013年8月至2014年8月
负责人
姓名
学号
所在院系年级专业
手机
E-mail
王晨禹
P01014121
10电子信息工程
13856992760
1604345103@
项目组成员
朱兵
P01014187
10通信工程
18226621089
1334963556@
朱非
E01114206
11计算机科学与技术
15395083001
874293329@
指导教师
姓名
陈军宁
职务/职称
教授
所在单位
安徽大学电子信息工程学院
手机
13705512127
E-mail
jnchen@
一、项目简介（300字左右）
本项目主要基于物联网技术，对现代规模化养殖场的环境进行检测与自动控制，以改变传统落后的饲养环境，实现畜牧与家禽的快速生长，提高养殖的生产技术和经济效益，进一步满足养殖场现代生产管理的需要。
方法是采用各种传感器与物联网技术对猪场温度、湿度、氨氮等参数进行实时监测，同时与猪舍内部的雨淋器、加热器、风机等设备相连，通过设定的阈值来进行自动加温和通风，从而改善舍内环境。
最终通过串行端口通信将采集数据传送到PC机中，作进一步的处理分析，以便及时准确地掌握养殖场各项环境指标，达到最大幅度的增产目的。
二、申请理由（包括自身/团队具备的知识条件、特长、兴趣等）
在现今物联网技术不断发展的情况下，而我们周围大量养殖企业还未能跟上时代的发展步伐。
其主要原因还是受限于技术上的不足以及管理者未能重视环境因素在猪群饲养中的关键作用，以至于在生产技术上还有很大的上升空间、广阔的发展潜力以及丰厚的经济效益。
而作为新时期的大学生，我们在努力学习专业文化课之余，也怀着勇于探索，积极实践的心态来投入到物联网信息化技术的实践推广应用中。
并且我小组成员都在专业文化课的学习中取得了优秀的成绩，有着扎实的专业素质。
同时，在专业实践中也积极参加各种相关的比赛，甚至在一些大型比赛中也取得了不错的成果和奖励。
王晨禹：
小组负责人，现任班级团支书。
具有出色的组织协调能力，多次获得国家二等奖学金。
并积极参加电子实验培训，专业素质优秀。
朱兵：
参加过校实验室电子实训，暑期的电赛培训，并在固玮杯比赛和省电子设计大赛分别获第一、第三名，现参与飞思卡尔比赛。
熟练掌握Multisim,Protues,AltiumDesigner,Keil等软件的使用，且具有一定的软硬件开发能力和也有丰富的项目经验。
朱非：
在校期间，认真学习计算机科学知识，能够熟练掌握c，汇编，c++等程序语言，具有良好的专业素质，并对物联网技术有着浓厚的兴趣，动手实践能力较强。
并积极参加班级活动，形成了良好的交际和团队合作能力。
三、项目方案
1.系统整体概述
整体方案共五个模块：
基于ARM的主控模块，人机对话模块（主要由独立按键、LED显示电路和声光报警电路组成），控制系统，存储器，信息接收与发送模块（包括串口通信和PC机显示）。
图1系统工作模式图
2.基于ARM的主控模块
嵌入式芯片自己是不能独立工作的，需要必要的外围电路给他提供基本的工作条件。
一个嵌入式芯片必须有供电系统为其供电，必须有时钟系统提供时钟信号，必须有复位系统。
嵌入式芯片还需要有存储系统。
如果芯片内部存储容量不足以满足需求，则需要外扩存储芯片。
这些微处理器运行的必要条件的电路或芯片与ARM一起构成最小系统。
嵌入式微处理器
时钟系统
供电系统
复位系统
存储器系统
图2ARM的最小系统图
2.1电源模块
开关电源：
效率较高，可以减少发热量，因而在功率较大时可以减小电源模块的体积；
模拟电源：
电路简单，输出电压纹波较小，并且干扰较开关电源小得多。
2.2时钟电路设计
目前所有的微控制器均为时序电路，需要一个时钟信号才能工作，大多数微控制器具有晶体振荡器。
简单的方法是利用微控制器内部的晶体振荡器，但有些场合（如减少功耗、需要严格同步等情况）需要使用外部振荡源提供时钟信号。
2.3复位电路的设计
微控制器在上电时状态并不确定，这造成微控制器不能正确工作。
为解决这个问题，所有微控制器均有一个复位逻辑，它负责将微控制器初始化为某个确定的状态。
这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作。
一些微控制器自己在上电时会产生复位信号，但大多数微控制器需要外部输入这个信号。
这个信号的稳定性和可靠性对微控制器的正常工作有重大影响。
图3最小系统
3.人机对话模块
3.1独立按键
键盘接口电路采用4个独立式按键来实现各种操作功能，一键多义。
主要通过按键来分别设定温度、空气湿度、氨气浓度的适宜大小，即参数设定的标准值，然后通过总线传给各个控制系统。
电路中通过上拉电阻与电源相接，可靠性高，结构简单，如图4所示，利用软件方式来解决消抖与连击问题。
图4独立按键
3.2LED显示接口电路
系统采用液晶显示来完成时钟、参数设定与运行数据的显示，以静态方式显示。
这里选用LCD1620，1602是字符型液晶，微功耗、体积小，且超薄轻巧，显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低。
图51602液晶显示
3.3声光报警电路
在这里声光报警器是一种警告装置，在温度、湿度、氨气浓度其中一项严重超标或超标时间较长，自动控制系统无法调节时，由单片机控制指示灯闪光和蜂鸣器鸣叫来提醒农户。
其中指示灯闪光频率为1-2Hz，蜂鸣器发出声响的频率约为1000Hz，指示灯采用发光二极管
4.控制系统
整个控制系统由数据采集电路模块、系统控制模块、I/O扩展模块、人机对话模块和执行控制机构模块五部分组成。
系统控制模块采用Atmel公司的单片机芯片AT89C52为核心,数据采集电路模块由空气湿度传感器、氨气浓度传感器、红外线传感器、温度传感器和模/数转换（ADC）电路;I/O扩展模块采用8155A利用AT89C52串口扩展；人机对话模块主要由LED显示电路和声光报警电路组成（这部分在前面以有描述，就不在赘述，主要显示各猪舍内三样指标）;执行控制机构由光电耦合器、晶闸管和执行器件组成。
硬件电路系统控制框图如图6所示。
AT89C52
芯片
报警电路
LED显示
复位
晶振
8155A
光耦
晶闸管
风扇
光耦
晶闸管
水雾器
光耦
晶闸管
门控
光耦
晶闸管
加热器
温度传感器
空气湿度传感器
A/D转换芯片
氨气浓度传感器
74HC573
双D触发器
红外传感器
图6控制系统
4.1参数采集与A/D转换电路
参数采集分别以温度传感器、空气湿度传感器HS1101、氨气检测传感器MQ137为数据采集传感器,通过模/数转换器把采集到的模拟信号转换成数字信号,控制系统对采集到的信号进行处理并发出相关控制指令,为猪生长提供良好的外部环境。
参数采集与A/D转换电路主要由单片机AT89C52、74HC573锁存器、ADC0809等组成。
接线如下图7所示，单片机AT89C52的P0口分别与74HC573、ADC0809的D0～D7相连，74HC573的Q0～Q2与ADC0809的输入地址线A、B、C相连，接地，CLK与AT89C52的ALE相连，ADC0809片内无时钟，利用89C52的地址锁存允许信号ALE经D触发器分频后得到。
图7参数采集与A/D转换电路
4.2信号采集模块
4.2.1温度信号
对于猪的生长水平受到诸多环境因素的影响，其中温度是最重要的因素之一。
环境温度直接影响着猪体的热调节，通过热调节影响猪的健康状况和生产性能。
温度过高，散热困难，引起体温升高和采食量下降，温度过低，畜体散热过快，为维持热平衡，需要有大量的饲料用于产热消耗，也将导致生产力下降。
因此环境的温度，往往影响着猪的各种性能，实时监测环境温度，具有很大的实际意义。
用来测量温度的传感器种类很多，热敏电阻器就是其中之一。
许多热敏电阻具有负温度系数（NTC），也就是说温度下降时它的电阻值会升高。
在所有被动式温度传感器中，热敏电阻的灵敏度（即温度每变化一度时电阻的变化）最高，但热敏电阻的电阻/温度曲线是非线性的。
图8是热敏电阻的温度曲线，电阻/温度曲线是非线性的（见下一页）。
图8热敏电阻的温度曲线
如果想要知道两点之间某一温度下的阻值，可以用这个曲线来估计，也可以直接计算出电阻值，计算公式如下：
T指开氏绝对温度，A、B、C、D是常数，根据热敏电阻的特性而各有不同，这些参数由热敏电阻的制造商提供。
4.3.2空气湿度参数的采集
人类和动物的生存和社会活动与湿度密切相关。
随着现代化的实现，很难找出一个与湿度无关的领域。
湿度对猪的影响主要是通过影响机体的体热调节来影响猪的生产力和健康，因此在猪的生产当中，湿度往往对其有决定性的影响，采集湿度这一参数，还是非常必要的。
湿敏元件是最简单的湿度传感器。
湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。
我们采用HS1101湿度传感器。
湿度传感器HS1101是基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。
可以应用于办公室自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。
它有以下几个显著的特点：
（1）全互换性，在标准环境下不需校正；
（2）长时间饱和下快速脱湿
（3）可以自动化焊接，包括波峰或水浸
（4）高可靠性与长时间稳定性
（5）专利的固态聚合物结构
（6）可用于线性电压或频率输出回路
（7）快速反应时间
相对湿度在0%～100%RH范围内；电容量由162pF变到200pF,其误差不大于2%RH；
响应时间小于5s；温度系统为0.04pF/℃。
可见其精度是较高的。
其湿度－电容响应曲线如图9：
图9HS1101湿度－电容响应曲线
HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。
4.2.3氨气检测传感器MQ137
随着畜牧生产规模化、集约化程度的不断提高，畜禽及其废弃物所产生的氨气日趋增多，畜舍内的氨气来源主要分为两种：
一种胃肠道内的氨，来源于粪尿、肠胃消化物等；另一种是舍内环境氨，是通过堆积的粪尿、饲料残渣和垫草等有机物腐败分解而产生的。
它危害畜禽的健康，降低生产性能，使得更容易诱发疾病，影响疫苗的免疫效果，因此检测畜舍内氨气浓度是十分必要的。
在这我们使用MQ137氨气传感器，它所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。
当传感器所处环境中存在氨气时，传感器的电导率随空气中氨气浓度的增加而增大。
使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ137气体传感器对氨气的灵敏度高，对其它有机胺（如三甲胺、乙醇胺等）的监测也很理想。
这种传感器可检测多种含氨气体，是一款适合多种应用的低成本传感器，可以保证长期的稳定工作。
图10传感器典型灵敏度特性曲线
图中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/R0），横坐标为气体浓度。
Rs表示传感器在不同浓度气体中的电阻值RO表示传感器在50ppm乙醇中的电阻值图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。
图11传感器的典型温度、湿度特性曲线
图中纵坐标是传感器的电阻比（Rs/Ro）。
Rs表示在含50ppm氨气、不同温/湿度下传感器的电阻值。
Ro表示在含50ppm氨气、20℃/65%RH环境条件下传感器的电阻值。
4.2.4红外线传感器
热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。
在这里我们采用CD-208，它是基于红外线技术的自动控制产品，灵敏度高,可靠性强，广泛应用于各类自动感应电器设备。
能全自动感应，人或动物进入其感应范围专用传感器探测到人体红外光谱的变化，则输出高电平，自动接通负载，人不离开感应范围，将持续接通；人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平，自动关闭负载。
这是一种可触发的控制方式。
一般红外线传感器是由一只光电三极管构成，其电路图如下
图12红外线传感器电路图
4.3输出控制电路
AT89C52单片机的I/O口输出电流小，不能直接驱动风扇等大功率负载，需要增加驱动电路。
为提高系统的可靠性与耐用性，选用晶闸管驱动电路，具有无器械接触、体积小、便于安装等优点。
开关器件采用双向晶闸管BTA16来控制220V的市电。
同时为了保护5V电路不受市电的干扰，采用了光耦作为隔离器件。
可控硅的开关状态由AT89C52的I/O口的高低电平决定的。
电路图如图13所示，当采集到得信号要求风扇、加热器、水雾器要工作时，从单片机P2口输出信号，控制晶闸管的断开与闭合，实现电器开关的控制。
例如门控系统，我们采用红外方式来检测，动物进入其感应范围，自动接通负载（即开门），人不离开感应范围，将持续接通；人离开感应范围则自动关闭负载。
图13输出控制电路
5.信息处理与共享模块
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，就具体形式上又分为DB9、DB25等。
通过相应的芯片进行驱动，使得串口能够正常工作。
通过串口，可以完成向单片机中下载程序、主控模块与控制系统通讯等功能。
要完成串口通信，首先要选择串口并打开串口，然后才能传输数据，最后需要关闭串口，完成数据传输。
在这个系统中包括单片之间（如图14）、微处理器与上位机直接的通信。
图14单片机间的串口电路
图15PC机与微处理器间串口电路
5.2USB数据传输
数据自动存储的客观要求：
在我们的测量过程中，不仅要求读取简单的数据，而且还需要对一段时间的数据进行科学的分析和处理以取得预测的分析的目的。
在这种情况下，可能要求测量时间长，采集要求自动进行，无需人工值守，所以数据必须自动存储;另一个原因，采集数据的比较高，人得观察不能满足实际需要，这就要求对采集的数据进行有效的存储。
SD/TF卡与ARM接口软件设计：
（1）首先初始化SD/TF卡、检查状态、扇区读写等基本操作。
文件操作层包括文件的建立、读写、删除等。
（2）当检测到有串口数据，系统自动在SD/TF卡上创建一个事先定义好的文件夹，目录下生成一个存储数据文件，进行实时数据存储。
文件夹名称可通过配置软件自定义命名，例如2011年的数据，文件夹名称可以定义为20111001；数据存储文件为.TXT文件，系统自动创建，自动编号，不重复覆盖，便于文件管理。
（3）为了能够长期进行数据存储除了采用更大容量的SD/TF卡外，采用定时创建数据存储文件进行存储，有利于对数据进行更有效的管理，更好的分析处理。
如：
假定用户通过配置软件设置间隔24个小时即一天（根据用户设备具体的存储数据量大小情况决定时间）创建一个数据储存文件，那么N天后，文件夹20111001下将自动创建有N个TXT文件分别为0001.TXT、0002.TXT……N.TXT，各个时段的数据将完整的保存在相对应的文件中，不丢失任何字节。
5.3上位机的操作和信息共享
上位机与单片机及模块通讯应当包括串口的选择、收发数据等基本功能，在上位机接收到数据之后，要显示出来用于分析计算。
串口选择：
在上位机中能否成功的调试串口也是决定了系统的顺利运行与否。
在VB、VC等编程环境中借助MSCOMM控件可以达到预期效果。
上位机软件是直接与使用者沟通的一个桥梁，也是关系到数据的采集和计算，得到最佳温湿度、氨气浓度的重要部分。
当然，随着项目的深入，我们也会设计出功能更强、效果更好的上位机程序。
编写的上位机图形界面大致初图如图14所示将所检测到参数显示出来，通过图表计算分析。
图16初期数据显示
通过对种猪的生长环境的时刻监测，由数据的传输和显示到上位机上，我们将进行如下图的分析和操作
参
数
设
置
故
障
诊
断
帮
助
退
出
系
统
关
于
数据备份/恢复/初始化
进/出入站
种猪饲喂过程数据采集与分析系统
系
统
数据
分析
饲养
设备
查
看
图表分析
生长性能
饲料报酬
日龄测定
经济效益
测定报表
采食效率
投料管理
料槽占用
异常预警
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校准
工
具
栏
状
态
栏
图17种猪饲喂过程数据采集与分析系统
6.软件设计
该系统软件主要由主程序、中断子程序、数据采集与A/D转换子程序、显示子程序、报警子程序等模块组成，因为C语言编写的软件易于实现模块化，生成的机器代码质量高、可读性强、移植好，所以本系统软件的开发全部采用适时性强与透明度高的KeilC51开发，采用模块式结构设计，系统程序流程描述如下。
6.1整体系统程序流程
系统的整体流程主要是系统上电复位后，通过键盘设定各参数的标准值，然后通过总线传给各控制系统，隔断时间去读取各猪舍控制的各项参数的数据并存储，并判断是否严重超标或超标时间较长，是则报警，反之不进行操作，存储的数据在以后需分析计算时可提取出来与上位机间通信。
报警子程序是当出现异常情况时输出报警信号，例如温度以及氨气浓度超过一定数值（特高）或湿度低于某数值时，音频报警装置发出报警信号，同时相应的指示灯亮，以提醒养猪户注意。
Y
读取各项参数数据并存储
判断是否超标？
系统初始化
设定各参数标准值
传给控制系统
报警、对应LED闪
N
图18整体系统流程
6.2控制系统程序流程
系统上电复位后，先读取各参数的标准值，然后判断是否有猪进来，有则开门，且每次只运行一个猪进来，进来后关门，无时返回继续检测，最后对采集到的数据进行判断。
首先判断氨气浓度，过高则开风扇，接着判断温度，过高开风扇散热，在检测温度是否合适，合适不处理，过低开电热器加热；最后判断空气湿度，过高开风扇加速对流，过低喷水增湿，过低再看空气湿度合适不，合适不处理，过低喷水增湿。
通过上述流程对各种因子综合控制，从而使得猪舍内处于最佳生长的环境状态。
（如下图）
图19控制系统程序流程
四、项目特色与创新
1．本次项目主要利用物联网的各种感知技术来对猪舍各种环境指标的检测和控制。
总控制系统中部署了多种类型传感器，包括温湿度传感器、氨气浓度传感器等。
每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。
传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性的采集环境信息，不断更新数据。
同时又由各个传感器和相应的电子电路及芯片构成了一些例如猪舍空气净化、自动控温系统和进排气净化系统等三个子系统。
采温控系统又包括降温和加热两个子系统，降温设备主要由雨淋器组成，加热设备主要由电暖片设施组成。
该系统可按需设置舍内温度和风速并自动运行，保证猪舍内的温度适宜和空气清鲜环境质量大有提高。
能够自动预防空气传播的突发群体性疫病的发生。
2．本项目在采集各种环境数据时，也注重通过串行通信将数据进行传输共享。
采集可以自动进行，无需人工值守。
主要是利用一种建立在互联网上的泛在网络，通过各种有线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。
并且可以在安全饲养方面，能够帮助企业建立完善的生产档案，建立畜禽产品安全溯源的数据基础，提高畜禽生产的安全性，进而保障消费者的身体健康和生命安全。
3．本次项目本身也配备了智能处理的能力，可以将采集存储的数据进行相应的处理分析，以实现对物体实施智能控制。
通过物联网将传感器和智能处理相结合，在能力允许的情况下利用各种智能技术，扩充其应用领域。
4．本项目还采用先进的电子识别技术对畜禽进行全程管理，可以获取畜禽所吃饲料、病历、喂药、转群等信息。
合理地规划了养殖场的业务流程，贴近养殖生产实际，人性化设计，运行稳定、功能强大。
通过监控平台掌控各养殖场的状况，对养殖场的生产经营实施起监督、管理、推进作用。
与此同时，系统在设计上具有极大的弹性，通过数据层、中间层、表现层三大部分提高了系统的可扩展性，以实现规模化家禽的饲养。
五、项目进度安排
（1）2013年7月——2013年8月
理论分析、资料查阅、项目总体规划；
（2）2013年8月——2013年9月
单片操作系统的电路设计，对电路进行仿真测试同时修改完善电路，完成电路原理图的绘制；
（3）2013年9月——2013年10月
先初步完成对硬件电路的布局，布线，并进一步修改布线，以使整机达到较好的兼容性，最终生成PCB文件；
（4）2013年10月——2013年11月
电路板的焊接，制作，硬件电路实物的可靠性测试；
（5）2013年11月——2014年1月
主控模块的软件编写，调试；
（6）2014年3月——2014年5月中旬
整机调试，并对各个传感器进行连接，测试其工作情况；同时进行数据采集的检测。
（7）2014年5月中旬——2014年7月
进行实际环境的基本实验，将单片操作系统进行调试修改；观察各类采集数据的准确度。
（8）2014年7月——2014年8月
完成项目整体设计，填写结题表，撰写研究论文和总结报告
六、项目经费使用计划
资料打印、购买费：
2000元（主要用于各传感器及芯片资料的购买，以及开题报告，实验总结等文件的打印）
材料器件费:
10000元（主要用于用电系统的的购置，电路元器件和传感器的购买等）
其他材料、费用：
2000元（主要用于开发软件的购买以及实际电路的焊接材料，也包括印刷电路板的制作费用等）
交通运输费：
1000元（主要用于来往试验地与饲养场的车费）
总计费用：
15000元
七、项目预期成果
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