CN103995089A

CN103995089A - 一种基于wsn的猪舍环境感知电子鼻及工作方法

Info

Publication number: CN103995089A
Application number: CN201410223364.6A
Authority: CN
Inventors: 张荣标; 张凤; 陈超
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2014-08-20

Abstract

本发明公开一种基于WSN的猪舍环境感知电子鼻及工作方法，上部有气室，下部有装置保护罩，气室内腔中设有传感器装置，在装置保护罩内腔中安装空气过滤装置、微气泵、清洗气体管道和控制模块，空气过滤装置下端连接水平放置的清洗气体通道的左端，清洗气体通道内腔有水平放置的挂钩式弹簧，挂钩式弹簧左端挂钩固接清洗气体通道内壁，右端连接铁质滑块，清洗气体通道的右端分别连接微气泵的进口和水平布置的被测气体通道的左端，被测气体通道内腔的左端处装有绕有线圈的电磁铁；能为传感器阵列提供干净的空气，提高了测量的精度，采用等级评判算法，采用多参数综合评判，实现对猪舍内环境情况的实时监测和质量等级评估。

Description

一种基于WSN的猪舍环境感知电子鼻及工作方法

技术领域

本发明涉及对猪活动环境实现监测的技术，尤其涉及运用电子鼻***和无线传感网络WSN对猪舍内的空气质量进行监测的装置及方法。

背景技术

猪舍内对猪的健康和生产性能有不良影响的气体统称为有害气体。《农产品安全质量无公害畜禽肉产地环境要求》（GB/T 18407.3-2001）中明确指出，氨气（NH₃）、硫化氢（H₂S）、二氧化碳（CO₂）是猪舍中最主要的3种有害气体。这些有害气体主要是由猪呼吸以及粪尿、饲料、垫草等腐败分解而产生，在通风不良、潮湿、粪尿处理不合理的封闭猪舍含量较高，危害猪及工作人员的健康，降低猪的生产性能。

猪舍内的氨大多由含氮有机物 ( 如粪、尿、饲料等 ) 分解产生，硫化氢大多由含硫有机物分解产生，二氧化碳可表明猪舍空气的污浊程度，同时表明猪舍空气中可能存在其他有害气体。因此，有效测定猪舍NH₃、H₂S、CO₂的浓度以及温湿度可以得出猪舍环境状况。

现有的电子鼻的核心器件是气体传感器，是利用气体传感器阵列的响应图案来识别气味的电子***，它可以连续地、实时地监测特定位置的气味状况。电子鼻识别气味的主要机理是在阵列中的每个传感器对被测气体都有不同的灵敏度，整个传感器阵列对不同气体的响应图案是不同的，其应用场合包括环境监测、产品质量检测等。

发明内容

本发明提出一种感知猪舍环境的电子鼻及其工作方法，综合运用电子鼻、等级评判算法和无线传感器网络，对猪舍内空气进行采样分析，并通过等级评判算法将空气质量通过等级来表示，运用无线传感网络WSN将结果发送给养殖户，由此观测猪舍环境情况。

本发明一种基于WSN的猪舍环境感知电子鼻采用技术方案是：上部有气室，下部有装置保护罩，气室和装置保护罩的内腔通过隔板相隔，气室内腔中设有传感器装置，气室顶部有通气孔，装置保护罩左侧壁上开有第一进气孔，第一进气孔与空气过滤装置相连；空气过滤装置下端连接水平放置的清洗气体通道的左端，清洗气体通道内腔有水平放置的挂钩式弹簧，挂钩式弹簧左端挂钩固接清洗气体通道内壁，挂钩式弹簧右端连接铁质滑块，铁质滑块外圈壁与清洗气体通道的内壁切合；清洗气体通道的右端分别连接微气泵的进口和水平布置的被测气体通道的左端，微气泵的出口向上伸入气室中，被测气体通道内腔的左端处装有绕有线圈的电磁铁，被测气体通道的右端连接设在装置保护罩的右侧壁上的第二进气孔；传感器装置具有传感器阵列和电路板，传感器阵列是硫化氢传感器、氨气传感器、二氧化碳传感器、湿度传感器和温度传感器；装置保护罩的底部上设有控制模块，控制模块包括MCU控制处理单元和无线模块，控制模块的侧边竖直放置天线，控制模块分别连接电磁铁上的线圈、微气泵、传感器阵列、通过无线模块与天线相连接。

本发明一种基于WSN的猪舍环境感知电子鼻的工作方法是具有以下步骤：1）控制模块控制微气泵工作，电磁铁上的线圈供电，铁质滑块向右移动至被测气体通道的左端，由铁质滑块关闭被测气体通道和打开清洗气体通道；2）在微气泵的作用下猪舍内的空气依次经第一进气孔、空气过滤装置、清洗气体通道和微气泵进入气室内，并通过通气孔排出；3）控制电磁铁上的线圈停止供电，在挂钩式弹簧的作用下释放铁质滑块，铁质滑块恢复到原位，阻挡住清洗气体通道，被测气体通道打开，在微气泵的作用下，猪舍内的空气从第二进气孔进入被测气体管道中，经微气泵进入气室。4）保证进入气室的气体与各个传感器充分接触并作用，各个传感器的电导率发生变化产生电信号且电信号传入控制模块；5）控制模块对输入的电信号进行处理，得出猪舍内空气质量的最后得分，经无线模块将最后得分通过天线发射。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用过滤网和活性炭，为传感器阵列提供干净的空气，防止传感器中毒，提高了测量的精度。

2、本发明内部采用等级评判算法，采用多参数综合评判，得出具体分数，并通过等级评判算法将空气质量通过等级“优、良、合格、不合格”来表示，若评分过低则体现猪舍内空气质量不过关，发出警告，再由养殖户采取具体措施。实现了对猪舍内环境情况的实时监测和质量等级评估，使养殖户知道目前猪舍内的环境状况，更加清晰准确的监视猪舍内空气质量。

3、本发明采用了电子鼻技术，内部有一个由不同的气敏传感器组成的混合传感器阵列，实现多参数检测，且安装方便。

4、本发明采用WSN技术，实现电子鼻的感知信息及时传送。

5、本发明采用整体封闭结构，固定在猪舍后，即可实施监测，使用方便。

附图说明

图1是本发明所述一种基于WSN的猪舍环境感知电子鼻的安装示意图；

图2是图1中猪舍环境感知电子鼻的内部结构放大图；

图3是图1中传感器装置6的组成图：

图4是图1中控制模块14的结构及连接图；

图5是图1所述猪舍环境感知电子鼻的工作流程图。

附图中的各部分序号及名称：1.猪舍墙壁；2.气室；3.装置保护罩；4.固定螺丝；5.出气孔；6.传感器装置；7.微气泵；8.固定槽；9a、9b .进气孔；10.通气管道；11.管道接口；12.空气过滤装置；13.市电接口；14.控制模块；15.清洗气体管道；16.挂钩式弹簧；17.铁质滑块；18.导线；19.软管道；20.电磁铁；21.被测气体管道；22.隔板；23.天线；24.硫化氢传感器；25.氨气传感器；26.二氧化碳传感器；27.湿度传感器；28.温度传感器；29.电路板；30.防尘保护罩。

具体实施方式

如图1 所示，本发明一种基于WSN的猪舍环境感知电子鼻采用整体封闭的结构，通过固定螺丝4固定在猪舍墙壁1上。如图2所示，猪舍环境感知电子鼻的上部有气室2，下部有装置保护罩3，气室2和装置保护罩3的内腔通过隔板22相隔。在装置保护罩3内腔中安装空气过滤装置12、微气泵7、清洗气体管道15和控制模块14。在装置保护罩3的左侧壁上开有进气孔9a，进气孔9a通过通气管道10与空气过滤装置12相连，将猪舍内空气通入空气过滤装置12内，空气过滤装置12采用过滤网和活性炭。空气过滤装置12通过固定螺丝4固定在装置保护罩3的内壁上。空气过滤装置12下端连接另一个通气管道10，另一个通气管道10竖直往下，通过管道接口11与清洗气体通道15的左端相连，清洗气体通道15内部光滑且水平放置，清洗气体通道15内腔有水平放置的挂钩式弹簧16，挂钩式弹簧16左端具有挂钩，挂钩通过另一个螺丝4固定在清洗气体通道15的内壁上，挂钩式弹簧16右端连接截面是圆形的铁质滑块17，铁质滑块17外圈壁与清洗气体通道15的内壁切合，当挂钩式弹簧16处于原长时，铁质滑块17位于清洗通道15的右端。清洗气体通道15的右端连接两个分叉通道，一个分叉通道口通过软管道19与微气泵7的进口相连，微气泵7竖直放置在装置保护罩3的内部，通过固定槽8固定在装置保护罩3的内壁上，微气泵7的出口向上伸入气室2中，另一个分叉通道为被测气体通道21，被测气体通道21也水平布置，被测气体通道21的右端连接进气孔9b，进气孔9b设在装置保护罩3的右侧壁上，猪舍内被测气体通过进气孔9b进入。被测气体通道21内腔的左端处装有电磁铁20，电磁铁20粘附在被测气体通道21的内壁上以便固定，在电磁铁20上绕有线圈。

在气室2内腔中安装用于气体检测的传感器装置6，气室2的外壳为可拆卸的保护罩，在气室2顶部有两个通气孔5。传感器装置6安装在隔板22的左侧，并且用固定螺丝4将传感器装置6固定在隔板22上。

在装置保护罩3的底部上安装控制模块14，控制模块14通过市电接口13与外部电源相连，控制模块14水平安装在装置保护罩3底壁中间部位。控制模块14通过导线18连接连接到电磁铁20上的线圈，为电磁铁20上的线圈供电，导线18与装置保护罩3内壁贴合。控制模块14的侧边竖直放置天线23，天线23可与控制模块14相贴合或固定在装置保护罩3底壁上。

如图3所示，传感器装置6具有传感器阵列和电路板29，传感器阵列安装在电路板29上。传感器阵列是硫化氢传感器24、氨气传感器25、二氧化碳传感器26、湿度传感器27和温度传感器28，各个传感器之间间隔一定的间距水平安装在电路板29上。其中，硫化氢传感器24、氨气传感器25、二氧化碳传感器26安装在电路板29的中间部位，温度传感器28和湿度传感器27分别靠近电路板29的左、右部位安装。在电路板29外罩一个防尘保护罩30，将整个电路板29和保护在内。由于每个猪舍环境的差异，因此根据不同环境，定期清洗防尘保护罩30，防止灰尘阻塞防尘保护罩30而导致空气的不流通。

如图4所示，控制模块14包括电源模块、MCU控制处理单元、前置处理电路、无线模块CC2520等。MCU控制处理单元分别连接前置处理电路、电源模块、无线模块和微气泵7，MCU控制处理单元对所连接的部件实现控制，控制各个电路，对各个电路传送的信号进行处理。无线模块是无线模块CC2520，与天线23相连接。电源模块连接市电接口13。前置处理电路与传感器阵列相连接，前置处理电路实现放大、滤波和模数转换处理功能，对各个传感器获得的信号经过前置处理电路后传入MCU控制处理单元。由于气敏传感器输出的电压值很小，另外由于一些不稳定的因素，可能会使输出信号产生一些毛刺，MCU处理的是数字信号，所以气敏传感器输出的信号需要经过前置处理电路后才能传入MCU，使MCU控制处理单元控制电磁铁20的工作状态。

参见图5，本发明一种基于WSN的猪舍环境感知电子鼻工作工作时，首先由现场工作人员提前设定好每个传感器的工作参数，控制模块14中的MCU控制处理单元启动，控制微气泵7开始工作，MCU控制处理单元对电磁铁20上的线圈供电，使电磁铁20具有磁性，吸引电磁铁20左端的铁质滑块17向右移动，挂钩式弹簧16被拉长，铁质滑块17向右移动至被测气体通道21的左端，在此位置，铁质滑块17关闭被测气体通道21，同时打开了清洗气体通道15。在微气泵7的作用下，猪舍内的空气依次经进气孔9a、空气过滤装置12、清洗气体通道15、软管道19、微气泵7进入气室22内，又通过通气孔5排出气室22，持续约2分钟即可。在这过程中，进入气室22内的空气在之前经过空气过滤装置12的滤清，使各个传感器的数值在洁净的空气中得以恢复，数值回归至基线值。由于某些化学物质接触到传感器后可以使其中毒，进而使传感器部分或者完全丧失敏感性，而抑制效应通常可以通过放置在洁净空气中得以恢复，因此猪舍内的空气经过空气过滤装置12的滤清，可以防止传感器中毒并且提高测量的准确性。

然后，MCU控制处理单元对电磁铁20上的线圈停止供电，在挂钩式弹簧16的作用下释放铁质滑块17，挂钩式弹簧16恢复原长，铁质滑块17恢复到原位，铁质滑块17阻挡住清洗气体通道15，导致清洗气体通道15关闭，被测气体通道20打开。在微气泵7的作用下，此时猪舍内的空气从右侧的进气孔9b进入被测气体管道21中，通过被测气体管道21和微气泵7的运作进入气室22。由于被测气体管道21与清洗气体通道15的转换时间极短，因此微气泵7在两个通道转换期间仍然工作着，不会停止运作。从被测气体管道21打开开始计时，微气泵7持续工作10分钟左右，保证气室22内的气体和猪舍内的气体成分一致，同时吸入气室22的气体与各个传感器能够充分接触并作用，此时传感器阵列开始工作，相应地各个传感器的电导率发生变化，产生电信号。各个传感器与控制电路板29相连，电信号经过前置处理电路传入MCU控制处理单元。

最后，MCU控制处理单元对输入的各个传感器的电信号进行处理，作具体的评判运算，得出最后猪舍内空气质量得分，无线模块负责将最后的猪舍空气质量得分通过天线23发射给养殖户，若得分为差，则MCU控制处理单元发出警报，与此同时将评分为差的被测量也发送给养殖户，让养殖户及时了解不合格的量并采取相应的措施去解决。当上述工作全部完成后，MCU控制处理单元控制清洗气体通道15打开，被测气体通道21关闭，使得各个传感器数值恢复到基线值，定时半小时，若达到半小时后再进行下次测量。

MCU控制处理单元进行具体评判运算时，采用等级评判算法，由工作人员提前将5个被测量二氧化碳、硫化氢、氨气的浓度和温度、湿度划分等级为优、良、合格、差四个等级，并用分值来代替，优为4分，良为3分，合格为2分，差为1分，并且将每个被测量的浓度与分数关系输入到MCU控制处理单元中，假设温度所得分数为x，湿度所得分数为y，二氧化碳含量所得分数为z ，硫化氢含量所得分数为t ，氨气含量所得分数为w，然后运用MIN函数得到最后分数P：

P=MIN(x，y，z，t，w)；

最后评判猪舍总体环境，若P=4，代表猪舍内5个被测量的浓度和温度、湿度均为优，猪舍总体环境为优；若P=3，代表猪舍内至少有一个被测量的浓度和温度、湿度为良，其余为优，猪舍总体环境为良；若P=2，代表猪舍内至少有一个被测量的浓度和温度、湿度为合格，其余为优或良，猪舍总体环境为合格；若P=1 ，代表猪舍至少有一个被测量的浓度和温度、湿度为差，猪舍总体环境为差。得分通过无线模块发送给养殖户，若P=1，则MCU控制处理单元发出警报给养殖户，并将分数为1的被测量的浓度和温度、湿度都发送给养殖户，让养殖户去了解并采取相应的措施。

Claims

1.一种基于WSN的猪舍环境感知电子鼻，上部有气室（2），下部有装置保护罩（3），气室（2）和装置保护罩（3）的内腔通过隔板（22）相隔，气室（2）内腔中设有传感器装置（6），气室（2）顶部有通气孔，其特征是：装置保护罩（3）左侧壁上开有第一进气孔（9a），第一进气孔（9a）与空气过滤装置（12）相连；空气过滤装置（12）下端连接水平放置的清洗气体通道（15）的左端，清洗气体通道（15）内腔有水平放置的挂钩式弹簧（16），挂钩式弹簧（16）左端挂钩固接清洗气体通道（15）内壁，挂钩式弹簧（16）右端连接铁质滑块（17），铁质滑块（17）外圈壁与清洗气体通道（15）的内壁切合；清洗气体通道（15）的右端分别连接微气泵（7）的进口和水平布置的被测气体通道（21）的左端，微气泵（7）的出口向上伸入气室（2）中，被测气体通道（21）内腔的左端处装有绕有线圈的电磁铁（20），被测气体通道（21）的右端连接设在装置保护罩（3）的右侧壁上的第二进气孔（9b）；传感器装置（6）具有传感器阵列和电路板（29），传感器阵列是硫化氢传感器（24）、氨气传感器（25）、二氧化碳传感器（26）、湿度传感器（27）和温度传感器（28）；装置保护罩（3）的底部上设有控制模块（14），控制模块（14）包括MCU控制处理单元和无线模块，控制模块（14）的侧边放置天线（23），控制模块（14）分别连接电磁铁（20）上的线圈、微气泵（7）、传感器阵列、通过无线模块与天线（23）相连接。

2. 根据权利要求1所述一种基于WSN的猪舍环境感知电子鼻，其特征是：各个传感器有间隔地水平设在电路板（29）上，硫化氢传感器（24）、氨气传感器（25）、二氧化碳传感器（26）设在电路板（29）的中间部位，温度传感器（28）和湿度传感器（27）分别设在靠近电路板（29）的左、右部位。

3.根据权利要求1所述一种基于WSN的猪舍环境感知电子鼻，其特征是：当挂钩式弹簧（16）处于原长时，铁质滑块（17）位于清洗通道（15）的右端。

4. 一种如权利要求1所述的猪舍环境感知电子鼻的工作方法，其特征是具有以下步骤：

1）控制模块（14）控制微气泵（7）工作，电磁铁（20）上的线圈供电，铁质滑块（17）向右移动至被测气体通道（21）的左端，由铁质滑块（17）关闭被测气体通道（21）和打开清洗气体通道（15）；

2）在微气泵（7）的作用下，猪舍内的空气依次经第一进气孔（9a）、空气过滤装置（12）、清洗气体通道（15）和微气泵（7）进入气室（22）内，并通过通气孔（5）排出；

3）控制电磁铁（20）上的线圈停止供电，在挂钩式弹簧（16）的作用下释放铁质滑块（17），铁质滑块（17）恢复到原位，阻挡住清洗气体通道（15），被测气体通道（20）打开，在微气泵（7）的作用下，猪舍内的空气从第二进气孔（9b）进入被测气体管道（21）中，经微气泵（7）进入气室（22）；

4）保证进入气室（22）的气体与各个传感器充分接触并作用，各个传感器的电导率发生变化产生电信号且电信号传入控制模块（14）；

5）控制模块（14）对输入的电信号进行处理，得出猪舍内空气质量的最后得分，经无线模块将最后得分通过天线（23）发射。

5.根据权利要求4所述的猪舍环境感知电子鼻的工作方法，其特征是：步骤5）中控制模块（14）对电信号进行处理的具体步骤是：

1）提前将5个被测量的二氧化碳、硫化氢、氨气的浓度和温度、湿度划分等级为优、良、合格、差四个等级，用分值代替，优为4分，良为3分，合格为2分，差为1分；

2）将每个被测量的浓度与分数关系输入到MCU控制处理单元中，用MIN函数得到最后分数P=MIN(x，y，z，t，w)，x，y，z，t，w分别为温度、湿度、二氧化碳含量、硫化氢含量、氨气含量所得的分数；

3）评判猪舍总体环境，若P=4，为优；若P=3，为良；若P=2，为合格；若P=1，为差。