多環境參數控制的豬養殖箱設計及箱內氣流場分析

高 云，陳震撼，王 瑜，李小平，郭繼亮

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多環境參數控制的豬養殖箱設計及箱內氣流場分析

高 云1,2，陳震撼1,4，王 瑜1，李小平3，郭繼亮1

（1. 華中農業大學工學院，武漢 430070； 2. 生豬健康養殖協同創新中心，武漢 430070； 3. 華中農業大學動物科技學院，武漢 430070； 4.江西奧斯盾農牧設備有限公司，南昌 330115）

在規模化養殖中豬舍環境日益重要的背景下，為了便于研究豬舍內不同環境對豬健康的影響，該文設計了基于多環境參數控制的豬養殖箱。養殖箱采用氣流自循環的通風模式，通過ANSYS對該養殖試驗箱的氣流場走向、模式以及風速適宜性進行模擬仿真。該養殖箱利用環境因子檢測模塊中的傳感器集成節點和激光NH3傳感器實時獲取養殖箱內的溫度、相對濕度、NH3濃度、CO2濃度、風速等環境數據，并通過通信中轉節點STM32發送至主控制器可編程邏輯控制器（programmable logical controller，PLC），PLC對環境數據進行處理，并根據已處理的環境數據進行環境調控，實現箱內環境的自動控制。與此同時，PLC將環境數據上發至上位機PC，通過WinCC監控軟件實現了環境數據動態顯示，通過VB腳本實現了歷史數據自動定時導出至Excel文件功能。養殖箱氣流煙霧試驗、空箱試驗以及保育豬養殖試驗結果表明：養殖箱內氣流走向形成大循環，且通風無死角，養殖箱環境控制系統的溫度控制精度為±1℃，相對濕度可以控制在50%～80%的適宜范圍內，NH3濃度控制精度小于±3í10-6，CO2濃度可以控制在1540í10-6以下，養殖箱能夠在較長時間穩定運行的同時，實現了箱內溫度、相對濕度、NH3濃度、CO2濃度等環境因子精確控制，為不同環境的養殖試驗提供試驗平臺。

環境控制；溫度；風速；豬舍環境；ANSYS流場仿真

0 引 言

近年來，隨著中國生豬養殖向規模化、集約化的方向發展，豬舍環境控制在養豬生產過程中的重要性更加凸顯，豬舍環境狀況將直接影響豬的存活率、健康狀況、生產性能，進而影響豬肉產量和品質[1-3]。豬舍內環境溫度過高不僅會引起豬的熱應激反應，且會降低豬的進食量，增加料肉比[4-6]。溫度過低則會導致母豬生產成績下降，豬群抵抗力降低，并且降低飼料轉化率[7-9]。豬只為了維持自身恒定的體溫會不斷和周圍環境進行熱交換，其機體產生的熱量分為潛熱和顯熱。外界環境溫度越高，顯熱散失越少，機體更多通過潛熱即呼吸蒸發散熱。然而當外界環境為高溫高濕狀態時，環境濕度接近或已達到飽和狀態，呼吸蒸發受阻，豬核心體溫上升從而引發豬的熱應激反應，進而降低日增質量指標，影響豬的健康[10-13]。豬舍內有害氣體如NH3、CO2對豬的生長與健康有顯著影響[14-16]。仔豬舍內的NH3濃度高于50í10-6時，其日增質量降低10%以上[17]。NH3濃度由21.9í10-6增加到65.1í10-6時，豬呼吸病和萎縮性鼻炎的發病率大幅升高[17]。在高密度養殖環境下，豬舍內CO2濃度較高[18]，出于對豬的健康考慮，其生活環境中的CO2濃度應低于1540í10-6[19-20]。

國外眾多專家學者在豬舍環境控制方面開展了大量研究，如美國研究者Stinn[21]在美國中西部進行了育肥豬舍環境監測與控制試驗，為進一步研究豬舍環境控制提供了環境數據資料與環境控制方案。Seo等[22]建立了商品豬豬舍內溫度場、氣流場的計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）模型，為不同季節通風模式的選擇提供最優方案。德國Big Dutchman公司研發的集環境監測傳感裝置、微型控制器和環境調控設備于一體的綜合性環境控制系統，可實現對豬舍環境的完全自動化控制。瑞典Munters公司研發的MX2 Plus溫濕度控制器可過濾豬舍內的污濁空氣，在為豬舍提供更清新的空氣的同時，有效地調節舍內溫濕度，為豬提供更舒適的生活環境。

國內在豬舍環境控制的研究開發起步較晚，但近年來發展迅速。賀城等[23-24]將CFD技術應用于豬舍氣流場、溫度場的模擬研究，為豬舍內氣流控制和溫度控制提供了科學的理論支撐。賴國洪[25]在墊料式發酵床封閉式豬舍中建立了集環境因子采集、PLC控制、TD400文本顯示的一整套豬舍環境自動檢測與控制系統，通過傳感器檢測舍內環境溫度與濕度，墊料溫度以及NH3濃度等數據，并由S7-200 PLC控制濕簾-風機降溫系統、噴淋設備等，實現了南方密閉式豬舍內溫度、相對濕度、NH3濃度的自動控制。范留偉[26]設計了基于STM32單片機的豬舍環境監控系統，該系統以控制器局域網（controll area network，CAN）總線通信方式建立了檢測模塊與控制模塊之間的聯系，可實現舍內溫度、相對濕度、風速、光照及有害氣體的檢測與控制，并且通過CAN總線實現了下位機與上位機數據交互，便于豬場管理人員對舍內環境進行監控和環境參數設定。

豬舍環境控制系統的研究盡管有些成果，但這些研究成果主要實現了豬舍環境適宜度的提升，而應用于環境多變量控制試驗的控制系統還鮮有涉及。目前國內關于不同環境因子對豬生長影響的研究多為人工控制或半自動化控制模式，存在控制精度差、人工成本高等缺點，為了提高環境因子的控制精度，降低人工成本，需要為這些研究提供工作性能優良的環境多變量自動控制試驗平臺。

針對應用于豬舍多環境因子自動控制試驗平臺缺乏的問題，本文設計了基于氣參數的環境控制養殖箱，該養殖箱采用自循環的通風模式，利用環境因子檢測模塊實時獲取養殖試驗箱內的溫度、相對濕度、NH3濃度、CO2濃度、風速等數據，發送至主控制器PLC，一方面實現箱內多環境因子的自動控制，另一方面將環境數據上發至上位機，通過WinCC監控軟件實現環境數據動態顯示和自動定時存儲至Excel文件，該養殖試驗箱不僅可滿足不同的環境控制試驗需求，而且實現了環境控制自動化。

1 材料與方法

1.1 養殖試驗箱結構

養殖箱內部空間以飼養6頭保育豬或4頭生長豬為準，長×寬×高設計為2 m×1.5 m×2 m。糞槽深度以4頭生長豬每周排糞量為準，其深度設計為0.45 m，因此整體內部尺寸為2 m×1.5 m×2.45 m。大門位于正面墻壁外側中間部位，小門位于大門內側。正面墻壁上部靠左位置有3個半徑為0.063 m，圓心距為0.5 m的進風口，進風口對面墻壁的右下角有1個半徑為0.11 m的出風口，并在出風口處安裝1號風機，在靠近1號風機的內墻壁上安裝鍍鋅欄桿網，在鍍鋅欄桿網上放置1號傳感器節點和激光NH3傳感器，在進風口處放置2號傳感器節點。在門的對面墻角固定安裝飼料槽和飲水碗。養殖試驗箱內部結構如圖1a所示。養殖箱由主箱體、氣體混合箱、通風系統、環境調控設備等組成，外部結構如圖1b所示。

通風系統由1號風機、2號風機、通風管道組成。1號風機與2號風機同時工作，將養殖箱內的空氣抽入通風主管道，流經氣體混合箱，通過3個進風口吹入養殖箱內，在養殖箱內形成渦流后再次被抽入主管道，以此方式持續循環通風。

1. 1號傳感器節點 2.鍍鋅欄桿網 3.出風口 4.飼料槽 5.飲水碗 6.糞槽出口 7.漏縫地板 8.小門 9. 2號傳感器節點 10.進風口11.制冷壓縮機 12.氣體混合箱 13. NH3電磁閥 14. 1號風機 15.通風主管道風閥 16.廢氣風閥 17.抽糞泵 18.新鮮空氣風閥 19. 2號風機

環境調控設備由制冷機組、空氣加熱管、NH3電磁閥、風量調節閥等組成。空氣混合箱內的制冷機組銅管用以降低進入箱體的空氣溫度，空氣加熱管用來提升進入箱體的空氣溫度，如用制冷機組將空氣溫度降低至露點溫度以下，再輔以加熱管進行加熱，則可降低空氣中水份含量，從而在某種程度下降低進入箱體空氣的相對濕度。為了使養殖箱內的NH3維持在某設定濃度值，需根據NH3傳感器測得的濃度來控制NH3的進氣和排放，如果箱內NH3濃度大于設定濃度則控制廢氣風閥和新鮮空氣風閥，加大廢氣排放，增加新空氣進氣，降低NH3濃度，如NH3濃度小于設定濃度則開啟空氣混合箱上的NH3電磁閥，提升NH3濃度。

1.2 ANSYS氣流場模擬驗證

該文使用ANSYS 12.0軟件對該養殖試驗箱的氣流場走向和模式以及風速適宜性進行模擬仿真。試驗箱通風模式為負壓通風，入口邊界條件設為速度入口，風速為夏季最高通風模式2 m/s，出口邊界條件設為壓力出口[27-32]。按照6頭保育豬或4頭生長豬夏季最大通風量設計，進風口面積為0.0375 m2[33]，使進氣口總面積與出風口總面積相等，進風口設計為3個圓孔，出風口為單圓孔，得到進風口半徑為0.063 m，出風口半徑為0.11 m。流場模擬效果如圖2所示。

圖2 養殖試驗箱流場模擬效果圖

由圖2 a可知，氣流循環覆蓋整個養殖箱空間，豬生活區無通風死角。按照保育豬或生長豬站立高度取0.3 m，躺臥高度取0.1 m，由圖2b和圖2c可知，養殖箱內除去靠近出風口的位置外，距地板0.1 m高度和0.3 m高度平面上風速不高于0.4 m/s，風速基本處于豬只的耐受范圍。實際養殖箱在靠近出風口位置安裝有圍欄，防止豬只靠近，且控制系統可通過降低風機轉速來精確調節豬的過體風速。

在養殖箱內在0.1 m和0.3 m 2個水平高度上，距離箱壁為0.5 m水平均勻布置4個自制全向風速傳感器對仿真結果進行驗證，風速傳感器布置方法參照文獻[34]，全向風速傳感器為設計者前期的研制成品，傳感器參數及測量值的不確定性分析見文獻[35]。實地測量0.1 m高度風速約為0.25±0.02m/s，0.3 m高度豬活動區域風速約為0.31±0.11 m/s。2個水平高度的風速近似且4個點風速相近與仿真結果類似，實地測量通風無死角。由于該風速模擬為夏季最高通風模式下，實際在養殖試驗時，適宜溫度下控制進風口風速低于仿真試驗中設置。

1.3 養殖試驗箱控制系統

1.3.1 控制系統組成

養殖試驗箱控制系統框圖如圖3所示。系統由主控制器S7-200 PLC、環境因子檢測模塊、PC機和執行機構組成，主要完成多環境因子自動檢測與控制，以及環境數據監控和自動定時保存。S7-200 PLC與環境因子檢測模塊和PC機建立數據傳輸通道，與模擬量輸出擴展模塊EM232和繼電器組建立控制輸出通道。環境因子檢測模塊中的STM32F1作為通信中轉節點，將1號傳感器節點、2號傳感器節點、激光NH3傳感器檢測的溫度、相對濕度、NH3濃度、CO2濃度、風速等數據整理為數據包并通過串口發送至S7-200 PLC的RS-485通信端口Port 2，PLC程序對數據進行處理后，將已處理的環境數據通過通信端口Port 1實時上傳至PC機的WinCC監控軟件，實現環境數據動態顯示和自動定時存儲。與此同時，PLC向模擬量輸出擴展模塊EM232發出模擬量控制信號，進而調控2個風機的轉速和3個風閥的開合角度，向繼電器組發出數字量控制信號，進而控制制冷壓縮機、空氣加熱管、NH3電磁閥、抽糞泵和照明燈的開啟與關閉，從而實現箱內環境控制。

圖3 環境控制養殖試驗箱控制系統框圖

該文選用SIEMENS公司旗下S7-200系列中的CPU224XP繼電器輸出型PLC作為控制系統的主控制器；STM32F103ZET6為核心控制器的開發板作為通信中轉節點。傳感器節點使用課題組現有的集成有溫濕度傳感器、CO2傳感器和風速傳感器的集成節點；選用武漢弘光億源技術有限公司研制的激光NH3傳感器。執行設備包括制冷壓縮機、空氣加熱管、NH3電磁閥、抽糞泵、風機和風量調節閥等。執行設備參數如表1所示。

1.3.2 通信中轉程序設計

通信中轉節點STM32芯片的串口1（USART1）用于讀取1號傳感器節點的數據；串口2（USART2）用于讀取2號傳感器節點的數據；串口4（UART4）用于讀取激光NH3傳感器的數據；串口3（USART3）用于與PLC通訊。

表1 執行設備參數

1號傳感器節點與2號傳感器節點分別與通信中轉節點STM32的USART1和USART2進行數據傳輸。2個傳感器節點采樣周期為每2 s采集1個數據，每個傳感器節點每2 s檢測1次溫度、相對濕度、CO2濃度和風速，并分別發送至STM32的USART1和USART2。傳感器節點發送的數據格式為“起始字符+溫度字符+相對濕度字符+CO2字符+風速字符+校驗字符”，其中起始字符為2個字節的“FF 05”。溫度字符、相對濕度字符、CO2字符和風速字符均由高位字節和低位字節組成，高位字節可轉換為環境數據的實數部分，低位字節可轉換為小數部分，校驗字符為10個字節數據。因此2個傳感器節點的數據均為長度為20字節的字符串。

激光NH3傳感器通信方式為RS485通信，STM32串口的電平標準為TTL電平，因此激光NH3傳感器與STM32的通信端口之間連接TTL-RS485電平轉換模塊。STM32讀取NH3濃度的通信協議為STM32向激光NH3傳感器發送“:09NH0100C0 ”，傳感器檢測NH3濃度后應答“:09NH0104+ NH3濃度+校驗字符+ ”。其中應答語句中的NH3濃度為4位十六進制數。校驗字符共2字節，除去首端“:”和尾端“ ”的所有字符的ASCII碼之和對256.0取模。激光NH3傳感器的NH3濃度數據共17個字節。

控制系統依據激光NH3傳感器和1號傳感器節點的環境數據進行環境控制，2號傳感器節點起參照作用。在STM32接收到1號傳感器節點發送數據的同時，NH3讀數標志位NH3_Flag置1，STM32向激光NH3傳感器發送NH3濃度讀取指令，并隨即接收到NH3濃度讀取應答。為了便于PLC識別3個節點的數據，STM32在1號傳感器節點發送的字符串前增加“16#41”，即字符“A”；在2號傳感器節點發送的字符串前增加“16#42”，即字符“B”。在激光NH3傳感器發送的字符串前增加“16#43”，即字符“C”。因此環境因子檢測模塊的數據共有60字節。STM32與PLC通信的USART3波特率設置為9 600 Bd，在數據讀取完畢后統一由USART3發送至PLC的通信端口Port 0。

1.3.3 PLC程序設計

為了實現PLC與STM32之間的通信，首先設置通信端口Port 0的通信模式與接收模式。設定通信端口的通信模式為自由口通信，通信波特率為9 600 Bd，每個字符的數據位為8位，無奇偶校驗。設定接收模式應先設置特殊寄存器SMB87中的接收消息控制字節，再設置具體的消息接收條件。設置使用消息起始檢測功能，起始字符為“FF 05”；使用空閑線檢測功能，空閑線檢測時長為5 ms；設置最大接收字符數為60。

PLC接收到的3組環境數據需要進行字節調序和數值轉換以得到溫度、相對濕度、NH3濃度、CO2濃度、風速的實數值。對于1號傳感器節點的數據，使用For-Next循環語句建立1個最大循環次數為20次的循環判斷語句，其判斷字符是首端2個字節為“FF 05”。若判斷結果為假，則將首端1個字節的數據移動至尾端，并使用塊傳送指令BLKMOV_B將數據整體向前移動1個字節，繼續進行判斷。若判斷結果為真，則跳出循環，并將“FF 05”之后8個字節的有效數據提取出來存儲到VB50～VB57的存儲地址中。對于2號傳感器節點的數據，將“FF 05”之的8個字節的有效數據提取出來存儲到VB60～VB67的存儲地址中。對于激光NH3傳感器的數據，其循環判斷語句的判斷字符為“3A 30”，最大循環次數為17次。若判斷結果為真，則將“3A 30”之后的4個字節有效數據存儲至VB30～VB33中。字節調序模式如圖5所示。

注：1～20每個框為1個字節。

PLC通過數值轉換程序將有效環境數據進行實數化處理。1號傳感器節點的環境數據存儲至VB50～VB57中。溫度數值整數部分存儲于VB50中，小數部分存儲于VB51中；相對濕度數值整數部分存儲于VB52中，小數部分存儲于VB53中；風速數據存儲于VB54～VB55中；CO2數據存儲于VB56～VB57中。對VB50～VB57中的數據依次執行字節轉整數、整數轉雙整數、雙整數轉實數等指令轉換為實數值。其中溫度小數部分數值除以10之后與整數部分數值相加，得到1號傳感器節點溫度，存入變量存儲區VD320中。相對濕度小數部分數值除以10之后與整數部分數值相加，得到1號傳感器節點相對濕度，存入變量存儲區VD370中。風速數據經過數值轉換后存儲于VD406和VD416中，VD406中的數值與實數256.0相乘，再與VD416中的數值相加，最后將相加的和除以1000.0得到風速，并存入VD420中。CO2數據經過數值轉換后存儲于VD456和VD466中。VD456中的數值與256.0相乘后與VD466中的數值相加，最終得到CO2濃度，并存入VD470中。NH3濃度數據存儲區為VB30～VB33，數據類型為ASCII碼。對VB30～VB33中的數據依次執行ASCII碼轉十六進制數、整數轉雙整數、雙整數轉實數等指令轉換為NH3濃度實數值，并存儲于VD80中。

PLC程序對數據進行實數化處理后進入控制子程序，進行溫度、相對濕度、NH3濃度、CO2濃度等環境變量的控制。4周至8周日齡保育豬適宜環境溫度范圍為22～30 ℃，每周下降2 ℃。生長豬適宜環境溫度為18～22 ℃[33]。保育豬和生長豬生活環境相對濕度適宜范圍是50%～80%。

養殖箱控制系統通過控制制冷壓縮機和空氣加熱管的開啟與停機來調節環境溫度和相對濕度，控制流程如圖5所示。

圖5 溫濕度控制流程圖

PLC程序開始運行后，首先進行通信初始化設置，包括設置通信方式為自由口通信，波特率為9 600 Bd，起始檢測字符為“FF 05”，空閑線檢測時長5 ms，最大接收字符數60，并啟動接收模式。當數據接收完成時，進入數據處理中斷，對接收到的數據進行字節調序和實數化處理，由此開始溫濕度控制。首先判斷溫度或濕度是否在設定范圍內，若溫度過低，則開啟空氣加熱管使環境溫度上升；若溫度過高，且制冷壓縮機停機超過3 min，則開啟制冷壓縮機使環境溫度下降；養殖箱為封閉空間，豬呼吸作用和糞槽中的水產生較多濕氣，因此若濕度過高，則同時開啟制冷壓縮機和空氣加熱管進行除濕。

養殖箱控制系統通過控制通風閥門的打開角度和NH3補氣電磁閥的開閉控制養殖箱內的NH3濃度水平，通過控制通風閥門的打開角度降低CO2濃度，控制流程如圖6所示。

圖6 NH3、CO2濃度控制流程圖

出于對豬的健康考慮，其生活環境中的CO2濃度應低于1 540×10-6。使用接通延時定時器T33建立1個周期為60 s，占空比可變的PWM波控制NH3補充程序。若養殖箱內需維持10×10-6的NH3濃度，當補NH3程序的60 s定時結束時，如果NH3濃度介于7×10-6～9×10-6之間，則PWM波的占空比為1/120，NH3電磁閥開啟0.5 s。如果濃度介于5×10-6～7×10-6之間，則PWM波占空比為1/80，NH3電磁閥開啟0.75 s。如果濃度低于5×10-6，則PWM波占空比為1/60，NH3電磁閥開啟1 s。當NH3濃度介于11×10-6～13×10-6之間或CO2濃度介于1 540×10-6～1 740×10-6之間時，控制系統控制廢氣風閥和新鮮空氣風閥的調風板打開角度為30°，控制主管道風閥調風板打開角度為60°。當NH3濃度介于13×10-6～15×10-6之間或CO2濃度介于1 740×10-6～1 940×10-6之間時，控制系統控制廢氣風閥和新鮮空氣風閥的調風板打開角度為60°，控制主管道風閥調風板打開角度為30°。當NH3濃度高于15×10-6或CO2濃度高于1 940×10-6之間時，控制系統控制廢氣風閥和新鮮空氣風閥的調風板打開角度為90°，控制主管道風閥調風板打開角度為0°。

定時照明功能的實現是通過指令READ_RTC讀取實時時鐘，設定開燈與關燈時間點，實現定時照明。特殊寄存器SMB0的狀態位SM0.5提供了1個周期為1 s，占空比為50%的時鐘脈沖，使用上升沿觸發READ_RTC指令讀取PC機的實時時鐘，并以十六進制數的形式存儲至以VB1010為首地址的8個字節存儲區中。地址VB1013存儲小時數值，可自主設置每天的開燈與關燈時間節點。

4頭生長豬每天排糞量為1.6×10-2m3，每周排糞量為0.112 m3，因此糞槽液面高度每周上升0.037 m，考慮加上落入糞槽的水和飼料，按豬浪費水和飼料占消耗量的5%估算[33]，糞槽液面高度每周總共上升約0.05 m，加上水泡糞模式下水深為0.2 m，則每周需抽出0.75 m3糞水混合物。抽糞泵的流量為45 L/min，工作16.7 min可將0.75 m3的糞污抽出糞槽。設計抽糞泵每周工作1次，工作時長為15 min。定時抽糞以READ_RTC指令讀取的PC機實時時鐘的星期數為準。

1.3.4 監控軟件設計

養殖箱控制系統監控界面由標題欄板塊、環境數據顯示板塊、設備運行狀態顯示板塊和報警指示燈顯示板塊組成，控制系統監控界面如圖7所示。

注：為運行狀態，為停止狀態

標題欄板塊中的日期窗口、星期窗口和時間窗口分別與系統變量Sysinfo_Date、Sysinfo_Week、Sysinfo_Time相關聯，設置I/O域類型為輸出類型，更新周期為1 s，即可顯示系統時鐘信息。環境數據板塊中的實時環境數據窗口分別與相對應的環境數據所在的存儲地址關聯起來，設置I/O域類型為輸入/輸出類型，實時環境數據窗口即可實現環境數據動態化顯示。設備運行狀態顯示板塊實時顯示執行設備的運行狀態。對于依靠模擬量信號控制的風機和風閥，則設置其電壓控制信號高于0時顯示運行狀態，等于0顯示停止狀態。報警指示燈顯示板塊將溫度上限、溫度下限、NH3濃度上限、NH3濃度下限與報警指示燈關聯起來，如果實際環境數據超出設定范圍，則報警指示燈閃爍，并有語音報警。

為了實現環境數據收集，在WinCC組態軟件中設計了基于VB腳本的歷史數據自動導出功能，實現養殖箱溫度、相對濕度、風速、CO2濃度和NH3濃度數據以設定的周期定時自動導出至指定的Excel文件中，其VB腳本包括四大板塊，分別為打開Excel模板、設置查詢條件、創建數據庫連接并查詢數據、填充數據至Excel文件。

2 結果與分析

2.1 養殖箱氣流煙霧試驗

2.1.1 氣流試驗步驟

氣流煙霧試驗材料包括GoPro Hero 5攝像機，煙霧餅，黑卡紙，壁掛燈。GoPro Hero 5攝像機為美國GoPro公司生產的運動攝像機，用來拍攝煙霧在箱內的流動效果圖片。煙霧餅在燃燒時可產生較濃的煙霧，養殖箱通風系統中的風機驅動煙霧在箱內流動，可通過觀察煙霧的流通路徑檢驗實際情況與ANSYS氣流場走向和模式是否一致。黑卡紙用以覆蓋淺色墻壁，便于觀察煙霧的準確流通路徑。壁掛燈用來提供觀察煙霧流通路徑必要的光照。

試驗目的在于驗證實際情況與ANSYS模擬的氣流場走向和模式相同。氣流煙霧試驗方法的制定主要應考慮煙霧通過何種方式進入箱內可使進入箱內的煙霧較濃以便觀察，并且箱內背景如何布置可以更清晰地表現出煙霧流通路徑。為了使進入箱內的煙霧較濃，首先應使風機處于停止工作狀態，在空氣混合箱中點燃煙霧餅，等待煙霧餅充分燃燒并產生大量濃煙后再開啟風機，此時集中于空氣混合箱內的大量濃煙在風機推動下統一流過通風管道，并通過3個進風口流入箱內。為了使GoPro Hero 5攝像機能夠拍攝到清晰的煙霧流通路徑，攝像機固定在攝像機支架上，并緊靠養殖箱內一側墻壁，高度為1 m。另外應在攝像機拍攝的主要背景墻壁上貼滿黑卡紙，在進風口對面墻壁上安裝一個照明燈，在地板上也安裝一個照明燈，黑色背景與白色煙霧可形成較大的顏色反差，并且借助壁掛燈的光照，攝像機可以拍攝到清晰的煙霧流通路徑圖片。

2.1.2 試驗結果分析

按照制定的試驗方法進行氣流煙霧試驗，試驗效果如圖8所示。圖8中，煙霧進入箱的動作依按圖片間的箭頭順序，煙霧通過3個進風口進入養殖箱后，先到達對面墻壁，然后沿著墻壁向下到箱底，從箱底沿地面回轉，最后彌散到整個箱體內，形成氣流循環。由此可知，氣流在風機的驅動下進入養殖箱內，緊貼箱體天花板流向對面墻壁，并在天花板的阻擋和風力推動下沿著墻壁向下流動，隨后沿著地面向進風口所在墻壁流動，此時氣流的動壓減小彌散到整個箱體空間，形成整個箱體內的氣流循環。因此，此煙霧試驗驗證了實際情況與ANSYS氣流場走向和模式相同。

圖8 養殖箱流場煙霧試驗

2.2 養殖箱空箱試驗

為了在動物養殖試驗之前檢驗養殖箱的使用性能，對養殖箱進行空箱試驗。溫度傳感器的工作范圍為-10～135 ℃，精度為±0.1 ℃。濕度傳感器的測量范圍為0～100%，精度為±3%；NH3傳感器的測量范圍為0～100×10-6，精度為±1×10-6；CO2傳感器的測量范圍為0～10 000×10-6，精度為±1×10-6。

空箱試驗起止時間為2017年8月31日18時至9月1日18時，溫度控制設定范圍為22～24 ℃，NH3濃度設置為10×10-6，試驗數據曲線如圖9所示。

圖9 空箱試驗環境數據曲線圖

養殖箱內的起始溫度為29 ℃，已超過設定的最高溫度值24 ℃，控制系統控制制冷壓縮機開始工作，降低箱內環境溫度。當溫度降低至23.5 ℃時，制冷壓縮機停止工作，但由于氣體混合箱中的制冷銅管在壓縮機停止工作后仍有制冷效果，養殖箱內的溫度繼續下降。當溫度低于設定的最低溫度值22 ℃時，控制系統控制空氣加熱管開始工作，提高箱內環境溫度。當溫度升高至22.5 ℃時，空氣加熱管停止工作，養殖箱內的環境溫度即可維持在22～24 ℃之間。由于進行空箱試驗時的天氣較干燥，箱內未養豬，因此不產生濕氣，且制冷壓縮機和空氣加熱管具有除濕作用，養殖箱內的相對濕度維持在30%～50%之間。圖10a中，養殖箱內的溫度介于22～24 ℃之間，去掉開機后前30 min的數據后，溫度值為（23.10±0.76） ℃；相對濕度介于30%～50%之間，去掉開機后前30 min的數據后，濕度值為42.98%±8.72%。

養殖箱內的起始NH3濃度為0，控制系統開始運行后，PLC根據NH3傳感器檢測的實時NH3濃度控制NH3電磁閥，將NH3注入箱內，NH3濃度上升并在8～12×10-6范圍內波動。空箱內無CO2產生源，因此CO2濃度未超過設置的最高值1 540×10-6，而是處于500×10-6左右之間。在圖10b中，養殖箱內的NH3濃度介于8～12×10-6之間，去掉開機后前30 min的數據后，均值為11×10-6±2.50×10-6；CO2濃度在500×10-6左右，去掉開機后前30 min的數據后，均值為492.11×10-6±4.09×10-6。

根據空箱試驗的結果可知，養殖箱控制系統對溫度的控制精度為±1 ℃，對NH3濃度的最佳控制精度可達 ±2.50×10-6，養殖箱控制系統的控制性能良好。

2.3 保育豬養殖試驗

此次保育豬養殖試驗的試驗對象為華中農業大學精品豬場預定的6只大白保育豬，出生日期為2018年1月30日，日齡40 d左右，質量為10±1.5 kg。飼喂方式為自由采食自由飲水，上午九點喂料，飼料為教槽料。喂料量為每天每頭1 kg，即每天向飼料槽中添加6 kg教槽料。清糞方式為每周1次。

本次養殖試驗時間為2018年3月12日至2018年4月2日，共3周。由于試驗豬日齡未到6周，按保育豬生長最佳適宜溫度隨日齡增加溫度降低，因此設定養殖箱溫度由27±1 ℃開始每周下降2 ℃，即第1周的溫度控制范圍為26～28 ℃，第2周為24～26 ℃，第3周為22～24 ℃。相對濕度控制范圍為50%～80%，CO2濃度控制在1 540×10-6以下，為了研究NH3對豬肺纖維化的影響，NH3濃度控制在50×10-6左右，養殖試驗數據曲線如圖10所示。

圖10a中，第2周的養殖箱內溫度介于24～26℃之間，去除掉開機后30 min及第2周至第3周溫度切換30 min數據后，平均值為（24.81±0.84）℃，第3周的溫度介于22～24 ℃之間，去除掉第2周至第3周溫度切換30 min數據后平均值為（23.76±0.50） ℃，相對濕度介于60%～80%之間，平均值為74.05%±6.64%。根據武漢市歷史天氣記錄，3月20日前后最低氣溫為2 ℃，4月1日前后最高氣溫達到28 ℃，且經過實地測量，養殖箱周圍最高氣溫達到31.2 ℃。因此本次試驗期間的箱外環境溫度變化較大，但根據圖10a中的溫度曲線可知，雖然外界環境溫度過低或過高會導致箱內溫度有下降或上升的趨勢，但養殖箱控制系統穩定地控制箱內的溫度使溫始終保持在設定值范圍內，且溫度較為穩定控制精度小于±1 ℃。

在圖10b中，NH3濃度數值整體介于47×10-6～53×10-6之間，平均值為50.18×10-6±2.85×10-6，CO2濃度大部分低于1 540×10-6，平均值為1 338.5×10-6±150.3×10-6。NH3濃度控制精度小于±3×10-6，CO2濃度基本可以控制在1 540×10-6以下。

圖10 養殖試驗環境數據曲線圖

綜合以上空箱及保育豬養殖試驗結果可知，養殖箱環境控制系統的可對箱內空氣溫度進行精度控制，控制精度為±1℃，相對濕度可以控制在50%～80%的適宜范圍內，NH3濃度控制精度小于±3×10-6，CO2濃度基本可以控制在1 540×10-6以下。國內外的環境控制養殖試驗大部分都是對現有的豬舍進行環境控制改造，密封性差，控制精度遠大于該文養殖箱控制精度，且很難做到穩定的有害氣體的控制[36-38]。該文中養殖箱控制系統能夠在長時間穩定運行的同時，實現了箱內溫度、相對濕度、NH3濃度、CO2濃度等環境因子精確控制。

3 結 論

本文以PLC控制技術為核心，設計了多環境參數控制的豬養殖箱，實現了箱內溫度、相對濕度、NH3濃度、CO2濃度等環境參數的自動檢測與控制。

1）用ANSYS對該養殖試驗箱的氣流場走向和模式以及風速適宜性進行模擬仿真，養殖箱內除去靠近出風口的位置外，距地板0.1 m高度和0.3 m高度平面上風速不高于0.4 m/s，風速基本處于豬只的耐受范圍，且與實測風速基本相符。

2）基于主控制器S7-200 PLC、環境因子檢測模塊、PC機和執行機構的控制系統可以滿足整個養殖試驗環境控制要求，并實現了環境因子監測和控制流程和監控組態的數據記錄及顯示。

3）空箱及動物養殖試驗結果表明，養殖箱環境控制系統的溫度控制精度為±1 ℃，相對濕度可以控制在30%～80%的適宜范圍內，NH3濃度控制精度小于±3×10-6，CO2濃度可以控制在1 540×10-6以下，養殖箱環境控制系統能夠在長時間穩定運行的同時，實現了箱內溫度、相對濕度、NH3濃度、CO2濃度等環境因子精確控制。

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Design for pig breeding chamber under multiple environment variable control and analysis of internal flow field

Gao Yun1,2, Chen Zhenhan1,4, Wang Yu1, Li Xiaoping3, Guo Jiliang1

(1.,,430070,;2.,430070,;3430070,; 4.330115,)

In the context of the increasing importance on environmental control in large-scale pig farming operations, more attention is being given to the research on different environmental impacts on pig health. In order to conduct variable environments for pig health experiments, a pig breeding chamber under multiple environment variable control was designed in this paper for more precise environmental control experiments. The pig breeding chamber was composed of 4 parts, the main chamber, the air mixing box, the environmental regulation executing devices, and the environmental control system. The main chamber was the living space for experimental animals. The air mixing box was used to regulate the air variables, such as temperature, relative humidity, NH3and CO2concentration, before the air entering the main chamber. The environmental regulation executing devices involved the fans, the air valves, the air conditioning compressor, the air heating pipe, the electromagnetic valve for NH3. Then the environmental control system read environment variables through sensors and controlled the working of all the environmental regulation executing devices to limit the environment variables in the main chamber in a setting range. Main ventilation mode of the pig breeding chamber was self-circulated. A fan working at the outlet built a negative pressure to exhaust the airflow entering the main chamber through the air mixing box and the ventilation pipe. The air flow entered the main chamber through three air inlets, dissipated in the chamber and then was exhausted from the outlet, thereby forming the air circulation. The air conditioning compressor and air heating pipe in the air mixing box could cool down or heat up the airflow respectively, and the electromagnetic valve for NH3gas could increase NH3concentration of the airflow. The exhaust air valve was working with the fresh air valve to reduce NH3concentration or CO2concentration in the chamber. The airflow in the main chamber was optimized previously by ANSYS flow field simulation. The environmental control system of the chamber was composed of environmental variable detection module, S7-200 PLC (Programmable Logical Controller), and host computer. The environment variable detection module sampled all the environmental data, such as temperature, relative humidity, air velocity, NH3concentration, and CO2concentration, and sent to a STM32 microcontroller every 2 seconds. The program embedded in STM32 integrated these data into one data packet and sent them to the S7-200 PLC through a serial port. The S7-200 PLC transferred the data to the host computer and simultaneously calculated out control instructions to control environmental regulation executing devices, limited the chamber’s internal environments to a setting range. Besides, the manure pump and LED lights were also controlled by the PLC to realize automatic manure cleaning and lighting timing. The host computer realized dynamic and real-time display and storage of environmental data. The running states of the executing devices were showed on the screen through WinCC monitoring software. Three tests for the pig breeding chamber were conducted, including the smoke test for air flow field, an empty chamber test and a full-loaded chamber test. The smoke test of air flow field verified the airflow pattern, which was simulated by ANSYS previously. Result showed the smoke formed a circle in the main chamber and dissipated all through the chamber without leaving any dead space. The test in the empty chamber verified the function and performance of the control system. The results of the environmental test with animals loaded showed that the control precision of temperature was limited within ±1℃, the relative humidity could be controlled within the pig comfortable range of 50%-80%, theoscillations of NH3concentration were limited less than ±3×10-6when the setting value of NH3concentration was 10×10-6, and the concentration of CO2could be controlled below 1 540×10-6basically, which was a standard for animal health. During the full-loaded experiment, which lasted for almost 3 weeks, temperature, relative humidity, NH3and CO2concentrations variables inside the chamber were accurately controlled. This shows the pig breeding chamber can provide an effective platform for more precise pig, especially nurseries, breeding experiments under variable environments and potentially helps improve the research method to reveal the relationship between pigs and their environments.

environmental control; temperature; air velocity; pig building environment; ANSYS flow field simulation

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.026

S223.2+5

A

1002-6819(2019)-02-0203-10

2018-09-01

2019-01-03

“十三五”國家重點研發計劃項目（2016YFD0500506）；國家自然科學基金（31872402）；中央高校自主創新基金（2662018JC003）

高 云，副教授，博士，主要從事農業智能檢測與控制方面的研究。Email：angelclouder@mail.hzau.edu.cn

中國農業工程學會會員：高 云（E041700006M）

高 云，陳震撼，王 瑜，李小平，郭繼亮. 多環境參數控制的豬養殖箱設計及箱內氣流場分析[J]. 農業工程學報，2019，35(2)：203－212. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.026 http://www.tcsae.org

Gao Yun, Chen Zhenhan, Wang Yu, Li Xiaoping, Guo Jiliang. Design for pig breeding chamber under multiple environment variable control and analysis of internal flow field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(2): 203－212. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.026 http://www.tcsae.org