禽舍環(huán)境智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 根據(jù)家禽的生理成長和活動(dòng)規(guī)律，智能動(dòng)態(tài)地調(diào)整禽舍環(huán)境，包括環(huán)境溫濕度、空氣流通量、空氣質(zhì)量等，這有利于養(yǎng)殖戶降低運(yùn)營成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)基于VB編程軟件設(shè)計(jì)，以MEGA16L單片機(jī)為核心，采用高精度數(shù)字溫室傳感器AM2305和溫度傳感器DS18B20對禽舍多點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測量、通過氨氣傳感器檢測室內(nèi)空氣質(zhì)量和使用K型熱電偶檢測爐溫為檢測數(shù)據(jù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過串口RS 232與下位機(jī)通信，下位機(jī)對各個(gè)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過繼電器隔離輸出對引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、小窗、加濕器、變頻風(fēng)機(jī)控制，以保障禽舍環(huán)境符合家禽的生理成長和活動(dòng)規(guī)律。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對環(huán)境的檢測、數(shù)據(jù)分析、存儲和顯示，智能控制輸出，同時(shí)具有精度高，模塊設(shè)計(jì)，簡單可靠，維護(hù)方便，抗干擾強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 智能控制； 實(shí)時(shí)監(jiān)控； VB； 禽舍環(huán)境

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0099?04

0 引 言

我國禽類養(yǎng)殖歷史悠久，尤其是改革開放以來得到了飛速發(fā)展，家禽飼養(yǎng)量、禽蛋產(chǎn)地均多年連續(xù)保持世界第一，禽肉產(chǎn)量世界第二。但與之形成鮮明對比的是，禽類養(yǎng)殖的生產(chǎn)條件簡陋，投入不足，效率和生產(chǎn)水平低下。隨著國家對畜禽產(chǎn)業(yè)的扶持力度的加大和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，家禽養(yǎng)殖規(guī)模化和現(xiàn)代化發(fā)展已成為必然。禽舍環(huán)境自動(dòng)控制是在現(xiàn)代化禽舍建筑和關(guān)鍵設(shè)備實(shí)施建設(shè)基礎(chǔ)上，通過對關(guān)鍵設(shè)備的智能控制，確保家禽生長環(huán)境適宜。家禽生長環(huán)境因素主要包括空氣溫度、濕度、空氣質(zhì)量、光照等，因此，禽舍的環(huán)境測控系統(tǒng)主要包含溫度調(diào)節(jié)、濕度調(diào)節(jié)、空氣質(zhì)量改善及光照強(qiáng)度控制等功能。國內(nèi)外家禽養(yǎng)殖的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：提高禽舍的智能化控制和管理水平，可充分發(fā)揮自動(dòng)化養(yǎng)殖技術(shù)的高效性，通過對關(guān)鍵參數(shù)溫度、濕度、通風(fēng)量和氨氣的監(jiān)控，使禽舍內(nèi)環(huán)境適應(yīng)禽類生長在不同季節(jié)、不同成長期的不同階段需求，以提高禽類的產(chǎn)量和質(zhì)量。隨著電子信息和機(jī)械制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，禽類養(yǎng)殖的關(guān)鍵設(shè)備也得到了飛速發(fā)展，使得自動(dòng)化控制成為可能。本文根據(jù)養(yǎng)殖戶的科學(xué)管理經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際需求，研發(fā)了一套高精度、穩(wěn)定可靠、價(jià)格適宜的禽舍環(huán)境智能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、處理、顯示、存儲，并可根據(jù)不同禽類的不同生長階段對環(huán)境狀況需求不同，通過對配套的各項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)（如排風(fēng)風(fēng)機(jī)、定時(shí)風(fēng)機(jī)、卷簾、小窗等）進(jìn)行智能化自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)減少工作量、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、降低運(yùn)營成本、提高生產(chǎn)效率，達(dá)到增產(chǎn)增收的目的。

1 系統(tǒng)概況

監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器檢測部分、關(guān)鍵設(shè)備驅(qū)動(dòng)部分、MEGA16L微控系統(tǒng)和帶VB界面的上位機(jī)分析處理環(huán)節(jié)四大部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

溫濕一體傳感器AM2301采集禽舍內(nèi)濕度信息，而禽舍內(nèi)為高濕環(huán)境，傳感器易損耗，因此舍內(nèi)溫度信號檢測選用DS18B20，鎧裝，多點(diǎn)檢測取平均值。當(dāng)某一傳感器故障時(shí)輸出故障報(bào)警提示更換傳感器，系統(tǒng)會繼續(xù)檢測其余傳感器，并取平均值以維持系統(tǒng)正常工作。若所有溫度傳感器均故障，系統(tǒng)顯示88.8 ℃并停止系統(tǒng)工作以防止系統(tǒng)失控，并輸出傳感器故障報(bào)警信號，提示立即更換傳感器。由于禽類糞便和禽舍內(nèi)墊物在高濕高溫環(huán)境下很容易產(chǎn)生大量的氨氣，氨氣的水溶解度很高，因此很容易被吸附在禽類皮膚黏膜和眼結(jié)膜上，從而引發(fā)各種炎癥，因此系統(tǒng)配備了氨氣傳感器，本系統(tǒng)選用4～20 mA電流輸出類型。爐溫溫度較高，選用K型熱電偶和MAX6675搭建了爐溫溫度采集電路。壓差傳感器選擇量程為0～50 Pa，輸出信號選擇4～20 mA電流信號，以提高系統(tǒng)的抗干擾性能。所有傳感器信號均送至MEGA16L微控器內(nèi)分析處理，配置鍵盤和LCD顯示屏形成下位機(jī)的獨(dú)立交互控制系統(tǒng)。通過對各參數(shù)分析以提升每個(gè)養(yǎng)殖季度和成長階段的養(yǎng)殖效率，相關(guān)信號同時(shí)送至VB編程的上位機(jī)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件組成

該系統(tǒng)以ATMEL公司的MEGA16L單片機(jī)作為核心處理芯片，其2.7～5.5 V的寬范圍工作電源適合電壓波動(dòng)較大的農(nóng)村電網(wǎng)環(huán)境工作，片內(nèi)16 KB FLASH程序存儲器足以滿足下位機(jī)編程需求，內(nèi)置的512 B E2PROM省去了外接E2PROM存儲電路，結(jié)構(gòu)更加簡單可靠。

為了提高系統(tǒng)的抗干擾性，電路設(shè)計(jì)采用主控電路（主板）與電源和驅(qū)動(dòng)電路（底板）分離。主板包含MEGA16L最小系統(tǒng)、串口工作方式的LCD19264液晶顯示電路、74HC147 10?4優(yōu)先編碼器搭建的7個(gè)獨(dú)立按鍵和DS1302時(shí)鐘電路和MAX232串口驅(qū)動(dòng)電路，如圖2所示。主板的PA、PC端子經(jīng)由端子排連接到底板，PA口用以檢測傳感器調(diào)理電路送至的信號，PC口經(jīng)74HC373鎖存輸出16路輸出信號。底板由ULN2803達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)電路、74HC373鎖存電路、歐姆龍大功率繼電器驅(qū)動(dòng)電路和電源電路組成。在本系統(tǒng)中電源電路考慮到成本、實(shí)用、可靠和功率選用最大電流為3 A的LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器搭建的+5 V和+12 V兩路獨(dú)立電源，分別為主板、傳感器和驅(qū)動(dòng)電路供電。

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)包含下位機(jī)控制程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)程序設(shè)計(jì)兩部分。下位機(jī)程序設(shè)計(jì)采用的集成開發(fā)環(huán)境為CodevisionAVR，主要包括系統(tǒng)主控子程序、參數(shù)設(shè)置子程序、傳感器通信子程序、禽舍內(nèi)溫度控制子程序、禽舍內(nèi)濕度控制子程序、通風(fēng)小窗控制子程序、禽舍內(nèi)氨氣控制子程序、定式風(fēng)機(jī)控制子程序、八路階梯排風(fēng)控制子程序、報(bào)警子程序（高低溫報(bào)警、高低壓差報(bào)警、傳感器故障報(bào)警）、數(shù)據(jù)顯示更新子程序、定時(shí)中斷子程序以及串口通信程序等的編寫。上位機(jī)軟件程序采用VB編程軟件開發(fā)平臺，基于模塊化設(shè)計(jì)方法，各模塊的編寫相互并列，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、圖形繪制、參數(shù)顯示、溫度控制、通信參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)分析處理及控制指令自動(dòng)判斷與發(fā)送等功能。

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)可以不依賴于上位機(jī)而單獨(dú)工作，系統(tǒng)的核心工作任務(wù)就是通過控制禽舍內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備使不同禽類、不同階段的禽類生活在最適宜的環(huán)境中，系統(tǒng)的控制規(guī)則見主程序流程圖3所示。下位機(jī)串口中斷子程序主要完成數(shù)據(jù)的接收和存儲，而具體的通信工作由串口服務(wù)子程序完成。采用RS 232通信，約定數(shù)據(jù)頭EE，數(shù)據(jù)尾FF EE CC GG，多個(gè)功能碼，波特率為9 600 b/s，8位數(shù)據(jù)、1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位。

下位機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行輸出狀態(tài)初始化、從E2PROM讀入各參數(shù)值并初始化、硬件系統(tǒng)初始化（如串口、定時(shí)器、LCD）和傳感器數(shù)據(jù)預(yù)采集等，并進(jìn)入等待狀態(tài)，等待用戶通過鍵盤進(jìn)行界面選擇以滿足不同季節(jié)環(huán)境需求。主程序的while循環(huán)中不斷查詢鍵盤是否按下，根據(jù)按鍵的鍵值不同可以分別對日期和時(shí)間參數(shù)修改以及系統(tǒng)中所有關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置，設(shè)置后的數(shù)據(jù)存入E2PROM，比便系統(tǒng)能夠在掉電重啟后正常工作。定時(shí)器0中斷工作方式為方式2，8位自動(dòng)重裝，中斷0程序完成與中斷相關(guān)的參數(shù)設(shè)置和更新標(biāo)志位Flag_ update定時(shí)置1。如果系統(tǒng)沒有按鍵按下，程序判斷Flag_update是否為1，當(dāng)其值為1時(shí)更新各傳感器信息、LCD19264液晶顯示信息，并根據(jù)各參數(shù)的控制規(guī)則得出輸出驅(qū)動(dòng)信號。

通過串口中斷的方式接收上位機(jī)發(fā)送的控制指令。主程序中調(diào)用中斷服務(wù)子程序，判斷上位機(jī)發(fā)送的指令類型并完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理工作，同時(shí)下位機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送檢測到的各傳感器數(shù)值至上位機(jī)分析顯示和控制。

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)可以很方面的實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)系統(tǒng)之間進(jìn)行信息交互，能夠更加容易對禽舍環(huán)境信息進(jìn)行分析控制，實(shí)現(xiàn)操作可視化，更加直觀，保存重要數(shù)據(jù)等功能。本文采用Visual Basic 6.0來編制上位機(jī)交互界面，VB是一種功能強(qiáng)大、簡單易學(xué)的程序設(shè)計(jì)語言。它不但保留了原先Basic語言的全部功能，而且還增加了面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)功能。它不僅可以方便快捷地編制適用于數(shù)據(jù)處理、多媒體等方面的程序，而且利用ActiveX控件MSComm還能十分方便地開發(fā)出使用計(jì)算機(jī)串口的計(jì)算機(jī)通信程序。本文涉及的禽舍環(huán)境信息實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制系統(tǒng)要求下位機(jī)控制系統(tǒng)可以獨(dú)立完成相應(yīng)的控制功能，上位機(jī)交互系統(tǒng)存儲并顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，以便養(yǎng)殖期后的數(shù)據(jù)分析，因此上位機(jī)界面設(shè)計(jì)相對簡單，上位機(jī)測試系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖3 下位機(jī)主程序流程圖

圖4 上位機(jī)測試系統(tǒng)界面

窗體加載時(shí)窗體中各個(gè)參數(shù)設(shè)置值、串口初始化，默認(rèn)通信方式，串行端口設(shè)置好后點(diǎn)擊連接按鈕，通信成功后按鈕后顯示燈由紅變綠，交互開始。下位機(jī)實(shí)時(shí)向上位機(jī)傳送傳感器采集數(shù)值和關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置值，上位機(jī)串口中斷存儲，在設(shè)定的timer（采樣間隔）內(nèi)對串口緩沖器內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，引用ADO對象將數(shù)據(jù)存入后臺數(shù)據(jù)庫中，并通過MsChart和MSFlexGrid控件在窗體中實(shí)時(shí)顯示，值得注意的是使用ADO對象前一定引用Microsoft ActiveX Data Object 2.5 Library。

4 結(jié) 語

本文針對禽舍內(nèi)對禽類生長影響的主要因素進(jìn)行分析，根據(jù)養(yǎng)殖戶現(xiàn)代化養(yǎng)殖的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的環(huán)境信息實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制系統(tǒng)，經(jīng)長期測試得出如下結(jié)論：

（1） 由于該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。

（2） 采用溫度傳感器DS18B20與數(shù)字式溫濕度傳感器AM2301結(jié)合檢測禽舍內(nèi)溫濕度，提高了測量的精度。

（3） 采用線性變壓器降壓，二極管整流，濾波后由LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器搭建的+5 V和+12 V兩路獨(dú)立電源，傳感器電源和驅(qū)動(dòng)電源分離，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。

（4） K型熱電偶和MAX6675搭建的爐溫溫度采集電路與原來的PT100溫度采集電路相比，不用調(diào)零，沒有漂移，性能更穩(wěn)定。

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