CN105737905B - 一种畜禽舍空气环境质量检测系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种畜禽舍空气环境质量检测系统及其使用方法，它包括第一通气腔、气泵、第二通气腔、第三通气腔；第一通气腔的进气口连接外部待测气体，第一通气腔的出气口通过管路依次串联连接气泵、第二通气腔和第三通气腔的进气口，第三通气腔的出气口连接外部环境；第一通气腔内固定设置温湿度传感器和粉尘传感器，第二通气腔内固定设置氨气传感器，第三通气腔内固定设置二氧化碳传感器，温湿度传感器、粉尘传感器、氨气传感器和二氧化碳传感器分别将采集的温湿度数据、粉尘浓度数据、二氧化碳浓度数据和氨气浓度数据发送到控制系统，控制系统接收所有数据进行处理分析。本发明能够同时、实时检测温度、湿度、粉尘浓度、二氧化碳浓度和氨气浓度。

Description

一种畜禽舍空气环境质量检测系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及设施农业环境检测与控制领域，特别是涉及一种畜禽舍空气环境质量检测系统及其使用方法。

背景技术

畜禽舍内空气环境质量调控方案需要在对舍内空气质量环境进行系统的检测与评估的基础上才能完成，其中，涉及到的检测与评估指标主要包括温度、湿度、粉尘浓度、二氧化碳浓度和氨气浓度，针对这些检测与评估指标，现在传感器研发领域虽然已经存在较多的检测设备与方法，但是在实际使用中却存在以下三方面的突出问题，具体为：一、长期连续检测过程中的系统累积误差问题严重。对畜禽舍内空气质量进行检测时，会受到舍内恶劣环境的影响，且氨气浓度检测受到的影响最大。氨气电化学传感器中的材料会因持续与高浓度氨气反应达到反应上限临界值而失准，进而使得在畜禽舍内环境中氨气浓度出现变化时，氨气电化学传感器的材料不能再次与氨气反应得出相对应的检测结果。这种误差或失准会在长时间连续检测中不断累积，进而不断降低传感器的检测精度与可靠度，同时也会最终导致传感器提前达到使用寿命。

二、多指标测量仪器价格昂贵，携带难度大，环境适应性差。尽管部分检测仪器可以克服电化学传感器导致的累积误差与失准问题，并且允许同时测量多项指标，如气体超声或光波分析仪，但是这类仪器在价格上往往过于昂贵，且设备体积大，重量大，不宜移动搬运，不适宜在畜禽场、舍内的恶劣环境下使用，仅能满足实验室采样分析的需求。

三、无法满足多点测量，且测量数据同步与处理难度大。为准确掌握畜禽场区、舍内或运动场上的空气质量环境，往往需要进行多点检测。由于现有检测设备存在的价格及其他的弊端，现有技术中的检测过程一般是采用一台固定检测设备配合多点气体采样的直接测试或者间接测试方法；直接测试时需要配合使用管道多路器，间接测试是先使用气体采样袋取样后进行实验室测定。这两种方法中，直接测试由于使用管道多路器切换线路，因此很容易导致气体检测存在时差性；间接检测需要大量的后期实验室测定与人工投入，容易产生人为误差。

四、远程与离线采集较难满足，多数检测仍由人工进行。除了温度和湿度项最为普遍的检测与评估指标外，粉尘浓度、二氧化碳浓度和氨气浓度还未能在畜禽生产领域使用远程与离线采集设备，通常是采用以人工配合手持式气体检测仪进行多点与间断检测方式，该方式导致的人为误差以及恶劣环境对参与者身心健康的影响都是不容忽视的问题。另外，不同场区之间的检测结果无法互相作为参考，无法进行对比与分析，进而对解决区域性环境与空气污染问题难以获得实际的研究价值。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种畜禽舍空气环境质量检测系统及其使用方法，能够同时、实时检测温度、湿度、粉尘浓度、二氧化碳浓度和氨气浓度。

为实现上述技术目的，本发明采取以下技术方案：一种畜禽舍空气环境质量检测系统，它包括一第一通气腔、一气泵、一第二通气腔、一第三通气腔、一温湿度传感器、一粉尘传感器、一氨气传感器、一二氧化碳传感器和一控制系统，其中，所述温湿度传感器、粉尘传感器、氨气传感器、二氧化碳传感器分别电连接所述控制系统；所述第一通气腔的进气口连接外部待测气体，所述第一通气腔的出气口通过管路依次串联连接所述气泵、第二通气腔和第三通气腔的进气口，所述第三通气腔的出气口连接外部环境；所述第一通气腔内固定设置所述温湿度传感器和粉尘传感器，所述第二通气腔内固定设置所述氨气传感器，所述第三通气腔内固定设置所述二氧化碳传感器，所述温湿度传感器、粉尘传感器、氨气传感器和二氧化碳传感器分别将采集的温湿度数据、粉尘浓度数据、二氧化碳浓度数据和氨气浓度数据发送到所述控制系统，所述控制系统接收所有数据进行处理和分析。

所述第一通气腔和气泵之间设置一具有三个通气孔的管路切换装置，所述管路切换装置电连接所述控制系统，所述控制系统控制所述管路切换装置在检测气体工作状态和洗气工作状态之间进行切换；所述管路切换装置的第一通气孔连接所述第一通气腔，所述管路切换装置的第二通气孔连接所述气泵，所述管路切换装置的第三通气孔连接一洗气管的出气口，所述洗气管的进气口连接外部空气，所述管路切换装置处于检测气体工作状态时，所述第一通气孔和第二通气孔打开，所述第三通气孔关闭，所述管路切换装置处于洗气工作状态时，所述第一通气孔关闭，所述第二通气孔和第三通气孔打开。

所述第一通气腔的出气口通过一粉尘过滤装置与所述管路切换装置的第一通气孔连接。

所述第二通气腔和第三通气腔之间串联连接一浮子流量计。

所述空气环境质量检测系统设置在一箱体内，所述箱体上设置有待检测气体进气口、排气口、洗气口和用于观察所述显示屏和浮子流量计的透明窗口。

所述控制系统包括一时钟模块、一单片机和两固态继电器，其中，两所述固态继电器分别电连接所述气泵和管路切换装置；所述时钟模块用于设置检测气体工作状态持续时间、洗气工作状态持续时间和睡眠状态持续时间，所述单片机接收所有数据并根据所述时钟模块设置的各个工作状态持续时间通过相应所述固态继电器控制所述气泵和管路切换装置的工作状态。

所述控制系统还包括一显示屏、一数据存储模块和一无线数据传输模块；所述单片机将接收的所有数据通过所述显示屏显示，通过所述数据存储模块存储，通过所述无线数据传输模块发送到一数据采集站。

所述数据采集站接收所有数据后通过一GPRS无线数据传输系统发送到云端服务器。

一种畜禽舍空气环境质量检测系统的使用方法，包括依次进行的以下步骤：1)控制系统控制气泵开启，并使得管路切换装置的第一通气孔和第二通气孔打开，第三通气孔关闭，进入检测气体工作状态；待检测气体进入第一通气腔内，温湿度传感器和粉尘传感器对进入第一通气腔内的待检测气体分别进行温湿度浓度检测和粉尘浓度检测，并将数据实时发送至控制系统，从第一通气腔内流出的待检测气体依次通过管路切换装置、气泵进入第二通气腔内，氨气传感器对进入第二通气腔内的待检测气体进行氨气浓度检测，并将数据实时发送至控制系统，从第二通气腔流出的待检测气体进入第三通气腔内，二氧化碳传感器对进入第三通气腔内的待检测气体进行二氧化碳浓度检测，并将数据实时发送至控制系统，控制系统对所有数据进行处理和显示，从第三通气腔内流出的气体排到外部环境；2)控制系统使得管路切换装置的第一通气孔关闭，第二通气孔和第三通气孔打开，进入洗气工作状态；空气经洗气管、气泵进入第二通气腔，进入第二通气腔的空气对氨气传感器进行清洗，从第二通气腔流出空气进入第三通气腔内，进入第三通气腔的空气对二氧化碳传感器进行清洗，从第三通气腔流出的空气排到外部环境；3)控制系统控制气泵和管路切换装置停止工作，进入睡眠状态。

在控制系统的控制下以60分钟为循环周期，依次循环检测气体工作状态、洗气工作状态和睡眠状态，且检测气体工作状态持续时间为5分钟、洗气工作状态持续时间为15分钟、睡眠状态持续时间为40分钟。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置温湿度传感器、粉尘传感器、氨气传感器、二氧化碳传感器和控制系统，因此能够同时、实时检测温度、湿度、粉尘浓度、二氧化碳浓度和氨气浓度。2、本发明由于设置管路切换装置和洗气管，因此能够有效避免长期连续检测过程中累积误差问题。3、本发明由于设置显示屏、数据存储模块和无线数据传输模块，因此能够解决地域局限性，提高畜禽舍空气环境质量检测的工作效率。4、本发明由于设置粉尘过滤装置，因此能够有效保护氨气传感器和二氧化碳传感器。5、本发明由于设置浮子流量计，因此能够控制并掌握畜禽舍空气检测流速。6、本发明由于设置固态继电器，因此能够提高系统的稳定性，并解决设备长时间工作累积产热问题。7、本发明由于设置箱体，因此能够达到便于携带及使用的目的。本发明设计结构简单，成本低，操作简单，能够广泛应用于农业畜禽养殖领域的环境监测过程中。

附图说明

图1是本发明畜禽舍空气环境质量检测系统的主视结构示意图；

图2是本发明畜禽舍空气环境质量检测系统的内部结构示意图；

图3是本发明畜禽舍空气环境质量检测系统的电路连接示意图；

图4是本发明畜禽舍空气环境质量检测系统的使用状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1～3所示，本发明的畜禽舍空气环境质量检测系统包括一第一通气腔1、一气泵2、一第二通气腔3、一第三通气腔4、一温湿度传感器5、一粉尘传感器6、一氨气传感器7、一二氧化碳传感器8和一控制系统9，其中，温湿度传感器5、粉尘传感器6、氨气传感器7、二氧化碳传感器8分别电连接控制系统9；

第一通气腔1的进气口连接外部待测气体，第一通气腔1的出气口通过管路依次串联连接、气泵2、第二通气腔3和第三通气腔4的进气口，第三通气腔4出气口连接外部环境；第一通气腔1内固定设置温湿度传感器5和粉尘传感器6，第二通气腔3内固定设置氨气传感器7，第三通气腔4内固定设置二氧化碳传感器8，温湿度传感器5、粉尘传感器6、氨气传感器7和二氧化碳传感器8分别将采集的温湿度数据、粉尘浓度数据、二氧化碳浓度数据和氨气浓度数据发送到控制系统9，控制系统9接收所有数据处理和分析后供用户实时查看。

在一个优选的实施例中，为了能够有效避免长期连续检测过程中累积误差问题，第一通气腔1和气泵2之间设置一具有三个相互连通的通气孔的管路切换装置11，本实施例中，管路切换装置11采用三通电磁阀，但是不限于此，实际使用时可以根据需要进行确定，管路切换装置11电连接控制系统9，控制系统9控制管路切换装置11在检测气体工作状态和洗气工作状态之间进行切换；管路切换装置11的第一通气孔111连接第一通气腔1，管路切换装置11的第二通气孔112连接气泵2，管路切换装置11的第三通气孔113连接一洗气管12的出气口，洗气管12的进气口连接外部空气，管路切换装置11处于检测气体工作状态时，第一通气孔111和第二通气孔112打开，第三通气孔113关闭，管路切换装置处于洗气工作状态时，第一通气孔111关闭，第二通气孔112和第三通气孔113打开。

在一个优选的实施例中，为了能够提高系统的稳定性，且能够实现不同工作状态持续时间的控制，以解决气泵2和管路切换装置11长时间工作累积产热问题，控制系统9包括一时钟模块91、一单片机92和两固态继电器93，其中，两固态继电器93分别电连接气泵2和管路切换装置11；时钟模块91用于设置检测气体工作状态持续时间、洗气工作状态持续时间和睡眠状态持续时间(气泵2和管路切换装置11停止工作定义为睡眠状态)；单片机92接收所有数据并根据时钟模块91设置的各工作状态持续时间通过相应固态继电器93控制气泵2和管路切换装置11的工作状态；为了能够提高对畜禽舍空气环境质量检测的工作效率，解决地域局限性，控制系统9还包括一显示屏94、一数据存储模块95和一无线数据传输模块96；单片机92将其接收的所有数据通过显示屏94进行显示，并通过数据存储模块95进行存储，并通过无线数据传输模块96发送到一数据采集站97，数据采集站97接收所有数据后通过一GPRS无线数据传输系统发送到云端服务器98，以供用户进行网络下载；为了降低成本，提高经济效益，时钟模块91采用RCT时钟模块、单片机92采用Arduino Mega 2560单片机、显示屏94采用4X20LCD显示屏、数据存储模块95采用SD数据存储模块、无线数据传输模块96采用XBEE无线传输模块。

在一个优选的实施例中，为了能够有效保护氨气传感器7和二氧化碳传感器8，第一通气腔1的出气口通过一粉尘过滤装置13与管路切换装置11的第一通气孔111连接。

在一个优选的实施例中，为了能够控制并掌握畜禽舍空气检测流速，第二通气腔3和第三通气腔4之间串联连接一浮子流量计31。

在一个优选的实施例中，为了能够达到便于携带及使用的目的，本发明的畜禽舍空气环境质量检测系统设置在一箱体99内，箱体99上设置有待检测气体进气口991、排气口992、洗气口993和用于观察显示屏94和浮子流量计31的透明窗口995。

本发明的畜禽舍空气环境质量检测系统的使用方法，包括依次进行的以下步骤：

如图4所示，1、控制系统9控制气泵2开启，并使得第一通气孔111和第二通气孔112打开，第三通气孔113关闭，进入检测气体工作状态，且为了保证温湿度传感器5、粉尘传感器6、氨气传感器7和二氧化碳传感器8能够获得有效数据所需时间，检测气体工作状态持续5分钟；

气泵2运行产生空气流动(每分钟的空气流速为2升)，使得畜禽舍内采样点的待检测气体进入第一通气腔1内，温湿度传感器5和粉尘传感器6对进入第一通气腔内的待检测气体分别进行温湿度和粉尘浓度检测，并将数据实时发送至单片机92，从第一通气腔内1流出的待检测气体经粉尘过滤装置13过滤后依次通过管路切换装置11、气泵2进入第二通气腔3内，氨气传感器7对进入第二通气腔3内的待检测气体进行氨气浓度检测，并将数据实时发送至单片机92，从第二通气腔3流出的待检测气体经浮子流量计31调整每分钟的气体流速到0.5～1升范围内后进入第三通气腔4内，二氧化碳传感器8对进入第三通气腔4内的待检测气体进行二氧化碳浓度检测，并将数据实时发送至单片机92，单片机92将其接收的所有数据通过显示屏94进行显示，并通过数据存储模块95进行存储，并通过无线数据传输模块96发送到数据采集站97，数据采集站97接收所有数据并处理后通过GPRS无线数据传输系统发送到云端服务器98，从第三通气腔4内流出的气体排出至外部环境；

2、单片机92使得第一通气孔111关闭，第二通气孔112和第三通气孔113打开，进入洗气工作状态，且为了能够满足将管路内残留的畜禽舍内气体全部置换为畜禽舍外空气所需时间以及保证将氨气传感器7和二氧化碳传感器8清洗干净所需时间，洗气工作状态持续15分钟；

将洗气管12的一端置于畜禽舍外，在气泵2的作用下，畜禽舍外空气经洗气管12、管路切换装置11、气泵2进入第二通气腔3，进入第二通气腔3的空气对氨气传感器7进行清洗，使得有效避免长期连续检测过程中累积误差问题，与此同时，氨气传感器7对进入第二通气腔3内的空气进行氨气浓度记录，并将记录数据实时发送给单片机92，单片机92接收记录数据用于与相应氨气浓度数据进行对比，对比结果数据为畜禽舍内空气环境质量调控方案提供更加充足的环境信息；从第二通气腔3流出的空气经浮子流量计31调整每分钟的气体流速0.5～1升范围内后进入第三通气腔4内，进入第三通气腔4的空气对二氧化碳传感器8进行清洗，使得有效避免长期连续检测过程中累积误差问题，与此同时，二氧化碳传感器8对进入第三通气腔4内的空气进行二氧化碳浓度记录，并将记录数据实时发送给单片机92，单片机92接收记录数据用于与相应二氧化碳浓度数据进行对比，对比结果数据为畜禽舍内空气环境质量调控方案提供更加充足的环境信息，从第三通气腔4流出的气体排出至外部环境；

3、单片机92控制气泵2和管路切换装置11停止工作，进入睡眠状态，为了能够满足气泵2和管路切换装置11产生的热量冷却所需要的时间，睡眠状态持续40分钟。

上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种畜禽舍空气环境质量检测系统，其特征在于：它包括一第一通气腔、一气泵、一第二通气腔、一第三通气腔、一温湿度传感器、一粉尘传感器、一氨气传感器、一二氧化碳传感器和一控制系统，所述第一通气腔和气泵之间设置一管路切换装置，其中，所述温湿度传感器、粉尘传感器、氨气传感器、二氧化碳传感器和管路切换装置分别电连接所述控制系统；

所述第一通气腔的进气口连接外部待测气体，所述第一通气腔的出气口通过管路依次串联连接所述气泵、第二通气腔和第三通气腔的进气口，所述第三通气腔的出气口连接外部环境；所述第一通气腔内固定设置所述温湿度传感器和粉尘传感器，所述第二通气腔内固定设置所述氨气传感器，所述第三通气腔内固定设置所述二氧化碳传感器，所述温湿度传感器、粉尘传感器、氨气传感器和二氧化碳传感器分别将采集的温湿度数据、粉尘浓度数据、二氧化碳浓度数据和氨气浓度数据发送到所述控制系统，所述控制系统接收所有数据进行处理和分析；

所述控制系统包括一时钟模块、一单片机和两固态继电器，其中，两所述固态继电器分别电连接所述气泵和管路切换装置；所述时钟模块用于设置检测气体工作状态持续时间、洗气工作状态持续时间和睡眠状态持续时间，所述单片机接收所有数据并根据所述时钟模块设置的各个工作状态持续时间通过相应所述固态继电器控制所述气泵和管路切换装置的工作状态；

所述控制系统还包括一显示屏、一数据存储模块和一无线数据传输模块；所述单片机将接收的所有数据通过所述显示屏显示，通过所述数据存储模块存储，通过所述无线数据传输模块发送到一数据采集站；

所述数据采集站接收所有数据后通过一GPRS无线数据传输系统发送到云端服务器。

2.如权利要求1所述一种畜禽舍空气环境质量检测系统，其特征在于所述管路切换装置具有三个通气孔，所述管路切换装置电连接所述控制系统，所述控制系统控制所述管路切换装置在检测气体工作状态和洗气工作状态之间进行切换；所述管路切换装置的第一通气孔连接所述第一通气腔，所述管路切换装置的第二通气孔连接所述气泵，所述管路切换装置的第三通气孔连接一洗气管的出气口，所述洗气管的进气口连接外部空气，所述管路切换装置处于检测气体工作状态时，所述第一通气孔和第二通气孔打开，所述第三通气孔关闭，所述管路切换装置处于洗气工作状态时，所述第一通气孔关闭，所述第二通气孔和第三通气孔打开。

3.如权利要求2所述一种畜禽舍空气环境质量检测系统，其特征在于：所述第一通气腔的出气口通过一粉尘过滤装置与所述管路切换装置的第一通气孔连接。

4.如权利要求2所述一种畜禽舍空气环境质量检测系统，其特征在于：所述第二通气腔和第三通气腔之间串联连接一浮子流量计。

5.如权利要求2所述一种畜禽舍空气环境质量检测系统，其特征在于：所述空气环境质量检测系统设置在一箱体内，所述箱体上设置有待检测气体进气口、排气口、洗气口和用于观察所述显示屏和浮子流量计的透明窗口。

6.一种采用如权利要求2～5任意一项所述畜禽舍空气环境质量检测系统的检测方法，其特征在于，包括依次进行的以下步骤：

1)控制系统控制气泵开启，并使得管路切换装置的第一通气孔和第二通气孔打开，第三通气孔关闭，进入检测气体工作状态；

待检测气体进入第一通气腔内，温湿度传感器和粉尘传感器对进入第一通气腔内的待检测气体分别进行温湿度检测和粉尘浓度检测，并将数据实时发送至控制系统，从第一通气腔内流出的待检测气体依次通过管路切换装置、气泵进入第二通气腔内，氨气传感器对进入第二通气腔内的待检测气体进行氨气浓度检测，并将数据实时发送至控制系统，从第二通气腔流出的待检测气体进入第三通气腔内，二氧化碳传感器对进入第三通气腔内的待检测气体进行二氧化碳浓度检测，并将数据实时发送至控制系统，控制系统对所有数据进行处理和显示，从第三通气腔内流出的气体排到外部环境；

2)控制系统使得管路切换装置的第一通气孔关闭，第二通气孔和第三通气孔打开，进入洗气工作状态；空气经洗气管、气泵进入第二通气腔，进入第二通气腔的空气对氨气传感器进行清洗，从第二通气腔流出空气进入第三通气腔内，进入第三通气腔的空气对二氧化碳传感器进行清洗，从第三通气腔流出的空气排到外部环境；

3)控制系统控制气泵和管路切换装置停止工作，进入睡眠状态。

7.如权利要求6所述的检测方法，其特征在于：在控制系统的控制下以60分钟为循环周期，依次循环检测气体工作状态、洗气工作状态和睡眠状态，且检测气体工作状态持续时间为5分钟、洗气工作状态持续时间为15分钟、睡眠状态持续时间为40分钟。