李春滨:封闭式蛋鸡舍环境控制系统的设计

蛋鸡舍在结构上是一个全封闭的系统，鸡舍内部环境受设计结构的制约和影响，形成了不同于外界环境的所谓“鸡舍小气候”，主要包括室内的温度、湿度、光照、二氧化碳、氨气和硫化氢等要素^[1-4]。鸡舍结构的全封闭性又决定了鸡舍与外界的物质与能量交换，进而会引起鸡舍小气候环境的变化，这种变化在一定程度上又会影响蛋鸡的生长及其产蛋率^[5-6]。由此，本文设计的鸡舍环境监控系统主要功能是实现鸡舍内温度、湿度、光照度和有害气体(二氧化碳、氨气和硫化氢)浓度等环境因子的智能监测和控制。

1 系统构建

本监控系统采用上位机周期性地向各个监测点发送监测命令，并接收各个监测点送来的数据，对所采集数据进行处理、显示和保存，且对专门控制湿帘风机(包括喷雾)单元发送执行指令，从而实现对执行机构的控制，如图1所示。

图t 封闭式蛋鸡舍环境控制系统图

1．1 上位机

本设计上位机为PC机。上位机主要功能是：一是通过Rs一485串行通讯，向下位机发送数据采集命令，并可接收下位机传送的传感器所采集的数据；二是在上位机界面，设定下位机的地址分站号、时间、报警上下阈值和控制参数；三是对采集数据进行显示和数据库保存，并能发出执行机构所需指令；四是对历史数据进行查看，并可进行历史曲线显示、分析和打印等。 

1．2 智能监控点

4个智能监测点和1个控制点即下位机，采用PHILIPS公司的ARM系列型号为LPC2132单片机，作为微控制器，采用8路开关量输出和环境因子数据输入。其中，环境因子数据包括温度、湿度、光强、二氧化碳、氨气和硫化氢等6个量。智能监控点的原理框图，如图2所示。

鸡舍温湿度控制是本课题的一个重要研究对象，鸡舍温湿度具有如下特点：非线性、分布不均匀性、时变性、控制时延性、多变量祸合性等。同时，执行机构(如湿帘风机)的动作也不仅仅影响某一个因子，如对有害气体(二氧化碳、氨气和硫化氢)浓度也有影响，因而对其实现精确控制具有一定难度，需要系统多方面的协调配合。因此，对该系统采取了全闭环控制的策略，即当室内温湿度升高时，传感器将采样到的值传至控制单元，控制单元通过与用户设定值比较，当偏差绝对值大于用户设定的偏置值时，发出指令使执行机构动作，其控制过程如图3所示。该闭环控制同样适用于对光照度和有害气体(二氧化碳、氨气和硫化氢)浓度等环境因子的调控。

智能监控点实现的主要功能如下：一是可以将采集来的数据在显示器上进行显示；二是可通过不同类型的传感器采集温度、湿度、光强、二氧化碳、氨气和硫化氢等数据，并能进行对温度、湿度、光强、二氧化碳、氨气和硫化氢等环境因子的控制，其中温度、湿度可先通过模糊控制算法进行控制；三是可以通过键盘设置参数，如声光报警，能接收上位机命令，实现参数设置和输出控制；四是可以通过串行通信接口接收上位机发送的命令，并把采集到的数据和控制信息传输至上位机，实现和上位机的通讯；五是实时时钟控制，可提供系统数据采集时间显示和按时间存储数据；六是可通过按键方式来进行手动／自动控制方式的切换；七是可以实时切换到对某一个或某几个监测量的调控。

2 系统硬件的选择及其典型电路设计

根据封闭式蛋鸡舍环境特征，选择不同测量功能的传感器，应具有长期的稳定性，能使系统真正做到快速反应，调控环境效果高效，且数据采集范围应符合蛋鸡活动的环境因子要求。为此，在进行系统硬件设计时，分别选择了数字温度传感器DS18B20，HU－MIREL公司的高分子电容式湿度传感器HS1101，美国TAGS公司推出的光强度数字转换芯片TSL2561。

有害气体浓度的监测传感器分别为：co₂浓度传感器选用美国FIGARO公司生产的TGS4160，NH₃传感器选择的型号为MIC—NH3智能传感器，硫化氢传感器选择的型号为(H2S传感器)M-100。

2．1 温度测量电路的设计

DS18B20有两种供电方式：寄生电源和单独供电。本课题为确保测量结果的精确度，采用单独供电方式。图4为蛋鸡舍温度测量电路，单总线P0.15连接单片机LPC2132引脚PO.15／EINT2，其上拉电阻为4.7k欧，当总线闲置时，其工作状态为高电平。

2．2 湿度测量电路的设计

蛋鸡舍湿度传感器HS1 101作为可变电容与单片机LPC2132管脚P0．17相连。控制电压端之所以用电阻R1=909k欧，而不用O.1μF电容，是为了匹配湿度传感器HS1101的温度系数而引进的一个温度系数。R3=1k欧是短路保护电阻，为了使占空比尽量接近50％ ，R4要选得比R2小得多，但应保证电路的输出频率在6660Hz附近，此处选R4=49.4kQ，R2=
576k欧，具体如图5所示。

2．3 光强测量电路的设计

蛋鸡舍光强传感器TSL2561，通过I₂C总线协议访问，单片机LPC2132内部带有I₂C总线控制器，将该总线的时钟线和数据线直接与TSL2561的I₂C总线的SCL和SDA分别相连，INT引脚与单片机LPC2132的外部中断引脚EINT3相连。光强测量电路如图6所示。

2．4 二氧化碳测量电路的设计

为了使蛋鸡舍二氧化碳传感器保持在最敏感的温度上，一般需要给加热器提供加热电压进行加热，但是加热电压的变化将直接影响传感器的稳定性，因此加热电压必须稳定，其范围应在(5．0±0．2)VDC之内，此处管脚1接5．0V电压。CO：测量电路，如图7所示。TGS4160型CO₂传感器的输出电压为(0-3.0)V，所以可以采用3.3V参考电压，并可与单片机
LPC2132的A／D转换引脚P0.27直接相连。

3 蛋鸡舍环境监控系统的软件设计

3．1 典型鸡舍温湿度测控主程序设计

当蛋鸡舍内温度≥目标温度+温度偏置(温度设定上限)时，启动湿帘外翻窗，在湿帘外翻窗打开至终点时，外翻窗电机终点限位开关闭合，闭合信号传回控制器后，控制器撤销“湿帘外翻窗开”信号，同时驱动风扇和湿帘运行。当鸡舍内温度≤ 目标温度+温度偏置(温度设定下限)，关闭风扇和湿帘进入系统定时，定时时间到时，一次控制流程结束，其程序控制流程如图8所示。

当蛋鸡舍内湿度≤目标湿度+湿度偏置(湿度设定下限)时，启动喷雾装置进行清水喷雾，从而使鸡舍的湿度有所回升；当鸡舍的湿度≥目标湿度+湿度偏置(湿度设定上限)时，关闭喷雾装置，进入系统定时，定时时间到时，鸡舍内湿度一次控制流程结束。

3．2 蛋鸡舍温度采集程序设计

鸡舍温度控制系统采用美国DALLAS公司生产的可编程序数字式DS18B20的温度传感器，它直接输出数字信号，并且不需要进行信号放大，采用单总线结构，无需外接其它元器件。DS1 8B20单线通信功能是分时完成的，遵循严格的时间概念，而单片机LPC2132对其各种操作必须严格按协议进行，否则将无法读取温度数据。蛋鸡舍温度采集程序流程图，如
图9所示。

4 蛋鸡舍环境控制系统的试验

设计的蛋鸡舍环境控制系统分别进行了温度和湿度测控试验，试验时间为2008年7月29日-8月2日，试验地点在江苏启东市北新镇。为了比对温湿度的测量值精度，在鸡舍空间不同部位布设干湿球温度计，试验选取鸡舍内距门9，37，79，107m等4个位置断面，对高度方向温度分布状态进行了分析，如图10所示。从高度方向看，鸡笼前后两端高度方向温差并
不大，这是由于鸡笼两端分别更靠近进风口和排风口，受渗漏热风和出舍热风影响较大的缘故。中间部分笼架由于受渗漏热风和出舍热风影响小，从笼底到笼顶总体呈现出逐渐增高的态势，这与热空气密度小、分布位置相对较高等因素有关。与没有采用环境调控系统蛋鸡舍相对照，采用环境调控系统的鸡舍蛋鸡产蛋率要高出15．3％ ，这说明所设计的封闭式蛋鸡舍环境监测与调控系统，在家禽养殖业极具重要推广意义。

图lO 夏季舍内高度方向温度分布

5 结束语

封闭式蛋鸡舍环境系统是基于现场控制的，在下一步的研究工作中，将利用PC的上网功能与Internet网络连接，将现场采集数据实时发送到监测预警控制中心数据库服务器，实现远程监测调控鸡舍环境。