摘要： 針對全封閉的蛋雞舍結構特點和室內(nèi)環(huán)境因子不同于外界環(huán)境等問題，設計開發(fā)了全封閉蛋雞舍環(huán)境調控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機LPC21 32為微控器，由上位機和智能監(jiān)控點構成監(jiān)控硬件系統(tǒng)，其執(zhí)行機構由濕簾風機、噴霧等設施組成。該系統(tǒng)根據(jù)智能監(jiān)控點傳來的傳感器所采集信息數(shù)據(jù)，通過一定算法分析決策，能夠實現(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定值自動調控。夏季試驗結果表明：在封閉式蛋雞舍試用的環(huán)境調控系統(tǒng)，對蛋雞舍環(huán)境因子中的溫度和濕度進行了調控試驗，試驗期間的蛋雞的產(chǎn)蛋率比對照組高出約15％ ，說明設計的蛋雞舍環(huán)境控制系統(tǒng)具有推廣價值。

關鍵詞：蛋雞舍；單片機；環(huán)境控制
中圖分類號：S831．4 9 文獻標識碼：A 文章編號：1003—188X(2009)09—0143—04

0 引言

蛋雞舍在結構上是一個全封閉的系統(tǒng)，雞舍內(nèi)部環(huán)境受設計結構的制約和影響，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]。雞舍結構的全封閉性又決定了雞舍與外界的物質與能量交換，進而會引起雞舍小氣候環(huán)境的變化，這種變化在一定程度上又會影響蛋雞的生長及其產(chǎn)蛋率[5-6]。由此，本文設計的雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是實現(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)測和控制。

1 系統(tǒng)構建

本監(jiān)控系統(tǒng)采用上位機周期性地向各個監(jiān)測點發(fā)送監(jiān)測命令，并接收各個監(jiān)測點送來的數(shù)據(jù)，對所采集數(shù)據(jù)進行處理、顯示和保存，且對專門控制濕簾風機(包括噴霧)單元發(fā)送執(zhí)行指令，從而實現(xiàn)對執(zhí)行機構的控制，如圖1所示。

1．1 上位機

本設計上位機為PC機。上位機主要功能是：一是通過Rs一485串行通訊，向下位機發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，并可接收下位機傳送的傳感器所采集的數(shù)據(jù)；二是在上位機界面，設定下位機的地址分站號、時間、報警上下閾值和控制參數(shù)；三是對采集數(shù)據(jù)進行顯示和數(shù)據(jù)庫保存，并能發(fā)出執(zhí)行機構所需指令；四是對歷史數(shù)據(jù)進行查看，并可進行歷史曲線顯示、分析和打印等。

1．2 智能監(jiān)控點

4個智能監(jiān)測點和1個控制點即下位機，采用PHILIPS公司的ARM系列型號為LPC2132單片機，作為微控制器，采用8路開關量輸出和環(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、二氧化碳、氨氣和硫化氫等6個量。智能監(jiān)控點的原理框圖，如圖2所示。

雞舍溫濕度控制是本課題的一個重要研究對象，雞舍溫濕度具有如下特點：非線性、分布不均勻性、時變性、控制時延性、多變量禍合性等。同時，執(zhí)行機構(如濕簾風機)的動作也不僅僅影響某一個因子，如對有害氣體(二氧化碳、氨氣和硫化氫)濃度也有影響，因而對其實現(xiàn)精確控制具有一定難度，需要系統(tǒng)多方面的協(xié)調配合。因此，對該系統(tǒng)采取了全閉環(huán)控制的策略，即當室內(nèi)溫濕度升高時，傳感器將采樣到的值傳至控制單元，控制單元通過與用戶設定值比較，當偏差絕對值大于用戶設定的偏置值時，發(fā)出指令使執(zhí)行機構動作，其控制過程如圖3所示。該閉環(huán)控制同樣適用于對光照度和有害氣體(二氧化碳、氨氣和硫化氫)濃度等環(huán)境因子的調控。

智能監(jiān)控點實現(xiàn)的主要功能如下：一是可以將采集來的數(shù)據(jù)在顯示器上進行顯示；二是可通過不同類型的傳感器采集溫度、濕度、光強、二氧化碳、氨氣和硫化氫等數(shù)據(jù)，并能進行對溫度、濕度、光強、二氧化碳、氨氣和硫化氫等環(huán)境因子的控制，其中溫度、濕度可先通過模糊控制算法進行控制；三是可以通過鍵盤設置參數(shù)，如聲光報警，能接收上位機命令，實現(xiàn)參數(shù)設置和輸出控制；四是可以通過串行通信接口接收上位機發(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，實現(xiàn)和上位機的通訊；五是實時時鐘控制，可提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時間顯示和按時間存儲數(shù)據(jù)；六是可通過按鍵方式來進行手動／自動控制方式的切換；七是可以實時切換到對某一個或某幾個監(jiān)測量的調控。

2 系統(tǒng)硬件的選擇及其典型電路設計

根據(jù)封閉式蛋雞舍環(huán)境特征，選擇不同測量功能的傳感器，應具有長期的穩(wěn)定性，能使系統(tǒng)真正做到快速反應，調控環(huán)境效果高效，且數(shù)據(jù)采集范圍應符合蛋雞活動的環(huán)境因子要求。為此，在進行系統(tǒng)硬件設計時，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TAGS公司推出的光強度數(shù)字轉換芯片TSL2561。

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

2．1 溫度測量電路的設計

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

2．2 濕度測量電路的設計

蛋雞舍濕度傳感器HS1 101作為可變電容與單片機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)而引進的一個溫度系數(shù)。R3=1k歐是短路保護電阻，為了使占空比盡量接近50％ ，R4要選得比R2小得多，但應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 光強測量電路的設計

蛋雞舍光強傳感器TSL2561，通過I2C總線協(xié)議訪問，單片機LPC2132內(nèi)部帶有I2C總線控制器，將該總線的時鐘線和數(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LPC2132的外部中斷引腳EINT3相連。光強測量電路如圖6所示。

2．4 二氧化碳測量電路的設計

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，其范圍應在(5．0±0．2)VDC之內(nèi)，此處管腳1接5．0V電壓。CO：測量電路，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LPC2132的A／D轉換引腳P0.27直接相連。

3 蛋雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計

3．1 典型雞舍溫濕度測控主程序設計

當?shù)半u舍內(nèi)溫度≥目標溫度+溫度偏置(溫度設定上限)時，啟動濕簾外翻窗，在濕簾外翻窗打開至終點時，外翻窗電機終點限位開關閉合，閉合信號傳回控制器后，控制器撤銷“濕簾外翻窗開”信號，同時驅動風扇和濕簾運行。當雞舍內(nèi)溫度≤ 目標溫度+溫度偏置(溫度設定下限)，關閉風扇和濕簾進入系統(tǒng)定時，定時時間到時，一次控制流程結束，其程序控制流程如圖8所示。

當?shù)半u舍內(nèi)濕度≤目標濕度+濕度偏置(濕度設定下限)時，啟動噴霧裝置進行清水噴霧，從而使雞舍的濕度有所回升；當雞舍的濕度≥目標濕度+濕度偏置(濕度設定上限)時，關閉噴霧裝置，進入系統(tǒng)定時，定時時間到時，雞舍內(nèi)濕度一次控制流程結束。

3．2 蛋雞舍溫度采集程序設計

雞舍溫度控制系統(tǒng)采用美國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，并且不需要進行信號放大，采用單總線結構，無需外接其它元器件。DS1 8B20單線通信功能是分時完成的，遵循嚴格的時間概念，而單片機LPC2132對其各種操作必須嚴格按協(xié)議進行，否則將無法讀取溫度數(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

設計的蛋雞舍環(huán)境控制系統(tǒng)分別進行了溫度和濕度測控試驗，試驗時間為2008年7月29日-8月2日，試驗地點在江蘇啟東市北新鎮(zhèn)。為了比對溫濕度的測量值精度，在雞舍空間不同部位布設干濕球溫度計，試驗選取雞舍內(nèi)距門9，37，79，107m等4個位置斷面，對高度方向溫度分布狀態(tài)進行了分析，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風口和排風口，受滲漏熱風和出舍熱風影響較大的緣故。中間部分籠架由于受滲漏熱風和出舍熱風影響小，從籠底到籠頂總體呈現(xiàn)出逐漸增高的態(tài)勢，這與熱空氣密度小、分布位置相對較高等因素有關。與沒有采用環(huán)境調控系統(tǒng)蛋雞舍相對照，采用環(huán)境調控系統(tǒng)的雞舍蛋雞產(chǎn)蛋率要高出15．3％ ，這說明所設計的封閉式蛋雞舍環(huán)境監(jiān)測與調控系統(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 結束語

封閉式蛋雞舍環(huán)境系統(tǒng)是基于現(xiàn)場控制的，在下一步的研究工作中，將利用PC的上網(wǎng)功能與Internet網(wǎng)絡連接，將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)實時發(fā)送到監(jiān)測預警控制中心數(shù)據(jù)庫服務器，實現(xiàn)遠程監(jiān)測調控雞舍