一种畜禽养殖恶臭气体检测系统与方法

本发明涉及气体检测，具体涉及一种畜禽养殖恶臭气体检测系统与方法。

背景技术：

1、随着畜禽养殖行业的飞速转型发展，肉类食品已成为人们菜单上不可或缺的一部分。然而，由于质量、环境和安全保障无法得到有效解决，肉类食品的质量安全问题屡屡引起关注，其主要原因是因为养殖场密闭性强，养殖密度大等特点，养殖场在生产出大量畜禽产品的同时也排放出大量废臭气体主要来自于畜禽排泄物与污水，其次是垫料、饲料残渣、死禽死畜、皮肤分泌等等。这类废臭气体不但会造成环境污染，而且严重影响养殖人员与畜禽的生理健康，引发多种疾病问题，进而引起农产品产量及品质。

2、我国在废臭气体监测方面已经取得了一定的进展，主要表现在废气处理技术与仪器的研发上。例如，吸附-催化氧化法、膜分离和电化学氧化等废气处理技术得到广泛应用。同时，我国相关机构还在研发无人机搭载便携式气体检测设备的技术，实现对污染源进行快速监测。

3、但是气体传感器普遍存在交叉敏感性问题，无法对目标气体进行特异性检测，由于环境及硬件问题，传感器本身的灵敏度波动与测量误差较大，无法利用单一的数据源进行分析并进行决策。同时，成本较高，对于传统养殖户来说无法进行普及。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种畜禽养殖恶臭气体检测系统与方法，本发明所解决的技术问题为：气体传感器普遍存在交叉敏感性问题，无法对目标气体进行特异性检测，由于环境及硬件问题，传感器本身的灵敏度波动与测量误差较大，无法利用单一的数据源进行分析并进行决策。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种畜禽养殖恶臭气体检测系统，包括：

4、主控制电路板，用于为电路系统中各个部分提供不同电压供电的电源模块，用于连接各个硬件模块接口以及开关按钮的面板接口；

5、传感器模块，用于实时检测三种目标气体的浓度含量，其模拟量、电压信息由单片机接收并发送至计算机；

6、通信模块，用于将数据通过http协议发送至云平台的wi f i模块；用于将数据上传至上位机的蓝牙从机模块；

7、人机交互模块，用于实时显示传感器电压、气体浓度信息、温湿度信息；用于控制系统进行浓度阈值设定的按钮；

8、计算机软件算法，用于可视化传感器数据，数据预处理，lstm神经网络模型的搭建，目标气体浓度的预测。

9、作为本发明进一步的方案：通过人机交互区的三个按钮，实现对目标气体浓度阈值的选择与修改功能，对气体实时浓度与设置的阈值参数进行比较，结合蜂鸣器模块进而实现报警功能。

10、作为本发明进一步的方案：在人机交互模块中，采用lab i ew图形化编程环境搭建系统的上位机部分，使用vi sa驱动实现与下位机之间的串口通信功能，进行数据传输；

11、在上位机端设定采集时间间隔；

12、将数据绘制成图像，进行可视化显示，能够实时观测到目标气体的浓度信息变化与当前环境的温湿度信息。

13、作为本发明进一步的方案：对实验室自测数据集进行筛选，删除未达到稳态的部分数据信息，将所有数据集进行汇总，并使用基于卡尔曼滤波器的状态估计器，对数据进行平滑处理，删除噪点减小噪声误差；将处理好的数据放入lstm神经网络进行训练，预测目标气体浓度。

14、作为本发明进一步的方案：使用lstm神经网络模型进行数据预测，模型基于keras库构建神经网络模型。

15、作为本发明进一步的方案：lstm神经网络模型包含两个lstm层和一个全连接层。

16、作为本发明进一步的方案：每个lstm层包含64个神经单元，主要包含三个关键部分，分别是遗忘门、输入门和输出门。

17、作为本发明进一步的方案：遗忘门主要用来控制信息的去留，输入门决定新的信息将被加入到状态上，输出门决定最后输出的状态。全连接层包含32个神经单元。

18、作为本发明进一步的方案：两层lstm层使用的激活函数均为tanh激活函数，通过将每个输入值映射到一个介于-1和1之间的输出值来工作，导数具有对称性，其表达式如下：

19、

20、一种畜禽养殖恶臭气体检测方法,包括以下步骤：

21、步骤1：上电待机，给出开机信号，启动系统，初始化各模块；

22、步骤2：气体传感器预热，等待示数平稳；

23、步骤3：对环境参数进行采样，检测h2s、nh3、ch4气体浓度和环境温湿度信息；将采集到的数据实时上传至上位机与onenet云平台，进行监测；黄色led小灯闪烁一次代表上传一次数据；

24、步骤4：比较气体浓度数据与浓度阈值大小，如果超过阈值，红色led小灯常亮，激活蜂鸣器模块进行提醒；出于安全考虑需要手动关闭；

25、步骤5：关闭系统前需要停止上位机端的数据接收功能，实现数据本地保存后系统断电。

26、本发明的有益效果：

27、本发明能够实时监测畜禽养殖恶臭气体浓度与环境温湿度参数。通过硬件编程，实现传感器数据的采集以及单片机串口通信功能，将已经训练好的lstm模型内置到单片机中，通过实时的传感器数据进行浓度预测，并利用通信模块将数据分别发送至上位机与云平台，实现数据的可视化，同时保存数据方便后期查询使用。

技术特征：

1.一种畜禽养殖恶臭气体检测系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种畜禽养殖恶臭气体检测系统,其特征在于，通过人机交互区的三个按钮，实现对目标气体浓度阈值的选择与修改功能，对气体实时浓度与设置的阈值参数进行比较，结合蜂鸣器模块进而实现报警功能。

3.根据权利要求1所述的一种畜禽养殖恶臭气体检测系统,其特征在于，在人机交互模块中，采用labi ew图形化编程环境搭建系统的上位机部分，使用visa驱动实现与下位机之间的串口通信功能，进行数据传输；

4.根据权利要求1所述的一种畜禽养殖恶臭气体检测系统,其特征在于，对实验室自测数据集进行筛选，删除未达到稳态的部分数据信息，将所有数据集进行汇总，并使用基于卡尔曼滤波器的状态估计器，对数据进行平滑处理，删除噪点减小噪声误差；将处理好的数据放入lstm神经网络进行训练，预测目标气体浓度。

5.根据权利要求1所述的一种畜禽养殖恶臭气体检测系统,其特征在于，使用lstm神经网络模型进行数据预测，模型基于keras库构建神经网络模型。

6.根据权利要求5所述的一种畜禽养殖恶臭气体检测系统,其特征在于，lstm神经网络模型包含两个lstm层和一个全连接层。

7.根据权利要求6所述的一种畜禽养殖恶臭气体检测系统,其特征在于，每个lstm层包含64个神经单元，主要包含三个关键部分，分别是遗忘门、输入门和输出门。

8.根据权利要求7所述的一种畜禽养殖恶臭气体检测系统,其特征在于，遗忘门主要用来控制信息的去留，输入门决定新的信息将被加入到状态上，输出门决定最后输出的状态。全连接层包含32个神经单元。

9.根据权利要求8所述的一种畜禽养殖恶臭气体检测系统,其特征在于，两层lstm层使用的激活函数均为tanh激活函数，通过将每个输入值映射到一个介于-1和1之间的输出值来工作，导数具有对称性，其表达式如下：

10.一种畜禽养殖恶臭气体检测方法,其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明涉及气体检测技术领域，公开了一种基于多传感器数据融合的畜禽养殖恶臭气体检测系统与方法，包含以下步骤：实验室环境进行有关甲烷、氨气、硫化氢三种气体的气体标定实验，利用单片机读取气体传感器数据模拟量；将获取到的数据通过串口通信上传至Labview开发的上位机监测软件并以表格形式保存数据；使用Pycharm读取数据集，并基于卡尔曼滤波器的状态估计器以及LSTM神经网络对数据进行融合操作；训练模型，使得输入三个气体传感器模拟量以及目标气体代号，输出该状态下的气体浓度预测值，最终将模型文件编译为可在目标嵌入式系统上运行的二进制模型文件并烧录至单片机中，实现畜禽养殖环境中恶臭气体浓度的实时预测。技术研发人员：李科,李超,宗海,吴京明,程有德受保护的技术使用者：安徽农业大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9