#第七届立创电赛#养殖场多组分有害气体及温湿度监测系统设计与开发 - 立创电子设计大赛

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第七届立创电子设计开源大赛

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<div> 针对现有规模性生猪养殖场环境监测系统中普遍存在的监测有害气体种类单一、缺乏对环境风险的整体评估的缺点，我们设计了一</div> <div>种基于 IOT 平台的生猪养殖场多组分有害气体及温湿度监测系统，设备主机端在采集计算当前区域中多种有害气体如硫化氢、氨气、一氧</div> <div>化碳、二氧化碳浓度后使用轻量级物联网 MQTT 协议将数据回传到物联网平台端，物联网平台端进行实时数据展示、数据存储并结合综合环境评估体系对环境进行评分；系统整体采用了 FreeRTOS 实时操作系统，将整个采集流程拆分为多个子任务对设备端以及环境进行实时的数据采集及回传，同时在气体浓度计算方面，采用了基于多元多项式回归的气体浓度温度补偿算法，确保气体浓度的高精度计算。经验证，该系统可以满足规模性生猪养殖场对于环境监测系统可靠性、实时性和稳健性的需求。</div> <div><img src="//image.lceda.cn/pullimage/GQB5K2ar696Q0RLDagwEVMAhSQNflC365S1qjjc3.jpeg" alt="GQB5K2ar696Q0RLDagwEVMAhSQNflC365S1qjjc3.jpeg"></div> <div><img src="//image.lceda.cn/pullimage/RtI1qDnixh92QZx031BDVyLWFNj2Hu0SlrciacsB.jpeg" alt="RtI1qDnixh92QZx031BDVyLWFNj2Hu0SlrciacsB.jpeg"><img src="//image.lceda.cn/pullimage/GIM282Px67ejPFYkEG5Tw6z5C7dmUTwbEYXX3Uo5.jpeg" alt="GIM282Px67ejPFYkEG5Tw6z5C7dmUTwbEYXX3Uo5.jpeg"><img src="//image.lceda.cn/pullimage/9mT6cZWQmQI1yYxNbiuuLRQI9bWA4z19phw9ZX7F.jpeg" alt="9mT6cZWQmQI1yYxNbiuuLRQI9bWA4z19phw9ZX7F.jpeg"></div> <div>项目资料：https://lecloud.lenovo.com/share/3kpvXbpz9M4Jh1cgX</div> <p>视频演示：<a href="https://lecloud.lenovo.com/share/4ps67jNb7rBtrYA6B" target="_blank">https://lecloud.lenovo.com/share/4ps67jNb7rBtrYA6B</a></p> <p>开源代码：<a href="https://github.com/leezisheng/Farm-environment-monitoring-device---stand-alone-version" target="_blank">https://github.com/leezisheng/Farm-environment-monitoring-device---stand-alone-version</a></p> <p> </p> <p>项目特点：</p> <div> 监控设备端主要完成对于传感器数据的采集和初步计算，监控设备端采用模块化设计，同时考虑到猪舍内部环境复杂导致电源线布置</div> <div>难度大，装置整体采用内部供电并且在元器件选型方面尽量满足其低功耗要求：主控模块采用 32 位 Cortex-M43架构的 STM32F1 芯片，在功耗和计算性能间达到平衡；电源模块设计采用 12V 锂电池输入和高效率的开关电源芯片 LM2596，兼容 5V 和 3.3V 电压输出，可以满足各个模块不同电压的输入需求；OLED 显示模块采用 0.96 寸 OLED 屏幕，OLED 屏幕具有自发光、反应速度快和无需背光等特点，可以很好的满足整体系统的低功耗要求；温湿度采集模块选用 DTH11 温湿度一体化数字传感器，DTH11 温湿度传感器采用内部电阻式感湿元件和 NTC 测温元件检测环境温湿度，同时内部 8 位单片机在采集数据后通过单总线协议将温湿度数据输出，DTH11 温湿度传感器具有响应速度快、抗干扰能力强的优点[7]；WIFI 数据传输模块采用集成 ESP8266 芯片的 WIFI 模组，ESP8266 芯片具有强大的片上处理和存储能力，同时板载利于二次开发的 AT 固件，可以通过 AT 指令使用 TCP 协议或 MQTT 协议与服务器或个人 PC主机进行连接；气体浓度采集模块采用低成本、高灵敏度的电化学传感器，电化学气体传感器探头工作原理为有害气体与电化学物质进行反应导致传感器电导率产生变化最终反应为电压变化，这里考虑到传感器输出电压超出单片机 ADC 电压采集范围，采用 ADC 分压跟随器电路进行分压，同时使用二阶 RC 低通滤波电路减小电路中器件噪声对于电压采集的影响，监控设备端整体结构框图如图 3 所示。</div> <div><img src="//image.lceda.cn/pullimage/wLICFthIRxcMPTFFCLxqOO6v2pVh2N9k6tIipmR9.png" alt="wLICFthIRxcMPTFFCLxqOO6v2pVh2N9k6tIipmR9.png"><img src="//image.lceda.cn/pullimage/OXx6TOMpNehRmj1NSgJz2RlJmI3fQwnsfOm25rnQ.png" alt="OXx6TOMpNehRmj1NSgJz2RlJmI3fQwnsfOm25rnQ.png"></div> <div> <div> 考虑到温度对于电化学气体传感器内部催化反应有直接影响，即便在同一浓度下，由于猪舍内温度不同导致传感器电压输出不同，因</div> <div>此这里在标准大气压下使用高低温试验箱调整温度并且使用不同浓度的标准气体对传感器探头进行标定，计算温度-电压-气体浓度方程</div> <div> <div>以确保气体浓度的准确计算。这里以 MG813 电化学二氧化碳传感器为例，讲解温度补偿的整个流程，这里我们取 0℃、20℃、30℃和 40℃作为标定温度点，标准气体浓度取 100ppm、500ppm、800ppm、1000ppm、1500ppm、3000ppm、5000ppm、8000ppm 和 10000ppm，同时使用纯氮气进行零点标定。在零点标定过程中，首先将高低温箱内温度调节到标定温度点之一，接着使用微型气泵将气室箱内气体抽出，将纯氮气通入气室箱中，稳定采集五分钟传感器电压输出后取平均值作为该浓度对应电压值；在其他浓度点标定过程中，高低温箱、抽气和电压采集步骤与零点标定相同，仅是将纯氮气替换为不同浓度的标准气体；在同一温度下，完成一轮标准浓度标定后，调节高低温箱到不同标定温度，重复以上标定过程并记录不同浓度、不同温度下传感器电压输出。</div> <div> 这里使用多元多项式回归算法对数据进行拟合，其基本原理是：任一函数都可以用多项式逼近，研究一个因变量与一个或多个自</div> <div>变量间多项式的回归分析方法，称为多项式回归。由于这里我们使用温度和电压值两个自变量，因此此时为多元多项式回归；这里我们</div> <div>选择的误差为均方误差 MSE，均方误差是预测数据和原始数据对应点误差的平方和的均值，可以反应拟合的温度-电压-浓度-曲线与真实温度-电压-浓度-曲线间的误差。这里考虑到嵌入式设备的计算能力有限，需要考虑计算精度与计算时间的平衡，经过实验表明，当多项式次数为 4 时，RMSE 最小，为 4.7762，在相同计算时间的情况下对曲线拟合效果最好，如图 9 为实验得到的标定温度点下，电压与浓度的关系曲线。</div> <div><img src="//image.lceda.cn/pullimage/bywQ8ODHlggyKgpce4HRSgqxCdkSZmSlKr1q2E7s.png" alt="bywQ8ODHlggyKgpce4HRSgqxCdkSZmSlKr1q2E7s.png"></div> <div>相关知识产权：</div> <div><img src="//image.lceda.cn/pullimage/iX2FB3ZT1JIpO4zTH3QAco2DwQVL8l5DRCHuoSPO.png" alt="iX2FB3ZT1JIpO4zTH3QAco2DwQVL8l5DRCHuoSPO.png"></div> </div> </div>

文档

原理图_#第七届立创电赛#养殖场多组分有害气体及温湿度监测系统设计与开发——RC低通滤波器

PCB_#第七届立创电赛#养殖场多组分有害气体及温湿度监测系统设计与开发——RC低通滤波器

原理图_#第七届立创电赛#养殖场多组分有害气体及温湿度监测系统设计与开发——传感器板

PCB_#第七届立创电赛#养殖场多组分有害气体及温湿度监测系统设计与开发——传感器板

原理图_#第七届立创电赛#养殖场多组分有害气体及温湿度监测系统设计与开发——主控拓展版

PCB_#第七届立创电赛#养殖场多组分有害气体及温湿度监测系统设计与开发——主控拓展版

原理图_#第七届立创电赛#养殖场多组分有害气体及温湿度监测系统设计与开发——电源板

PCB_#第七届立创电赛#养殖场多组分有害气体及温湿度监测系统设计与开发——电源板

BOM

ID	Name	Designator	Footprint	Quantity
1	22uF	C1	CAP-SMD_L3.5-W2.8-R-RD	1
2	DC_IN	DC_IN1	CONN-TH_P5.00_KF301-5.0-2P	1
3	DC_OUT	DC_OUT1	CONN-TH_P5.00_KF301-5.0-2P	1
4	1kΩ	R1	R0805	1
5	A2541HWV-3P	3P_BUZZER,3P_DTH11	HDR-TH_3P-P2.54-V-F-1	2
6	DC_IN_5V	5V	CONN-TH_P5.00_KF301-5.0-2P	1
7	4P_MQ137_NH3	H7	HDR-TH_4P-P2.54-V_A2541HWV-4P	1
8	4P_MQ7_CO	H8	HDR-TH_4P-P2.54-V_A2541HWV-4P	1
9	4P_MQ136_H2S	H9	HDR-TH_4P-P2.54-V_A2541HWV-4P	1
10	4P_MG812_CO2	H10	HDR-TH_4P-P2.54-V_A2541HWV-4P	1
11	M3	H11,H12,H13,H14	M3	4
12	1kΩ	R1_CO,R1_CO2,R1_H2S,R1_NH3,R2_CO,R2_CO2,R2_H2S,R2_NH3	R0805	8
13	10kΩ	R2,R4,R5,R7	R0603	4
14	SS-12D10L3	SW2	SW-TH_SS-12D10L3	1
15	KF301-5.0-3P	U3	CONN-TH_3P-P5.00_KF301-5.0-3P	1
16	KF301-5.0-2P	U4,U5	CONN-TH_P5.00_KF301-5.0-2P	2
17	LM358DRG4	U1,U2,U6,U7	SOIC-8_L5.0-W3.2-P1.27-LS8.3-BL	4
18	KF301-5.0-3P	ADC1	CONN-TH_3P-P5.00_KF301-5.0-3P	1
19	KF301-5.0-2P	ADC2,ADC3	CONN-TH_P5.00_KF301-5.0-2P	2
20	ESP8266_1	ESP8266_1	4P排针母座PCB	1
21	ESP8266_2	ESP8266_2	4P排针母座PCB	1
22	Header-Male-2.54_2x20	H2,H3	HDR-TH_40P-P2.54-V-M-R2-C20-S2.54	2
23	M3	H11,H12,H13,H14	M3	4
24	HEADER_1*4P	P1	HDR-TH_4P-P2.54-V-M-1	1
25	KH-A2541WV-4P	USART3	HDR-TH_4P-P2.54-V-M	1
26	18650 2节串联电池盒	BAT1	BAT-TH_18650-2	1
27	220uF	C1,C8	CAP-SMD_BD6.3-L6.6-W6.6-FD	2
28	100nF	C2,C4,C5,C7	C0805	4
29	470uF	C3,C6	CAP-SMD_BD8.0-L8.3-W8.3-FD	2
30	SS54	D1,D2	SMA_L4.3-W2.6-LS5.0-RD	2
31	DC_IN_6V~12V	DC1	DC-IN-TH_KH-DC-005-2.5	1
32	DC_IN_6V~12V	DC2	CONN-TH_P5.00_KF301-5.0-2P	1
33	DC_OUT_3.3V	DC3	CONN-TH_P5.00_KF301-5.0-2P	1
34	DC_OUT_5V	DC4	CONN-TH_P5.00_KF301-5.0-2P	1
35	PZ254V-12-8P	H1,H2	HDR-TH_8P-P2.54-V-M-R2-C4-S2.54	2
36	M3	H3,H4,H5,H6	M3	4
37	33uH	L1,L2	IND-SMD_L12.0-W12.0	2
38	FC-2012HRK-620D	LED1,LED2	LED0805-RD_RED	2
39	1kΩ	R1,R2	R0805	2
40	SS-12D10L3	SW1	SW-TH_SS-12D10L3	1
41	LM2596S-3.3	U1	TO-263-5_L10.0-W8.4-P1.70-LS15.3-BR	1
42	LM2596S-5.0/TR	U2	TO-263-5_L10.2-W8.6-P1.70-LS14.4-TL	1