摘 要： 家禽養殖環境中的溫度、濕度和空氣等因素直接影響著家禽的生產性能，針對大型家禽養殖場環境監控的需求，研究應用CAN總線技術建立一種分布式多變量環境監控系統，該系統由以ATmega128單片機為核心的監控中心和以ATmega16單片機為核心的智能監控終端組成。工作時，監控中心實時收集、分析和處理各監控終端采集到的環境信息，根據用戶輸入的控制要求，結合數據處理結果，向各終端發送控制參數，實現對養殖場內多個禽舍的監控。
關鍵詞： 禽舍；CAN總線；監控；單片機
家禽的生存需要具備一定的環境條件，理想的溫度與濕度、空氣質量和適當的光照是提高其存活率、產蛋率和增重速度等生產性能的必備因素[1]。在實際養殖環境中，可以通過供暖、蒸發、控制空氣流動和增加照明設備等方法來創造適合家禽生長的環境條件。目前，我國的禽舍環境調控水平提高速度較快，但與發達國家相比，差距仍然明顯，管理水平不高，環境因素之間缺乏必要的聯系，且多數控制系統必須由飼養管理人員手動操作或機電式操作，自動化水平低，難以適應現代化生產管理的要求[2]。因此，建立一種智能化程度高、通信可靠的低成本禽舍環境綜合監控系統是進一步提高家禽生產性能的重要途徑。
1 系統組成
監控系統采用分布式結構[3]，上位機是以AVR單片機ATmega128為核心的監控中心，下位機是以ATmega16單片機為核心的智能監控終端。監控中心以一個LCD顯示器為監控信息輸出環節，用戶可以通過由一個專用鍵盤構成的控制參數輸入環節錄入監控指令。智能監控終端掛接氣體、溫度和濕度傳感器，定時采集禽舍環境的氨氣濃度、二氧化碳濃度、溫度和濕度等有用信息，當接收到監控中心發送過來的采集命令后立即通過CAN總線將相關信息發送到監控中心，并且不斷監聽監控中心發送過來的執行指令，根據指令控制連接在該終端的執行機構進行相關的動作，實現對禽舍環境的監控。整個系統的結構如圖1所示。
監控中心放置在養殖場的監控室內，每間禽舍安裝一個監控終端。由于場地占地面積大，數據傳輸距離長，多點連接組網時采用屏蔽雙絞線作為傳輸物理介質以提高通信可靠性。
2 硬件部分設計
監控系統在硬件方面主要包括CAN總線接口、傳感器、執行機構與單片機的接口、監控中心的顯示器和鍵盤等幾部分。
2.1 CAN總線接口電路
上述兩款AVR單片機內部沒有CAN總線控制及接口的硬件資源，因此采用Microchip公司的CAN總線控制器芯片MCP2515[4]和物理接口芯片MCP2551[5]組建接口電路。MCP2515有標準的SPI數據接口，可以與AVR單片機的SPI接口直接相連，接口電路如圖2所示。MCP2515的中斷信號輸出端與AVR單片機的一個外部中斷信號輸入引腳相連。為了增強系統的抗干擾能力，使用高速光耦6N137實現控制部分與總線物理接口部分的電氣隔離。
2.2 傳感器及執行機構接口
本研究的CO2傳感器選用Figaro公司的固體電可測型CO2氣體傳感器TGS4160，其測量濃度范圍為0～3 000 mg/kg，與處理模塊AM-4配合使用，工作電壓VDC 為5 V，輸出0～3 V的電壓信號，與CO2濃度值呈線性關系，可以直接接入ATmega16的ADC輸入通道AIN0，由ATmega16內部的ADC進行模數轉換。氨氣傳感器采用JB-QT-TON90ATN氨氣氣體傳感變送器，其輸出信號是4 mA～20 mA標準電流信號，通過轉換電路轉換成電壓后接入單片機的其中一個ADC通道AIN1。溫度傳感器采用DS18B20，其DQ線直接與ATmega16的PD6引腳連接，利用單片機I/O口的內部上拉電阻使以漏極開路形式輸出的DQ輸出正確幅值的脈沖信號。濕度傳感器采用國產的HM1500，其輸出信號是與濕度成線性關系的1 V～4 V直流電壓信號，可以直接接入單片機的ADC輸入通道AIN2。
執行機構的主要部件是電機，單片機輸出的數字控制信息通過數模轉換變成模擬控制量，再經過光耦進行電氣隔離后接入電機驅動電路，以實現對電機動作的控制。
2.3 監控中心的顯示及鍵盤接口電路
監控中心采用基于ST7290控制器的128×64點陣LCD作為顯示器，ST7290內嵌有中英文及阿拉伯數字字庫，可以較方便地顯示出禽舍環境的各種信息量。ATmega128與ST7290之間采用8位并行方式進行連接，其接口電路如圖3所示。
在系統運行過程中，用戶可以通過鍵盤輸入或修改控制參數。鍵盤由14個按鍵組成，分別是2個方向鍵、10個數字鍵、1個返回鍵和1個確認鍵。鍵盤以獨立方式接入，即每個按鍵單獨占用一個I/O口，一端通過單片機內部的上拉電阻接VCC，另一端接地。確認鍵接到單片機的外部中斷輸入，用戶要進行輸入操作時需先按確認鍵引起單片機中斷，單片機響應該中斷后進入指令錄入狀態，不斷查詢鍵盤各個按鍵的狀態，等待用戶輸入信息。
3 軟件設計
系統軟件主要由監控中心和終端軟件兩大部分組成，以模塊化的方式設計，整體結構如圖4所示，按照系統的功能和硬件電路結構分別把監控中心程序和監控終端程序各分為若干功能塊。
3.1 CAN總線通信協議設計
CAN總線控制器MCP2515工作在中斷數據操作模式，通信過程采用具有11位標識符的標準幀格式進行數據收發，接入總線的監控中心和各監控終端的總線標識符各不相同。物理層和數據鏈路層均按照CAN2.0B的規范進行信號和信息傳輸，在應用層采用主從應答的方式通信，監控中心為主，監控終端為從，監控中心周期性地輪詢各終端，發出采集和控制指令，收到指令的終端立即響應，進行相應的動作。
3.2 監控中心程序設計
監控中心的主要任務是：(1)發送控制參數和指令；(2)收集、處理和顯示各禽舍環境信息；(3)根據用戶的輸入修改控制參數。其程序流程如圖5所示。
3.3 監控終端程序設計
監控終端在完成初始化工作后等待監控中心發送指令，根據指令進行下一步的動作；同時，監控終端不斷采集環境信息，按既定參數驅動執行機構動作，實現對禽舍環境的監控。其程序流程如圖6所示。
本研究將CAN總線技術應用到禽舍環境監控領域中，依靠CAN總線本身的優點，增強了傳統禽舍監控網絡的通信可靠性、實時性和靈活性，增長了通信距離（與485總線相比）。用戶可以根據實際需要在目前的系統硬件基礎上掛接其他傳感器模塊，通過增加相應的軟件功能模塊，實現對更多模擬量的監控，用于其他監控領域；也可以在監控中心掛接GPRS或CDMA模塊，實現遠程監控。
參考文獻
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[2] 崔和瑞，李曼,高峰.基于模糊控制的畜禽舍環境監控系統的研究[J].計算機工程,2006，32(21)：224-
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[3] 王麗麗，朱瑞祥，隨順濤，等.基于PC機和單片機的分布式禽舍環境監控系統[J].農機化研究，2009(2)：74-76，103.
[4] MCP2515 stand-alone CAN controller with SPITM interface[M].USA：Microchip Technology Inc.,2005.
[5] MCP2551 high-speed CAN transceiver[M].USA：Microchip Technology Inc.，2002.