基于畜禽舍的養(yǎng)殖環(huán)境控制自動(dòng)化系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

摘要：提出了基于畜禽舍的養(yǎng)殖環(huán)境控制自動(dòng)化系統(tǒng)的初步實(shí)現(xiàn)方案與思路，詳細(xì)闡述了養(yǎng)殖環(huán)境信息采集模塊、插座式控制代理和中間控制器的嵌入式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)涉及的環(huán)控自動(dòng)化設(shè)施原理進(jìn)行了分析，最后還提出了基于模式控制下“一組引擎、兩項(xiàng)管理、三大中心” 的軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：養(yǎng)殖環(huán)境控制；嵌入式設(shè)計(jì)；環(huán)控自動(dòng)化；模式控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP302文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)09-11730-03

Research and Implementation of Environmental Control Automation System Based on Chushi

WANG Kun， LIU Xue-lan， WANG Yong-hong

(Information Engineering Department， Jiangsu Animal Husbandry Veterinary College， Taizhou 225300， China)

Abstract: Based on the proposed aquaculture Chushi Environmental Control Automation System and Implementation of the initial ideas， elaborated on the breeding environment information collection modules， socket-control agent and intermediate controller embedded structural design， the environmental control automation facilities principle is analyzed and finally put under the control of a model based on \"a group of engines， two management， the three centres\" software system architecture.

Key words: Aquaculture Environmental Control; embedded design; environmental control automation; mode control

1 引言

隨著信息化技術(shù)的高速發(fā)展，畜牧業(yè)的現(xiàn)代化、信息化發(fā)展已成必然。目前我國(guó)畜牧業(yè)信息化程度還很低，一般集中在跟蹤識(shí)別、生產(chǎn)管理等領(lǐng)域上。在畜禽養(yǎng)殖環(huán)境控制自動(dòng)化等方面的研究相對(duì)較少。因此，研究如何對(duì)畜牧養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行有效控制與管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖個(gè)體與環(huán)境的和諧協(xié)調(diào)，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文提出的基于畜舍的養(yǎng)殖環(huán)境控制自動(dòng)化系統(tǒng)是基于多平臺(tái)架構(gòu)的，集采、控、管于一體的大型軟硬件綜合平臺(tái)系統(tǒng)。目前已經(jīng)在江蘇牧醫(yī)學(xué)院附屬畜牧示范園姜曲海種豬養(yǎng)殖場(chǎng)（江蘇省重點(diǎn)扶持的特種豬養(yǎng)殖場(chǎng)之一）得到初步的驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于畜舍的環(huán)境自動(dòng)化管理一般包括畜舍環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)采集與規(guī)則報(bào)警、各種環(huán)境自動(dòng)化設(shè)施及其集成化控制等部分。與此對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)由專(zhuān)用采集模塊、環(huán)控自動(dòng)化設(shè)施、控制器、設(shè)備代理、環(huán)控自動(dòng)化平臺(tái)軟件系統(tǒng)（包括后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件系統(tǒng)、監(jiān)控工作站）等五部分組成。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，專(zhuān)用采集模塊負(fù)責(zé)采集畜舍中各種環(huán)境信息（如溫度、濕度信息等）、接收控制模塊的巡檢命令并返回環(huán)境信息，包括氨氣、氣壓、溫度、濕度及光照等采集模塊。環(huán)控自動(dòng)化設(shè)施主要用于畜舍內(nèi)部生活環(huán)境的溫度調(diào)節(jié)與通風(fēng)，包括地溫系統(tǒng)、地冷系統(tǒng)，屋頂沖水系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)，淋浴系統(tǒng)，擋風(fēng)簾等設(shè)施。可以通過(guò)控制代理來(lái)運(yùn)行這些環(huán)控設(shè)施來(lái)改良養(yǎng)殖環(huán)境。中間控制器是整個(gè)系統(tǒng)的控制樞紐，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與控制代理、采集模塊相聯(lián)，基于以太網(wǎng)與平臺(tái)系統(tǒng)服務(wù)器相聯(lián)。養(yǎng)殖環(huán)境管控自動(dòng)化平臺(tái)系統(tǒng)軟件包括監(jiān)控工作站、自動(dòng)化控制平臺(tái)軟件系統(tǒng)及后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。自動(dòng)控制引擎依據(jù)“先進(jìn)先出”的堆棧原則完成系統(tǒng)任務(wù)式預(yù)設(shè)動(dòng)作的指令翻譯，將指令發(fā)送給中間控制器進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。自動(dòng)化控制管理系統(tǒng)則完成采集數(shù)據(jù)分析、控制規(guī)則設(shè)置，動(dòng)作任務(wù)預(yù)設(shè)，超限報(bào)警及統(tǒng)計(jì)分析等功能。后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)存放各種參數(shù)數(shù)據(jù)的歷史記錄，控制參數(shù)、管控規(guī)則等。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 專(zhuān)用采集模塊

專(zhuān)用采集模塊主要分為溫度、氣壓、光照、濕度及氨氣等五種。分別采用Freescale半導(dǎo)體公司新型8位低功耗MCU MC9S08QG8、TI半導(dǎo)體公司的低功耗芯片CC1020作為控制芯片與無(wú)線收發(fā)芯片。另外，各采集模塊根據(jù)功能不同采用了日本SEMITEC/ISHIZUKA（石冢）公司的103AT-2B型溫度傳感器、濕度采集模塊采用美國(guó)Honeywell公司的HIH-4000型濕度傳感器、氣壓采集模塊采用了Freescale公司的MPX2202A型壓力傳感器及深圳商斯達(dá)公司的GL25528型光照傳感器、氨氣氣流傳感器。

下面以濕度采集終端為例，硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：

3.2 中間控制器

主要功能：實(shí)現(xiàn)定時(shí)巡檢每個(gè)專(zhuān)用采集模塊獲取環(huán)境信息，將采集到的信息進(jìn)行處理、顯示、分析并按照預(yù)定協(xié)議傳輸給平臺(tái)軟件，也可接收平臺(tái)軟件發(fā)送的各種命令，按照指令對(duì)各種環(huán)境自動(dòng)化設(shè)施進(jìn)行有效控制，如打開(kāi)通風(fēng)系統(tǒng)或地溫系統(tǒng)等。

控制器采用Freescale（原Morotola）半導(dǎo)體公司的帶有以太網(wǎng)MAC和PHY的16位MCU MC9S12NE64作為控制器的主控和以太網(wǎng)通信芯片；采用TI半導(dǎo)體公司的CC1020芯片作為控制器的無(wú)線收發(fā)芯片。MCU開(kāi)發(fā)環(huán)境擬選用Freescale公司的CodeWarrior For HCS08 V5.0及CodeWarrior For HCS12 V4.0版本。

中間控制器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖具體如下：

4 環(huán)控自動(dòng)化設(shè)施

4.1 環(huán)境控制設(shè)施

以姜曲海種豬為例，其環(huán)境控制設(shè)施主要集中在保溫、通風(fēng)兩個(gè)方面。保溫設(shè)施一般包括地溫冷系統(tǒng)、淋浴系統(tǒng)等。通風(fēng)系統(tǒng)包括風(fēng)扇及擋風(fēng)簾等。

4.1.1 地溫地冷系統(tǒng)

無(wú)論是豬仔保溫或母豬散熱，都有其最佳的舒適溫度范圍，過(guò)高或過(guò)低均不利于養(yǎng)殖生產(chǎn)并造成電力浪費(fèi)。因此，地溫地冷系統(tǒng)是維持畜舍地面恒溫的最佳途徑。整個(gè)畜舍通過(guò)鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行熱冷水循環(huán)供應(yīng)，根據(jù)溫差要求自動(dòng)向畜舍地面鋪設(shè)的管道輸送熱水或冷水，進(jìn)而改變畜舍地面溫度，達(dá)到地面保溫效果。其中將溫度采集裝置安裝在出水口的最遠(yuǎn)端地面，當(dāng)采集的地面溫度低于系統(tǒng)設(shè)定的溫度時(shí)，系統(tǒng)就自動(dòng)指示中間控制器打開(kāi)熱水輸送馬達(dá)，輸入熱水來(lái)提高其溫度。當(dāng)?shù)孛鏈囟雀哂谠O(shè)定溫度時(shí)，系統(tǒng)就自動(dòng)打開(kāi)冷水輸送馬達(dá)，輸入冷水來(lái)降低地溫。此處系統(tǒng)集成部位為兩個(gè)馬達(dá)開(kāi)關(guān)。

4.1.2 馬達(dá)式自動(dòng)淋浴系統(tǒng)

沐浴系統(tǒng)可以幫助養(yǎng)殖個(gè)體蒸發(fā)散熱。要讓淋下的水分蒸發(fā)后再噴水，才能達(dá)到淋浴效果。一般淋浴設(shè)備有直接用水管手工噴水、自動(dòng)控制水裝置等。采用馬達(dá)式自動(dòng)控制水裝置。當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，按照預(yù)定時(shí)間間隔自動(dòng)啟動(dòng)馬達(dá)噴水一次。同時(shí)也可以建立馬達(dá)式屋頂沖水式設(shè)施，通過(guò)水分蒸發(fā)來(lái)降低屋頂溫度，進(jìn)而降低室內(nèi)溫度。此處系統(tǒng)主要集成的部位為馬達(dá)電源開(kāi)關(guān)。具體噴水頻率及溫度設(shè)置等等，通過(guò)總控平臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)。

4.1.3 通風(fēng)系統(tǒng)

通風(fēng)系統(tǒng)至少包括風(fēng)扇、擋風(fēng)簾等設(shè)施。當(dāng)溫度過(guò)高或不良?xì)怏w濃度過(guò)高，系統(tǒng)發(fā)出指令要求中間控制器打開(kāi)風(fēng)扇電機(jī)及擋風(fēng)簾卷動(dòng)電機(jī)的電源開(kāi)關(guān)，進(jìn)行畜舍通風(fēng)來(lái)改良環(huán)境。此處系統(tǒng)主要集成的部位為風(fēng)扇電機(jī)及擋風(fēng)簾卷動(dòng)電機(jī)開(kāi)關(guān)。

4.2 控制代理CA

由于環(huán)境控制自動(dòng)化設(shè)備的復(fù)雜性，系統(tǒng)只通過(guò)各控制代理完成與各環(huán)控自動(dòng)化設(shè)備的粗曠式控制集成，不會(huì)過(guò)多的涉及到設(shè)備內(nèi)部的具體運(yùn)行，如調(diào)節(jié)風(fēng)扇風(fēng)速，熱水溫度等。控制代理CA實(shí)現(xiàn)為相聯(lián)設(shè)備的插座式電源開(kāi)關(guān)控制，同時(shí)接受中間控制器的操作指令及當(dāng)前狀態(tài)反饋。與專(zhuān)用采集模塊一樣，采用同樣的控制芯片與無(wú)線收發(fā)芯片。

4.3 養(yǎng)殖環(huán)境自動(dòng)化管控平臺(tái)軟件系統(tǒng)

平臺(tái)系統(tǒng)允許基于預(yù)定模式（如高溫模式，低溫模式）進(jìn)行全自動(dòng)控制或半人工控制。在不同控制模式下，對(duì)環(huán)境信息的上下限及采集頻率、環(huán)控自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)行等都會(huì)有不同要求的。從結(jié)構(gòu)上可以分為“一組引擎、兩項(xiàng)管理、三大中心”。

4.3.1 “一組引擎”：自動(dòng)控制引擎

自動(dòng)控制引擎分為采集子引擎、規(guī)則過(guò)濾子引擎及控制子引擎三部分。全自動(dòng)控制處理流程為：采集子引擎實(shí)時(shí)接受中間控制器傳遞的環(huán)境信息，規(guī)則過(guò)濾子引擎依據(jù)預(yù)先設(shè)定的采集參數(shù)規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)過(guò)濾，出現(xiàn)異常情況予以報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)控制子引擎到預(yù)設(shè)動(dòng)作庫(kù)中尋找符合條件的預(yù)設(shè)動(dòng)作包，分析畜舍具體定位情況，組合生成具體操作指令，并交付給中間控制器進(jìn)行相應(yīng)控制操作。三個(gè)子引擎也可以根據(jù)系統(tǒng)需要分開(kāi)獨(dú)立運(yùn)行。

4.3.2 “兩項(xiàng)管理”：基礎(chǔ)管理和系統(tǒng)管理

基礎(chǔ)管理主要包括系統(tǒng)運(yùn)行需要各種參數(shù)的初始配置和管理。主要包括：

(1)畜舍管理：用于管理所有畜舍的信息。包括畜舍編號(hào)，名稱(chēng)，簡(jiǎn)介，位置，附圖。

(2)設(shè)備管理：用于管理整個(gè)系統(tǒng)中涉及到的采集設(shè)備、中間控制器及控制代理設(shè)備。管理屬性主要包括設(shè)備編號(hào)，設(shè)備類(lèi)型（采集裝置、中間控制器、控制代理及其他），設(shè)備組號(hào)，設(shè)備名稱(chēng)，所在位置，所在畜舍，主要功能，狀態(tài)（分為有效，無(wú)效）。

(3)模式管理：設(shè)定各種常用控制模式，如高溫天氣下的高溫模式。同時(shí)設(shè)置該模式下涉及到的控制參數(shù)、采集規(guī)則和任務(wù)預(yù)設(shè)等內(nèi)容。

系統(tǒng)管理是軟件系統(tǒng)必備的功能，實(shí)現(xiàn)有權(quán)限的人在正確時(shí)間內(nèi)對(duì)正確的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確操作。包括用戶管理、角色管理、權(quán)限管理、口令修改及用戶登陸等功能。

4.3.3 “三大中心”：采集中心、控制中心和管理中心

4.3.3.1 采集中心

為系統(tǒng)環(huán)境所有涉及參數(shù)采集之一站式界面。以拓樸圖方式顯示畜舍內(nèi)各采集模塊的運(yùn)行狀態(tài)，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)采集模塊圖符進(jìn)入實(shí)時(shí)采集窗口，以數(shù)據(jù)列表或圖表方式顯示采集數(shù)據(jù)，如有異常狀態(tài)，紅色高亮顯示。如沒(méi)有預(yù)定義相應(yīng)控制操作，可進(jìn)入人工控制中心。

4.3.3.2 控制中心

為環(huán)控自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)涉及到的所有環(huán)控設(shè)備監(jiān)控之一站式界面，支持網(wǎng)絡(luò)拓樸圖方式顯示。可隨時(shí)設(shè)置當(dāng)前畜舍控制模式，如高溫模式、常規(guī)模式。亦可隨機(jī)定義生成控制模式。系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)控制模式自動(dòng)生成該模式下各種規(guī)則參數(shù)，對(duì)采集到的各種環(huán)境信息進(jìn)行檢測(cè)過(guò)濾，啟動(dòng)或關(guān)閉自動(dòng)化控制引擎，查看當(dāng)前執(zhí)行的自動(dòng)序列，接受各種狀態(tài)報(bào)警，也支持以手工方式直接對(duì)相應(yīng)的環(huán)控自動(dòng)化設(shè)施進(jìn)行控制。

4.3.3.3 管理中心

根據(jù)實(shí)際養(yǎng)殖環(huán)境的經(jīng)驗(yàn)要求，建立參數(shù)管理模型，形成各種管理指標(biāo)。基于管理指標(biāo)對(duì)各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行年月日分級(jí)查詢，統(tǒng)計(jì)，分析及報(bào)表輸出。

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合江蘇牧醫(yī)學(xué)院省級(jí)畜牧示范園中的姜曲海種豬養(yǎng)殖場(chǎng)的實(shí)際情況，運(yùn)用了無(wú)線通信技術(shù)、嵌入控制技術(shù)與傳感器技術(shù)，提出了畜牧養(yǎng)殖環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)的初步實(shí)現(xiàn)方案與思路，詳細(xì)闡述了各種采集模塊、插座式控制代理、中間控制器的的嵌入式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、環(huán)控自動(dòng)化設(shè)備的組成實(shí)現(xiàn)、環(huán)控自動(dòng)化控制軟件系統(tǒng)的“一組引擎、兩項(xiàng)管理、三大中心”等內(nèi)容。經(jīng)過(guò)在姜曲海種豬場(chǎng)的實(shí)際試制運(yùn)行，事實(shí)證明該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)思路是完全可行的。

但由于現(xiàn)代養(yǎng)殖的環(huán)境要求越來(lái)越高，對(duì)各環(huán)控設(shè)備的集成要求會(huì)進(jìn)一步精細(xì)化，如對(duì)風(fēng)扇的強(qiáng)度、鍋爐的溫度設(shè)定等等。關(guān)于此類(lèi)問(wèn)題的探討研究正在進(jìn)行中。

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