CN103076374A - 一种猪舍外围恶臭浓度分布的监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种猪舍外围恶臭浓度分布的监测装置，包括电路连接的：采集猪舍外围监测点信息的传感器组；采集所述监测点的定位信息和授时信息的GPS模块；处理来自传感器组及GPS模块信息的中央处理单元；实时显示来自中央处理单元的传感器组及GPS模块信息的液晶显示模块；存储来自中央处理单元的传感器组及GPS模块信息的SD卡。本发明还公开了利用上述监测装置来监测猪舍外围恶臭浓度分布的方法，结合现有的传感技术和GPS定位技术，提供了一种实现猪舍外围恶臭浓度分布实时监测的解决方案，还可以画出猪舍外围恶臭浓度的分布图，多个装置之间还可以通过GPS模块进行同步测量，实现在同一时间对猪舍外围恶臭浓度的多点监测。
Description
技术领域
本发明涉及畜禽养殖环境监测评估领域，尤其涉及一种猪舍外围恶臭浓度分布监测装置及方法。
背景技术
自进入20世纪90年代，全国各地规划建设“菜篮子工程”以来畜禽养殖业经过多年的快速发展，已成为一个独立的行业，取得了令人瞩目的成就，但同时也带来了不容忽视的环境污染问题。其中养殖场所排放的恶臭气体会严重污染附近空气，影响周边居民生活。猪舍外围恶臭浓度监测对于控制养殖场所空气污染，改善生猪养殖环境，实现生态养殖具有重要意义。
规模化畜禽养殖场恶臭来源于动物呼吸、动物皮肤、饲料霉变、病死禽畜、动物粪尿、焚烧炉和废水处理设施以及畜禽粪便处理场，其中动物粪尿、废水处理设施和畜禽粪便处理场中有机物质的腐败分解是畜禽养殖场恶臭的主要来源。恶臭成分复杂、主要包括挥发性脂肪酸、醇类、酚类、酸类、醛类、酮类、胺类、硫醇类，以及含氮杂环化合物等9类有机化合物和氨气、硫化氢2种无机物。因此，畜禽养殖场产生的恶臭是9类有机化合物和氨气、硫化氢2种无机物的综合组分，空气中恶臭物质的含量很难测定，一般采用仪器法和嗅觉法相结合来判断，通常以臭气浓度来表征恶臭物质的综合指标。
由于氨气、硫化氢和臭气浓度无组织排放源预测模式计算复杂，可操作性差，因而，其环境影响预测一般采用类比方法。采用类比方法对氨气、硫化氢和臭气浓度无组织排放源进行环境影响预测具有较强的实用性和推广价值。
目前有猪舍氨气排放的机理模型和经验模型，主要针对氨气从粪便到空气中的对流进行研究，大多数建立的模型都以下面公式为基础：qAr＝hm(CAg.0-CAg.∞)式中qAr为氨气的散发速率；CAg.0为粪便表面气相中氨气的浓度；CAg.∞为大气中氨气的浓度；hm为物质转移系数。科研人员通过大量的试验，建立了不同的物质转移系数表达式，虽然不同试验得到的氨气散发物质转移系数表达式形式不同，且变化很大，需要进一步的试验加以确定，但是可以证明物质转移系数是受温度和风速共同影响的。
当前猪舍外围的恶臭浓度的监测和评估的标准方法是通过定点采样然后进行感官测定，这是一种根据嗅检人员的嗅觉来判定气味强弱的方法。感官评测的方法在操作上存在采样和检测两个环节，同时还需要测量和记录采样点的位置信息，而且检测的过程也容易受到人为因素的影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种监测猪舍外围恶臭浓度的方法，该方法能够实时监测猪舍外围恶臭浓度分布，监测过程不受人为因素影响。
一种猪舍外围恶臭浓度分布的监测装置，包括电路连接的：
采集猪舍外围监测点信息的传感器组；
采集所述监测点的定位信息和授时信息的GPS模块；
处理来自传感器组及GPS模块信息的中央处理单元；
实时显示来自中央处理单元的传感器组及GPS模块信息的液晶显示模块；
存储来自中央处理单元的传感器组及GPS模块信息的SD卡。
所述传感器组包括NH3传感器、H2S传感器、温度传感器和风速传感器。其中，NH3传感器和H2S传感器实时采集NH3浓度和H2S浓度信息，根据所采集到的温度数据和风速数据，通过模型可以得到所测点的恶臭表征值。
所述中央处理单元包括SoC单片机及与所述SoC单片机电路连接的键盘。SoC单片机具有处理功能强、速度快、可靠性高、低电压和低功耗的优点，安装有键盘可以辅助中央处理单元进行必要的数据处理。
该监测装置中的各部分之间通过电路连接，作为一种优选的连接方式，所述的NH3传感器、H2S传感器均与中央处理单元的A/D转换接口相连，温度传感器采用单总线的方式与中央处理单元相连，风速传感器与中央处理单元外部中断接口相连；所述GPS模块通过串行口与中央处理单元相连，SD卡通过SPI总线与中央处理单元相连，液晶显示模块和键盘均与中央处理单元的通用I/O口连接。
本发明还提供了利用上述的监测装置来监测猪舍外围恶臭浓度分布的方法，包括如下步骤：
(1)选取欲测量的监测点；
(2)接通电源，将所述监测装置中各个模块进行初始化；
(3)所述传感器组采集监测点处的环境信息，GPS模块接收监测点的定位信息和授时信息；
(4)液晶显示模块显示采集到的数据，中央处理单元同时将数据信息保存到内部的可编程FLASH存储器和SD卡中。
首先在猪舍外围规划选取若干代表性的监测点，在各监测点使用该监测装置采集数据；监测装置通电之后，先进行各个模块的初始化操作，等待各传感器读数稳定，GPS模块接收到的卫星信号超过7个之后开始测量数据；传感器组采集氨气浓度、硫化氢浓度、温度和风向数据，GPS模块接收定位信息和授时信息，具体有经度、纬度、海拔高度和格林尼治时间；一次采集完成之后，SoC单片机将数据保存到内部的可编程FLASH存储器中和SD卡中，同时显示模块显示采集到的数据。
如果需要对采集的数据进行更直观的分析，还可以针对测得的数据进行作图，所述步骤(4)完成后，中央处理单元从内部的可编程FLASH存储器中读出数据信息，通过软件绘制简易的猪舍外围恶臭浓度分布等值图。
除此而外，所述步骤(4)完成后，将SD卡中的数据信息转移到计算机上，通过GIS平台绘制精细的猪舍外围恶臭浓度分布图。
本发明装置在监测NH3浓度和H2S浓度的同时，还采集监测点的温度和风速数据，然后通过模型计算得到相应的恶臭浓度表征值。结合GPS信息可以画出猪舍外围恶臭浓度的分布图，多个装置之间还可以通过GPS模块进行同步测量，实现在同一时间对猪舍外围恶臭浓度的多点监测。
附图说明
图1为本发明猪舍外围恶臭浓度分布监测装置的模块连接图；
图2为本发明猪舍外围恶臭浓度分布监测装置中的GPS模块及其与中央处理单元的连接图；
图3为本发明猪舍外围恶臭浓度分布监测装置中的中央处理单元的结构示意图；
图4为本发明猪舍外围恶臭浓度分布监测装置中的液晶模块接口图；
图5为利用本发明监测装置监测猪舍外围恶臭浓度分布的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述：
图1为本发明猪舍外围恶臭浓度分布监测装置的结构图，包括由H2S传感器、NH3传感器、温度传感器和风速传感器组成的传感器组1，SoC单片机中央处理单元2以及与其相连的GPS接收模块3、SD卡5、液晶显示模块4和键盘6。
如图2所示，中央处理单元采用C8051F410单片机，该单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的微控制器内核，与51指令完全兼容。除了具有标准8052的数字外设之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。传感器组1中的NH3传感器和和H2S分别采用电化学传感器ME3-NH3和ME3-H2S，其输出均为模拟信号输出，NH3传感器、H2S传感器均与单片机2的A/D接口相连，两路模拟信号经过处理之后分别接入单片机的P1.0和P1.1，温度传感器使用DS18B20，采用单总线的方式和单片机2的P1.3口相连，风速传感器采用一个机械式的小风扇，通过计算风扇转动频率的方式测量风速，其信号接入到单片机2的外部中断接口P0.6。单片机2通过SPI总线读写SD卡中的数据，通过对单片机交叉开关的配置，设置P0.0为SCK，P0.1为MISO，P0.2为MOSI，P0.3为NSS。
如图3所示，GPS模块3采用ublox公司的LEA-5接收模块，通过标准的RS-232串行口和单片机2进行数据传输，采用三线连接，其中TXD和RXD为串行通讯信号线，GND为地线，通讯波特率可以使用9600BPS。单片机2通过GPS模块获取定位数据，并将其经纬度坐标转换为WGS-84平面直角坐标。
如图4所示，液晶显示模块选用CM320240-3BCWB图形点阵LCD液晶显示模块。LCD液晶显示模块显示的控制信号线和数据线与单片机的通用I/O引脚相连，设计具体连接关系为：P2.4～P2.7接D0～D3，P2.3接液晶模块P5，P2.2接P6，P2.1接P7，P2.0接P8，P0.7接P9。单片机2控制液晶显示模块4的显示。键盘6和单片机的通用I/O端口连接，设计4个按键，分别和单片机2的P1.4～P1.7连接，单片机2检测按键的状态并响应。
图5示出了利用本发明装置监测猪舍外围恶臭浓度分布的流程，首先在猪舍外围规划选取若干代表性的监测点，在各监测点使用该监测装置采集数据；监测装置通电之后，先进行各个模块的初始化操作，等待各传感器读数稳定，GPS模块接收到的卫星信号超过7个之后开始测量数据；传感器组采集氨气浓度、硫化氢浓度、温度和风向数据，GPS模块接收定位信息和授时信息，具体有经度、纬度、海拔高度和格林尼治时间；一次采集完成之后，SoC单片机将数据保存到内部的可编程FLASH存储器中和SD卡中，同时显示模块显示采集到的数据。
绘制猪舍外围恶臭浓度分布图：使用该设备在猪舍周围采样多个监测点的数据之后，通过嵌入式的GIS软件，对未采样的点采用距离反比法进行插值，绘制猪舍外围恶臭浓度分布等值图。同时该装置还可以显示猪舍外围NH3、H2S两种气体的浓度分布图。除此之外，数据还可以通过SD卡转储到计算机中，通过功能更为强大的GIS平台，可以处理更多的数据，绘制更精细的猪舍外围恶臭浓度分布图。
Claims (7)
1.一种猪舍外围恶臭浓度分布的监测装置，其特征在于，包括电路连接的：
采集猪舍外围监测点信息的传感器组；
采集所述监测点的定位信息和授时信息的GPS模块；
处理来自传感器组及GPS模块信息的中央处理单元；
实时显示来自中央处理单元的传感器组及GPS模块信息的液晶显示模块；
存储来自中央处理单元的传感器组及GPS模块信息的SD卡。
2.根据权利要求1所述的猪舍外围恶臭浓度分布的监测装置，其特征在于，所述传感器组包括NH3传感器、H2S传感器、温度传感器和风速传感器。
3.根据权利要求1所述的猪舍外围恶臭浓度分布的监测装置，其特征在于，所述中央处理单元包括SoC单片机及与所述SoC单片机电路连接的键盘。
4.根据权利要求2所述的猪舍外围恶臭浓度分布的监测装置，其特征在于，所述的NH3传感器、H2S传感器均与中央处理单元的A/D转换接口相连，温度传感器采用单总线的方式与中央处理单元相连，风速传感器与中央处理单元外部中断接口相连；所述GPS模块通过串行口与中央处理单元相连，SD卡通过SPI总线与中央处理单元相连，液晶显示模块和键盘均与中央处理单元的通用I/O口连接。
5.利用权利要求1～4任一项所述的监测装置来监测猪舍外围恶臭浓度分布的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选取欲测量的监测点；
(2)接通电源，将所述监测装置中各个模块进行初始化；
(3)所述传感器组采集监测点处的环境信息，GPS模块接收监测点的定位信息和授时信息；
(4)中央处理单元将步骤(3)采集的环境信息、定位信息和授时信息保存到内部的可编程FLASH存储器中和SD卡中，同时液晶显示模块显示采集到的数据。
6.根据权利要求5所述的监测猪舍外围恶臭浓度分布的方法，其特征在于，所述步骤(4)完成后，中央处理单元从内部的可编程FLASH存储器中读出数据信息，通过软件绘制猪舍外围恶臭浓度分布等值图。
7.根据权利要求5所述的监测猪舍外围恶臭浓度分布的方法，其特征在于，所述步骤(4)完成后，将SD卡中的数据信息转移到计算机上，通过GIS平台绘制猪舍外围恶臭浓度分布图。
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