基于FPGA的雞舍溫、濕度監控系統設計與研究

鄭喜珍 史書軍

基于FPGA的雞舍溫、濕度監控系統設計與研究

鄭喜珍 史書軍

目前，國內養雞場的溫、濕度監控還大都采用人工監控，其調控的準確度和效率均較低，這對于溫、濕度控制以及肉、蛋雞的生長都是不利的。FPGA是一種應用較為廣泛的可編程門陣列，利用FPGA的微程序即可實現對雞舍溫、濕度的監控并進一步實現溫、濕度控制。本文就如何利用FPGA實現對雞舍溫、濕度的監控作深入探討并提出一些相應的修正和評估方案，以期望對生產實際提供一些參考與啟迪。

FPGA;模糊控制；溫、濕度監控；養殖業；評估

目前我國的養殖業發展迅速，很多地區已經形成較具規模的養殖基地。然而，由于我國養殖業各方面技術發展很不均衡，尤其是在現代化養殖業方面的發展還很不健全，導致我國養殖技術發展還很落后，對于應用現代技術和理念發展完善養殖業還有很長的路要走。近年來飛速發展的FPGA的應用將使養殖業的養殖條件的監測有望得到改善。

1 FPGA原理及應用

FPGA（Field－Programmable Gate Array）即現場可編程門陣列，它是在GAL、PAL、CPLD等可編程器件的基礎上發展而來的一種模糊控制器。FPGA采用的是一種稱為邏輯陣列單元的概念，其內部主要包括三個部分，分別是：內部連線（Interconnect）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）。系統加電后，FPGA芯片可將EPROM中的數據依次讀入芯片內編程RAM中，當配置完成之后，FPGA即可進入工作狀態。斷電之后，FPGA則恢復成空白片，其內部各種邏輯關系清除，當再次加電后，其可重新進行編程。因此，FPGA是能夠反復使用的，而且對于FPGA的編程無須專用的編程器，其編程只需要由通用的PROM、EPROM編程器，這些編程器都是應用較為廣泛的普通編程器。而且，如果需要其他功能或者需要對FPGA的功能進行修改時，則只需要更換一片PROM，省去了繁瑣的編程和器件更換工作。也就是說，可以利用同一片FPGA芯片，通過應用各種不同的編程數據，即可獲得不同的邏輯電路功能。所以，FPGA的使用是非常靈活，FPGA的發展空間也是非常巨大的。同樣，FPGA一般還可有多種配置方式：①主從模式，即一片PROM編程支持多片FPGA運行；②串行模式，即采用串行性的PROM對FPGA進行編程；③并行主模式，即一片FPGA配備一片EPROM的一對一編程運行模式；④外設模式，即把FPGA作為某些微處理器的外置設備，通過控制微處理器對其進行相應的編程來實現其功能。

FPGA目前發展迅速，而且應用較為廣泛，例如其在電路設計、產品研發、系統應用方面都顯示出出色的優越性，而且對于其他非電子產業領域也有極為廣闊的應用前景。

2 基于FPGA的雞舍溫、濕度監控系統設計

由于雞舍的溫、濕度對于雞的生長存在重要影響，而對于大型養殖基地來說光靠人工控制雞舍的溫、濕度也是不切實際的或不及時的，所以，需要開發一種相對智能的溫、濕度監控控制系統來解決繁瑣的雞舍溫、濕度監控問題。

2.1 基于FPGA溫、濕度模糊控制系統

模糊控制是20世紀衍生出來的模擬人腦思維方式的邏輯控制理論，模糊理論目前大多由計算機編程模擬，通過一些既定的模糊語言法則、模糊應用數學以及模糊推理組成的正負反饋環式自控系統。該系統可通過對系統采集的環境數據變量進行整合分析，然后由主控器發出指令進行相應的調節響應。此類系統較一般系統復雜，因為對于該類過程的控制沒有或者不能建立簡單的數學模型，所以，模糊控制的應用已經深入到各行各業，并逐步發揮重要作用。

由于FPGA具有上述（原理及應用中所述）優點，所以，將FPGA應用于溫、濕度控制是可行和比較可靠的，而且由于FPGA本身具備的小型化、高集成度等優點使FPGA應用于溫、濕度控制的成本并不會明顯升高。

溫、濕度控制器主要包括輸入采集數據的模糊化、知識庫、模糊邏輯推理、輸出參數的清晰化四部分組成，根據電路的復雜程度，還會存在其他額外設計部分，這里不再贅述。

2.2 雞舍FPGA溫、濕度模糊控制系統組成（見圖1）

圖1 雞舍溫、濕度控制系統組成

圖1即為雞舍溫、濕度控制的基本組成圖，該圖表示某雞舍內設備的俯視分布。其中圓點代表雞舍內的各部位的溫、濕度傳感器，其目的是收集雞舍各個部分的溫、濕度并將數據傳輸給中央FPGA系統；三角形表示加濕器，當濕度過低時，加濕器啟動，可以增加雞舍房內的濕度；正方形表示雞舍升溫裝置，可以是電暖氣或者其他加熱設備，目的是升高房間溫度以達到理想條件；長條形表示排風扇，排風扇一般位于雞舍房山一側，雞舍窗戶臨面，當雞舍內溫度過高時可以通過開啟排風扇為雞舍降溫；方臺形表示FPGA系統模塊，包括調理電路、時鐘模塊和FPGA模塊三部分，是雞舍溫、濕度控制的核心。

2.3 雞舍FPGA溫、濕度模糊控制系統的工作流程

首先，雞舍房內各處的溫、濕度傳感器監測雞舍內溫、濕度變化并收集實時數據，傳感器所收集的數據通過輸入電路傳給FPGA系統模塊中的調理電路。由于傳感器所收集的數據信息均是以模擬信號的方式傳輸的，而FPGA只能處理相應的數字信號或者頻率脈沖信號，所以需要經過調理電路將傳統的模擬信號轉換成數字信號或頻率脈沖信號后才能再進一步傳送給FPGA模塊。

FPGA模塊將所收集的信號處理并歸類為14個模糊子集中的兩個。14個系統模糊子集共分為兩類：一類為溫、濕度偏差，共分為負大、負中、負小、基本為零、正小、正中、正大7個模糊子集，分別用NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB 表示，P 表示正、N 表示負、B 表示大、M表示中、S表示小、Z表示零。另一類則為溫、濕度偏差變化率，共分為負大、負中、負小、基本為零、正小、正中、正大 7個模糊子集，分別用 NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB表示，P表示正、N表示負、B 表示大、M 表示中、S表示小、Z表示零。溫度偏差代表了溫度的變化絕對值，反應了溫度的變化量，其結果是決定要不要對溫度變化進行相應的處理。而溫、濕度偏差變化率則反映了溫、濕度變化的趨勢，其目的是如果要改變溫度，那么應該對雞舍進行升溫（濕）處理還是降溫（濕）處理，升溫（濕）處理和降溫（濕）處理的時間多少、力度多大等。FPGA對數據的模糊化，最終確定兩個子集并需要進行相應的處理反應，通過輸出電路控制反應裝置的開啟和工作狀態。同時依據數據變化確定裝置運行時間，這些都由FPGA內的計時電路實施（FPGA對溫、濕度數據的模糊化具體控制規則詳見表 1）。

通過表1可見，只要FPGA系統確定了溫、濕度偏差和溫、濕度偏差變化率的子集類型，則可依據兩個子集類型最終確定控制器的類型及裝置反應時間等。這也是模糊邏輯在實際應用中的具體體現。

表1 FPGA對溫、濕度數據的模糊化控制規則

例如，以雞舍房內的急速降溫過程為例進行說明。當雞舍房內的溫度急速下降（尤其是在冬季夜晚）時，雞舍內各處的溫度傳感器可監測到溫度變化，并將數據傳給調理電路，調理電路將模擬信號轉換成數字信號后傳輸給FPGA，FPGA經過分析處理發現溫度偏差為負大（NB），偏差變化率也為負大（NB），最終確定應采取正大（PB）進行升溫處理，則立即通過傳出電路發出指令，開啟房舍內四處的升溫裝置進行升溫。在升溫過程中，FPGA也在不斷監測雞舍內的溫度變化，一旦溫度變化達不到相應的變化閾值即溫度傳感器所采集的數據在Z子集之內，則會導致升溫裝置停止工作，雞舍內的溫度基本維持恒定，當溫度再次出現較大波動時即溫度傳感器所采集的數據又跑出Z子集之外，則升溫裝置再次啟動。由此看來，雞舍內的溫度實際是處于一個穩定的動態變化范圍內的，為了使溫度波動較小，則可將各個子集的變化范圍適當縮小，以達到精細穩定雞舍溫度的目的，但是，如果子集范圍設置過細則會使設備反復開啟關閉，損耗設備，同時也是對電力資源的浪費，無形中增加了成本，所以，為了節約成本，降低設備損耗，延長設備使用壽命，子集的閾值設置要盡量恰到好處，這也需要大量的實際測試提供相應的數據參照。

3 雞舍溫、濕度監控系統的修正及評估

雞舍的溫度和濕度均對肉、蛋雞的養殖產生有重要影響，是肉、蛋雞養殖過程中需要注意的兩個極為重要的環境因素。為了對本文溫、濕度監控系統進行實際修正和客觀評估，筆者進行了相關的對比試驗。

雞雛：500只海藍蛋雞雛；

雞舍：兩間各50 m2，一間應用FPGA系統，另一間采用普通控溫控濕。兩間雞舍基本處于同一地理位置；

檢測周期：60 d；

雞雛飼喂：雞雛的飼喂均采用普通的相同的飼喂方式。

表2 雞舍溫濕度監控系統實測結果

試驗最終結果如表2所示，通過將近60 d的系統實際測試可以發現，總體來講基于FPGA的雞舍溫、濕度監控系統運行狀況良好，相對于普通雞舍而言，溫、濕度變化沒有出現較大波動，而且從實際的雞雛平均體重增加看，其明顯高于普通控溫、控濕雞雛增重水平，雞雛的死亡率也明顯降低，雞雛生活狀況良好天數大于40 d，這對于養殖業來說是非常重要的。

同時，實際測試過程中也發現了很多問題，例如FPGA有時對某些溫、濕度變化出現錯誤判斷或者設備的反映時間出現異常，同時在突然斷電之后系統易出現故障，對于這些問題，筆者對其進行了相應的改進和修正。

4 結語

本文所研究設計的基于FPGA的雞舍溫、濕度監控系統還處于實驗階段，但是從實際實施效果來看，其對于肉、蛋雞養殖還是具有較好效果的。將模糊邏輯運用到養殖業溫、濕度調控，可節省了大量的人力、物力。

[1] 于娟,白浪,周麗,等.基于FPGA的任意波形合成器[J].科技信息，2010（1）.

[2] 陳冀明,李開航.基于數字ASIC設計流程的DDS設計與實現[J].現代電子技術，2010（6）.

[3] 由法寶,王棟.四階鎖相跳頻源環路參數的準確設計與仿真[J].現代電子技術，2010（5）.

[4] 肖時茂,于云豐,馬成炎,等.A low power wide-band CMOS PLL frequency synthesizer for portable hybrid GNSS receiver[J].半導體學報，2010（3）.

[5] 牛翠霞,康旭輝.基于FPGA的交織器設計與實現[J].華北水利水電學院學報,2007（3）.

Design and research of applying EPGA in controlling henhouse temperature and humidity system

Zheng Xizhen,Shi Shujun

Currently,the temperature and humidity control of the domestic chicken farms is largely in artificial control,however the control accuracy and validity are lower,which are unfavorable for the temperature and humidity control,and the growth of broilers and layers.The FPGA is a more extensive application of programmable gate arrays,which can realize the micro-program sheds temperature and humidity monitoring and further implementation of temperature and humidity control.This article will be on how to use FPGA to realize the hen house temperature and humidity control and make the corresponding assessment program in depth,in the hope of providing some references and inspiration for domestic meat,egg and other types of aquaculture farming industry.

FPGA；fuzzy control；temperature and humidity control；aquaculture industry；assessment

S815

A

1001-991X（2011）10-0062-03

鄭喜珍，河北農業大學中獸醫學院，073000，河北定州市博陵街1號。

史書軍，單位及通訊地址同第一作者。

2011-03-28

（編輯：沈桂宇，guiyush@126.com）