基于GPRS 的遠程孵化機自動控制系統

楊正君，高麗偉

（ 1.杰輝空調設備有限公司，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學，貴州 貴陽 550025 ）

1.引言

在孵蛋的過程中，溫度和濕度對胚胎的發育至關重要，同時還要保證良好的通風換氣，以保障胚胎能夠得到充足的氧氣，為了避免胚胎與蛋膜的粘連，還要定期進行翻蛋操作。本系統針對孵化要求設計出利用單片機作為閉環控制系統的控制器，在孵化過程中實現自動控溫、控濕、翻蛋、通風、超溫濕報警，采用 GPRS 實現遠程監測與控制，實現無人值守，減輕人員負擔，提高孵化率。

2.系統組成模塊

本系統通過溫度傳感器DS18B20 和數字式溫濕度傳感器SHT10 采集溫濕度，通過控制器對數據進行分析處理，根據當前溫濕度值和用戶通過鍵盤控制電路或者 GPRS 遠程控制預設的溫濕度上下限值和預置值控制風扇和電熱絲的啟動和停止，以便于對孵化器的溫濕度環境實時動態作出調整，達到預設溫濕度狀態。當超過一定溫濕度范圍，系統將信號通過 GPRS 發給監控人員，可以實現集中實時監控。本系統可以替代人工控制孵化箱溫濕度和翻蛋，減輕人員負擔，有效提高孵化率。

孵化器控制系統原理圖如圖1 所示。

圖1 孵化機控制系統原理圖

3.總體電路與工作說明

采用C8051F340 單片機作為系統測控單元，以鍵盤或者通過GPRS 遠程監控作為系統的人機控制，通過DS18B20 和SHT10 測量分散在不同地點的孵化機內部溫濕度，實時通過PWM 方式來控制風機對溫濕度進行自動控制，并實時將當前溫濕度和翻蛋情況數據通過GPRS 發給監控人員，其中GPRS 控制器通過RS232 串口與控制器連接，實現遠程監控。

總體電路如圖2 所示。

圖2 總體電路圖

4.數據采集模塊

4.1.溫度采集模塊

溫度對于孵化率有很大的影響，孵化要求溫度控制精度±0.3℃，機內各點溫差不大于 0.3℃，為控制精度和各點溫差，需要使用多塊精度高且通信接口較少的溫度傳感器。DS18B20 固有測溫分辨率為0.5℃，且采用獨特的一線通信技術，可以將多個器件掛在一線上。因為一線通信接口，因此對時序有很高的要求，為了保證時序，需要做精確的延時。測溫必須先完成ROM 設定，然后通過其提供的功能命令，首先讀ROM， 在程序中可以通過搜索ROM，ROM 匹配這些指令操作選定掛在一線上多個器件中某一個器件[1]。

4.2.濕度采集模塊

高濕會影響尿囊液的排除，造成幼雛毛過長，大肚皮，顯得笨重遲鈍；低濕會使蛋內水分蒸發過多，造成幼雛體小毛短。因此需要精準的數據傳輸和穩定性好的濕度傳感器。SHT10 應用專利的工業 COMS工程微加工技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性且該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。在使用時應選擇CRC 校驗，以保證I2C 通訊傳輸的數據可靠性。不加CRC 校驗時，可能會出現溫度、濕度讀數異常現象；增加了 CRC 校驗后，受干擾的數據將會被剔除，不會出現異常數據。所以本系統選擇 CRC 校驗，提高了抗干擾能力，防止溫度、濕度異常數據的出現[2]。

5.控制模塊

5.1.風機控制模塊

在孵化機的左右兩側上方各設有一排通風口，該通風口不但能夠通風換氣降溫，而且還起著調節上下溫差以及控制濕度的作用。良好的通風條件能夠提供給胚胎足夠的氧氣，同時排除二氧化碳，以保證胚胎的氣體代謝和生理功能的進行。孵化機的上部有個排風扇，我們可以對采集到的溫濕度和預設的溫濕度進行對比分析和控制，通過設置它的啟停個數以及時間控制通風換氣的周期和換氣時間。通過OUT0 口輸出與轉速相應的PWM 脈沖，改變輸出方波的占空比使負載上的平均電流功率變化，從而改變負載電機速度，控制風扇的轉速[3]。

5.2.電熱絲和加熱器控制模塊

溫濕度控制電路是從溫度傳感器和濕度傳感器中獲得溫度值和濕度值，根據溫濕度值控制加熱器和電熱絲的啟動和停止，以便于對孵化器的環境作出相應調整。本系統的加熱器系統采用兩個不同功率的電熱絲組合而成，一個為主加熱器，一個為輔加熱器；加濕器只用了一個電熱絲對水進行加熱，增加孵化箱內濕度。本系統通過光耦將加熱強電電路與單片機控制電路隔離，防止其干擾單片機的工作。使用繼電器功率驅動電路，將小電流驅動轉換為大電流驅動，使電熱絲在220v 電壓下工作。

5.3.翻蛋模塊

為定時地對盛放蛋的蛋架翻動一下，避免蛋發生粘連等問題。這里選用L298 這款高電壓、大電流電機驅動芯片，用來驅動后面的直流電機，進而控制翻蛋架的旋轉。為了保持翻轉角度的精確控制，選用了限位開關來控制。其中OUT1 和OUT2 控制翻轉的方向，配合限位開關控制翻轉的角度大小。

5.4.鍵盤和顯示模塊

根據用戶的需求調節系統相關的參數變量，包括溫度上下限值、濕度設定值，以保證系統可以工作在一個相對穩定的環境中工作。系統會顯示從單片機發送過來的顯示信息，比如溫度值、濕度值、溫度上下限值等，給用戶一個直觀的顯示，以便于控制系統根據顯示信息做出相應操作。

5.5.GPRS 遠程監控模塊

系統帶有自檢功能，當加熱設備或者風機出現故障，或者溫度超過預設最高上限或者低于最低下限，故障信號將通過GPRS 發送給遠程監控人員，及時處理，提高孵化率，減少損失。GPRS 通過RS232 串口與系統控制器連接，GPRS 模塊采用一款整合了GSM與GPRS 通信技術的模塊EM310。GPRS 模塊上電后，進行撥號連接。連接成功后，GPRS 模塊發送TCP 連接請求，在收到數據中心的響應后，認為握手連接成功，并通過心跳保持技術，保持永久在線，實現數據的雙向通信，從而實現遠程通訊、監測與控制[4]。

6.遠程孵化機自動控制系統的軟件設計

溫濕度系統是一種非線性的、滯后的、時變系統，是一個復雜的系統，孵化系統對溫度濕度的控制精度要求較高。尤其是溫度，微小的溫度變化都會顯著影響孵化時間和孵化率。控制器通過不間斷檢測孵化機內的溫度、濕度及有關信息，并根據預設的控制參數，對數據進行分析，控制風機和加熱設備工作，若發現異常，控制單元能輸出報警信號并通過GPRS 發送相關信息。通過GPRS 以一種短消息的方式將此信息發送給總控中心，完成對數據的采集工作，從而實現集中管理和監控，達到無人值守的目的。

系統流程如圖3 所示。

圖3 系統運行流程圖

7.總結

本系統對傳統孵化機控制方法進行了深入研究，結合孵化機自身特點和運行環境，提出了一套基于 GPRS 傳輸模塊，通過遠程、集中的方式對分散的孵化機進行監控，極大限度地節省勞動力，同時提高孵化率，具有很高的研究價值和商業價值。

[1] 吳亮.DS18B20 型數字溫度傳感器在煙葉烤房監測儀中的應用[J].國外電子元器件，2005，（10）.

[2] 張艷麗，張勇.基于SHT11 的溫濕度控制器[J].自動測量與控制，2007，（05）.

[3] 鄭憲偉，趙玉林.基于 AVR 單片機的直流電動機 PWM閉環調速系統的設計[J].煤礦機械，2008，（01）.

[4] 李映雪.基GPR 基站遠程實時監控系統研究[D].金華：浙江師范大學，2009.

[5] 韓力群.智能控制理論及應用[M].北京：機械工業出版社，2007.