摘要： 針對(duì)全封閉的蛋雞舍結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和室內(nèi)環(huán)境因子不同于外界環(huán)境等問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了全封閉蛋雞舍環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)LPC21 32為微控器，由上位機(jī)和智能監(jiān)控點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)控硬件系統(tǒng)，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)由濕簾風(fēng)機(jī)、噴霧等設(shè)施組成。該系統(tǒng)根據(jù)智能監(jiān)控點(diǎn)傳來(lái)的傳感器所采集信息數(shù)據(jù)，通過(guò)一定算法分析決策，能夠?qū)崿F(xiàn)雞舍內(nèi)的溫度、濕度、光照度、二氧化碳、氨氣和硫化氫按照設(shè)定值自動(dòng)調(diào)控。夏季試驗(yàn)結(jié)果表明：在封閉式蛋雞舍試用的環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，對(duì)蛋雞舍環(huán)境因子中的溫度和濕度進(jìn)行了調(diào)控試驗(yàn)，試驗(yàn)期間的蛋雞的產(chǎn)蛋率比對(duì)照組高出約15％ ，說(shuō)明設(shè)計(jì)的蛋雞舍環(huán)境控制系統(tǒng)具有推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：蛋雞舍；單片機(jī)；環(huán)境控制
中圖分類(lèi)號(hào)：S831．4 9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003—188X(2009)09—0143—04

0 引言

蛋雞舍在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)全封閉的系統(tǒng)，雞舍內(nèi)部環(huán)境受設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的制約和影響，形成了不同于外界環(huán)境的所謂“雞舍小氣候”，主要包括室內(nèi)的溫度、濕度、光照、二氧化碳、氨氣和硫化氫等要素[1-4]。雞舍結(jié)構(gòu)的全封閉性又決定了雞舍與外界的物質(zhì)與能量交換，進(jìn)而會(huì)引起雞舍小氣候環(huán)境的變化，這種變化在一定程度上又會(huì)影響蛋雞的生長(zhǎng)及其產(chǎn)蛋率[5-6]。由此，本文設(shè)計(jì)的雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)雞舍內(nèi)溫度、濕度、光照度和有害氣體(二氧化碳、氨氣和硫化氫)濃度等環(huán)境因子的智能監(jiān)測(cè)和控制。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

本監(jiān)控系統(tǒng)采用上位機(jī)周期性地向各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)送監(jiān)測(cè)命令，并接收各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)送來(lái)的數(shù)據(jù)，對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示和保存，且對(duì)專(zhuān)門(mén)控制濕簾風(fēng)機(jī)(包括噴霧)單元發(fā)送執(zhí)行指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，如圖1所示。

1．1 上位機(jī)

本設(shè)計(jì)上位機(jī)為PC機(jī)。上位機(jī)主要功能是：一是通過(guò)Rs一485串行通訊，向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，并可接收下位機(jī)傳送的傳感器所采集的數(shù)據(jù)；二是在上位機(jī)界面，設(shè)定下位機(jī)的地址分站號(hào)、時(shí)間、報(bào)警上下閾值和控制參數(shù)；三是對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)庫(kù)保存，并能發(fā)出執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需指令；四是對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，并可進(jìn)行歷史曲線顯示、分析和打印等。

1．2 智能監(jiān)控點(diǎn)

4個(gè)智能監(jiān)測(cè)點(diǎn)和1個(gè)控制點(diǎn)即下位機(jī)，采用PHILIPS公司的ARM系列型號(hào)為L(zhǎng)PC2132單片機(jī)，作為微控制器，采用8路開(kāi)關(guān)量輸出和環(huán)境因子數(shù)據(jù)輸入。其中，環(huán)境因子數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、光強(qiáng)、二氧化碳、氨氣和硫化氫等6個(gè)量。智能監(jiān)控點(diǎn)的原理框圖，如圖2所示。

雞舍溫濕度控制是本課題的一個(gè)重要研究對(duì)象，雞舍溫濕度具有如下特點(diǎn)：非線性、分布不均勻性、時(shí)變性、控制時(shí)延性、多變量禍合性等。同時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如濕簾風(fēng)機(jī))的動(dòng)作也不僅僅影響某一個(gè)因子，如對(duì)有害氣體(二氧化碳、氨氣和硫化氫)濃度也有影響，因而對(duì)其實(shí)現(xiàn)精確控制具有一定難度，需要系統(tǒng)多方面的協(xié)調(diào)配合。因此，對(duì)該系統(tǒng)采取了全閉環(huán)控制的策略，即當(dāng)室內(nèi)溫濕度升高時(shí)，傳感器將采樣到的值傳至控制單元，控制單元通過(guò)與用戶設(shè)定值比較，當(dāng)偏差絕對(duì)值大于用戶設(shè)定的偏置值時(shí)，發(fā)出指令使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，其控制過(guò)程如圖3所示。該閉環(huán)控制同樣適用于對(duì)光照度和有害氣體(二氧化碳、氨氣和硫化氫)濃度等環(huán)境因子的調(diào)控。

智能監(jiān)控點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：一是可以將采集來(lái)的數(shù)據(jù)在顯示器上進(jìn)行顯示；二是可通過(guò)不同類(lèi)型的傳感器采集溫度、濕度、光強(qiáng)、二氧化碳、氨氣和硫化氫等數(shù)據(jù)，并能進(jìn)行對(duì)溫度、濕度、光強(qiáng)、二氧化碳、氨氣和硫化氫等環(huán)境因子的控制，其中溫度、濕度可先通過(guò)模糊控制算法進(jìn)行控制；三是可以通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置參數(shù)，如聲光報(bào)警，能接收上位機(jī)命令，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和輸出控制；四是可以通過(guò)串行通信接口接收上位機(jī)發(fā)送的命令，并把采集到的數(shù)據(jù)和控制信息傳輸至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通訊；五是實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制，可提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時(shí)間顯示和按時(shí)間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；六是可通過(guò)按鍵方式來(lái)進(jìn)行手動(dòng)／自動(dòng)控制方式的切換；七是可以實(shí)時(shí)切換到對(duì)某一個(gè)或某幾個(gè)監(jiān)測(cè)量的調(diào)控。

2 系統(tǒng)硬件的選擇及其典型電路設(shè)計(jì)

根據(jù)封閉式蛋雞舍環(huán)境特征，選擇不同測(cè)量功能的傳感器，應(yīng)具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，能使系統(tǒng)真正做到快速反應(yīng)，調(diào)控環(huán)境效果高效，且數(shù)據(jù)采集范圍應(yīng)符合蛋雞活動(dòng)的環(huán)境因子要求。為此，在進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，分別選擇了數(shù)字溫度傳感器DS18B20，HU－MIREL公司的高分子電容式濕度傳感器HS1101，美國(guó)TAGS公司推出的光強(qiáng)度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TSL2561。

有害氣體濃度的監(jiān)測(cè)傳感器分別為：co2濃度傳感器選用美國(guó)FIGARO公司生產(chǎn)的TGS4160，NH3傳感器選擇的型號(hào)為MIC—NH3智能傳感器，硫化氫傳感器選擇的型號(hào)為(H2S傳感器)M-100。

2．1 溫度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

DS18B20有兩種供電方式：寄生電源和單獨(dú)供電。本課題為確保測(cè)量結(jié)果的精確度，采用單獨(dú)供電方式。圖4為蛋雞舍溫度測(cè)量電路，單總線P0.15連接單片機(jī)LPC2132引腳PO.15／EINT2，其上拉電阻為4.7k歐，當(dāng)總線閑置時(shí)，其工作狀態(tài)為高電平。

2．2 濕度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

蛋雞舍濕度傳感器HS1 101作為可變電容與單片機(jī)LPC2132管腳P0．17相連。控制電壓端之所以用電阻R1=909k歐，而不用O.1μF電容，是為了匹配濕度傳感器HS1101的溫度系數(shù)而引進(jìn)的一個(gè)溫度系數(shù)。R3=1k歐是短路保護(hù)電阻，為了使占空比盡量接近50％ ，R4要選得比R2小得多，但應(yīng)保證電路的輸出頻率在6660Hz附近，此處選R4=49.4kQ，R2=576k歐，具體如圖5所示。

2．3 光強(qiáng)測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

蛋雞舍光強(qiáng)傳感器TSL2561，通過(guò)I2C總線協(xié)議訪問(wèn)，單片機(jī)LPC2132內(nèi)部帶有I2C總線控制器，將該總線的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線直接與TSL2561的I2C總線的SCL和SDA分別相連，INT引腳與單片機(jī)LPC2132的外部中斷引腳EINT3相連。光強(qiáng)測(cè)量電路如圖6所示。

2．4 二氧化碳測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

為了使蛋雞舍二氧化碳傳感器保持在最敏感的溫度上，一般需要給加熱器提供加熱電壓進(jìn)行加熱，但是加熱電壓的變化將直接影響傳感器的穩(wěn)定性，因此加熱電壓必須穩(wěn)定，其范圍應(yīng)在(5．0±0．2)VDC之內(nèi)，此處管腳1接5．0V電壓。CO：測(cè)量電路，如圖7所示。TGS4160型CO2傳感器的輸出電壓為(0-3.0)V，所以可以采用3.3V參考電壓，并可與單片機(jī)LPC2132的A／D轉(zhuǎn)換引腳P0.27直接相連。

3 蛋雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3．1 典型雞舍溫濕度測(cè)控主程序設(shè)計(jì)

當(dāng)?shù)半u舍內(nèi)溫度≥目標(biāo)溫度+溫度偏置(溫度設(shè)定上限)時(shí)，啟動(dòng)濕簾外翻窗，在濕簾外翻窗打開(kāi)至終點(diǎn)時(shí)，外翻窗電機(jī)終點(diǎn)限位開(kāi)關(guān)閉合，閉合信號(hào)傳回控制器后，控制器撤銷(xiāo)“濕簾外翻窗開(kāi)”信號(hào)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇和濕簾運(yùn)行。當(dāng)雞舍內(nèi)溫度≤ 目標(biāo)溫度+溫度偏置(溫度設(shè)定下限)，關(guān)閉風(fēng)扇和濕簾進(jìn)入系統(tǒng)定時(shí)，定時(shí)時(shí)間到時(shí)，一次控制流程結(jié)束，其程序控制流程如圖8所示。

當(dāng)?shù)半u舍內(nèi)濕度≤目標(biāo)濕度+濕度偏置(濕度設(shè)定下限)時(shí)，啟動(dòng)噴霧裝置進(jìn)行清水噴霧，從而使雞舍的濕度有所回升；當(dāng)雞舍的濕度≥目標(biāo)濕度+濕度偏置(濕度設(shè)定上限)時(shí)，關(guān)閉噴霧裝置，進(jìn)入系統(tǒng)定時(shí)，定時(shí)時(shí)間到時(shí)，雞舍內(nèi)濕度一次控制流程結(jié)束。

3．2 蛋雞舍溫度采集程序設(shè)計(jì)

雞舍溫度控制系統(tǒng)采用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的可編程序數(shù)字式DS18B20的溫度傳感器，它直接輸出數(shù)字信號(hào)，并且不需要進(jìn)行信號(hào)放大，采用單總線結(jié)構(gòu)，無(wú)需外接其它元器件。DS1 8B20單線通信功能是分時(shí)完成的，遵循嚴(yán)格的時(shí)間概念，而單片機(jī)LPC2132對(duì)其各種操作必須嚴(yán)格按協(xié)議進(jìn)行，否則將無(wú)法讀取溫度數(shù)據(jù)。蛋雞舍溫度采集程序流程圖，如圖9所示。

4 蛋雞舍環(huán)境控制系統(tǒng)的試驗(yàn)

設(shè)計(jì)的蛋雞舍環(huán)境控制系統(tǒng)分別進(jìn)行了溫度和濕度測(cè)控試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為2008年7月29日-8月2日，試驗(yàn)地點(diǎn)在江蘇啟東市北新鎮(zhèn)。為了比對(duì)溫濕度的測(cè)量值精度，在雞舍空間不同部位布設(shè)干濕球溫度計(jì)，試驗(yàn)選取雞舍內(nèi)距門(mén)9，37，79，107m等4個(gè)位置斷面，對(duì)高度方向溫度分布狀態(tài)進(jìn)行了分析，如圖10所示。從高度方向看，雞籠前后兩端高度方向溫差并不大，這是由于雞籠兩端分別更靠近進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口，受滲漏熱風(fēng)和出舍熱風(fēng)影響較大的緣故。中間部分籠架由于受滲漏熱風(fēng)和出舍熱風(fēng)影響小，從籠底到籠頂總體呈現(xiàn)出逐漸增高的態(tài)勢(shì)，這與熱空氣密度小、分布位置相對(duì)較高等因素有關(guān)。與沒(méi)有采用環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)蛋雞舍相對(duì)照，采用環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的雞舍蛋雞產(chǎn)蛋率要高出15．3％ ，這說(shuō)明所設(shè)計(jì)的封閉式蛋雞舍環(huán)境監(jiān)測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)，在家禽養(yǎng)殖業(yè)極具重要推廣意義。

圖lO 夏季舍內(nèi)高度方向溫度分布

5 結(jié)束語(yǔ)

封閉式蛋雞舍環(huán)境系統(tǒng)是基于現(xiàn)場(chǎng)控制的，在下一步的研究工作中，將利用PC的上網(wǎng)功能與Internet網(wǎng)絡(luò)連接，將現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到監(jiān)測(cè)預(yù)警控制中心數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)調(diào)控雞舍