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封闭式蛋鸡舍环境控制系统的设计 |
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作者：金濯 曹元军 |
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摘要： 针对全封闭的蛋鸡舍结构特点和室内环境因子不同于外界环境等问题，设计开发了全封闭蛋鸡舍环境调控系统。该系统以单片机LPC21 32为微控器，由上位机和智能监控点构成监控硬件系统，其执行机构由湿帘风机、喷雾等设施组成。该系统根据智能监控点传来的传感器所采集信息数据，通过一定算法分析决策，能够实现鸡舍内的温度、湿度、光照度、二氧化碳、氨气和硫化氢按照设定值自动调控。夏季试验结果表明：在封闭式蛋鸡舍试用的环境调控系统，对蛋鸡舍环境因子中的温度和湿度进行了调控试验，试验期间的蛋鸡的产蛋率比对照组高出约15％ ，说明设计的蛋鸡舍环境控制系统具有推广价值。
关键词：蛋鸡舍；单片机；环境控制
中图分类号：S831．4 9 文献标识码：A 文章编号：1003—188X(2009)09—0143—04
0 引言
蛋鸡舍在结构上是一个全封闭的系统，鸡舍内部环境受设计结构的制约和影响，形成了不同于外界环境的所谓“鸡舍小气候”，主要包括室内的温度、湿度、光照、二氧化碳、氨气和硫化氢等要素[1-4]。鸡舍结构的全封闭性又决定了鸡舍与外界的物质与能量交换，进而会引起鸡舍小气候环境的变化，这种变化在一定程度上又会影响蛋鸡的生长及其产蛋率[5-6]。由此，本文设计的鸡舍环境监控系统主要功能是实现鸡舍内温度、湿度、光照度和有害气体(二氧化碳、氨气和硫化氢)浓度等环境因子的智能监测和控制。
1 系统构建
本监控系统采用上位机周期性地向各个监测点发送监测命令，并接收各个监测点送来的数据，对所采集数据进行处理、显示和保存，且对专门控制湿帘风机(包括喷雾)单元发送执行指令，从而实现对执行机构的控制，如图1所示。
1．1 上位机
本设计上位机为PC机。上位机主要功能是：一是通过Rs一485串行通讯，向下位机发送数据采集命令，并可接收下位机传送的传感器所采集的数据；二是在上位机界面，设定下位机的地址分站号、时间、报警上下阈值和控制参数；三是对采集数据进行显示和数据库保存，并能发出执行机构所需指令；四是对历史数据进行查看，并可进行历史曲线显示、分析和打印等。
1．2 智能监控点
4个智能监测点和1个控制点即下位机，采用PHILIPS公司的ARM系列型号为LPC2132单片机，作为微控制器，采用8路开关量输出和环境因子数据输入。其中，环境因子数据包括温度、湿度、光强、二氧化碳、氨气和硫化氢等6个量。智能监控点的原理框图，如图2所示。
鸡舍温湿度控制是本课题的一个重要研究对象，鸡舍温湿度具有如下特点：非线性、分布不均匀性、时变性、控制时延性、多变量祸合性等。同时，执行机构(如湿帘风机)的动作也不仅仅影响某一个因子，如对有害气体(二氧化碳、氨气和硫化氢)浓度也有影响，因而对其实现精确控制具有一定难度，需要系统多方面的协调配合。因此，对该系统采取了全闭环控制的策略，即当室内温湿度升高时，传感器将采样到的值传至控制单元，控制单元通过与用户设定值比较，当偏差绝对值大于用户设定的偏置值时，发出指令使执行机构动作，其控制过程如图3所示。该闭环控制同样适用于对光照度和有害气体(二氧化碳、氨气和硫化氢)浓度等环境因子的调控。
智能监控点实现的主要功能如下：一是可以将采集来的数据在显示器上进行显示；二是可通过不同类型的传感器采集温度、湿度、光强、二氧化碳、氨气和硫化氢等数据，并能进行对温度、湿度、光强、二氧化碳、氨气和硫化氢等环境因子的控制，其中温度、湿度可先通过模糊控制算法进行控制；三是可以通过键盘设置参数，如声光报警，能接收上位机命令，实现参数设置和输出控制；四是可以通过串行通信接口接收上位机发送的命令，并把采集到的数据和控制信息传输至上位机，实现和上位机的通讯；五是实时时钟控制，可提供系统数据采集时间显示和按时间存储数据；六是可通过按键方式来进行手动／自动控制方式的切换；七是可以实时切换到对某一个或某几个监测量的调控。
2 系统硬件的选择及其典型电路设计
根据封闭式蛋鸡舍环境特征，选择不同测量功能的传感器，应具有长期的稳定性，能使系统真正做到快速反应，调控环境效果高效，且数据采集范围应符合蛋鸡活动的环境因子要求。为此，在进行系统硬件设计时，分别选择了数字温度传感器DS18B20，HU－MIREL公司的高分子电容式湿度传感器HS1101，美国TAGS公司推出的光强度数字转换芯片TSL2561。
有害气体浓度的监测传感器分别为：co2浓度传感器选用美国FIGARO公司生产的TGS4160，NH3传感器选择的型号为MIC—NH3智能传感器，硫化氢传感器选择的型号为(H2S传感器)M-100。
2．1 温度测量电路的设计
DS18B20有两种供电方式：寄生电源和单独供电。本课题为确保测量结果的精确度，采用单独供电方式。图4为蛋鸡舍温度测量电路，单总线P0.15连接单片机LPC2132引脚PO.15／EINT2，其上拉电阻为4.7k欧，当总线闲置时，其工作状态为高电平。
2．2 湿度测量电路的设计
蛋鸡舍湿度传感器HS1 101作为可变电容与单片机LPC2132管脚P0．17相连。控制电压端之所以用电阻R1=909k欧，而不用O.1μF电容，是为了匹配湿度传感器HS1101的温度系数而引进的一个温度系数。R3=1k欧是短路保护电阻，为了使占空比尽量接近50％ ，R4要选得比R2小得多，但应保证电路的输出频率在6660Hz附近，此处选R4=49.4kQ，R2=576k欧，具体如图5所示。
2．3 光强测量电路的设计
蛋鸡舍光强传感器TSL2561，通过I2C总线协议访问，单片机LPC2132内部带有I2C总线控制器，将该总线的时钟线和数据线直接与TSL2561的I2C总线的SCL和SDA分别相连，INT引脚与单片机LPC2132的外部中断引脚EINT3相连。光强测量电路如图6所示。
2．4 二氧化碳测量电路的设计
为了使蛋鸡舍二氧化碳传感器保持在最敏感的温度上，一般需要给加热器提供加热电压进行加热，但是加热电压的变化将直接影响传感器的稳定性，因此加热电压必须稳定，其范围应在(5．0±0．2)VDC之内，此处管脚1接5．0V电压。CO：测量电路，如图7所示。TGS4160型CO2传感器的输出电压为(0-3.0)V，所以可以采用3.3V参考电压，并可与单片机LPC2132的A／D转换引脚P0.27直接相连。
3 蛋鸡舍环境监控系统的软件设计
3．1 典型鸡舍温湿度测控主程序设计
当蛋鸡舍内温度≥目标温度+温度偏置(温度设定上限)时，启动湿帘外翻窗，在湿帘外翻窗打开至终点时，外翻窗电机终点限位开关闭合，闭合信号传回控制器后，控制器撤销“湿帘外翻窗开”信号，同时驱动风扇和湿帘运行。当鸡舍内温度≤ 目标温度+温度偏置(温度设定下限)，关闭风扇和湿帘进入系统定时，定时时间到时，一次控制流程结束，其程序控制流程如图8所示。
当蛋鸡舍内湿度≤目标湿度+湿度偏置(湿度设定下限)时，启动喷雾装置进行清水喷雾，从而使鸡舍的湿度有所回升；当鸡舍的湿度≥目标湿度+湿度偏置(湿度设定上限)时，关闭喷雾装置，进入系统定时，定时时间到时，鸡舍内湿度一次控制流程结束。
3．2 蛋鸡舍温度采集程序设计
鸡舍温度控制系统采用美国DALLAS公司生产的可编程序数字式DS18B20的温度传感器，它直接输出数字信号，并且不需要进行信号放大，采用单总线结构，无需外接其它元器件。DS1 8B20单线通信功能是分时完成的，遵循严格的时间概念，而单片机LPC2132对其各种操作必须严格按协议进行，否则将无法读取温度数据。蛋鸡舍温度采集程序流程图，如图9所示。
4 蛋鸡舍环境控制系统的试验
设计的蛋鸡舍环境控制系统分别进行了温度和湿度测控试验，试验时间为2008年7月29日-8月2日，试验地点在江苏启东市北新镇。为了比对温湿度的测量值精度，在鸡舍空间不同部位布设干湿球温度计，试验选取鸡舍内距门9，37，79，107m等4个位置断面，对高度方向温度分布状态进行了分析，如图10所示。从高度方向看，鸡笼前后两端高度方向温差并不大，这是由于鸡笼两端分别更靠近进风口和排风口，受渗漏热风和出舍热风影响较大的缘故。中间部分笼架由于受渗漏热风和出舍热风影响小，从笼底到笼顶总体呈现出逐渐增高的态势，这与热空气密度小、分布位置相对较高等因素有关。与没有采用环境调控系统蛋鸡舍相对照，采用环境调控系统的鸡舍蛋鸡产蛋率要高出15．3％ ，这说明所设计的封闭式蛋鸡舍环境监测与调控系统，在家禽养殖业极具重要推广意义。
图lO 夏季舍内高度方向温度分布
5 结束语
封闭式蛋鸡舍环境系统是基于现场控制的，在下一步的研究工作中，将利用PC的上网功能与Internet网络连接，将现场采集数据实时发送到监测预警控制中心数据库服务器，实现远程监测调控鸡舍环境。
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(6/19/2011) |
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