摘 要： 根據家禽的生理成長和活動規(guī)律，智能動態(tài)地調整禽舍環(huán)境，包括環(huán)境溫濕度、空氣流通量、空氣質量等，這有利于養(yǎng)殖戶降低運營成本，提高經濟效益。該系統(tǒng)基于VB編程軟件設計，以MEGA16L單片機為核心，采用高精度數(shù)字溫室傳感器AM2305和溫度傳感器DS18B20對禽舍多點溫濕度數(shù)據實時測量、通過氨氣傳感器檢測室內空氣質量和使用K型熱電偶檢測爐溫為檢測數(shù)據的智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過串口RS 232與下位機通信，下位機對各個檢測數(shù)據進行分析，通過繼電器隔離輸出對引風機、送風機、小窗、加濕器、變頻風機控制，以保障禽舍環(huán)境符合家禽的生理成長和活動規(guī)律。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對環(huán)境的檢測、數(shù)據分析、存儲和顯示，智能控制輸出，同時具有精度高，模塊設計，簡單可靠，維護方便，抗干擾強，經濟適用等特點。

關鍵詞： 智能控制； 實時監(jiān)控； VB； 禽舍環(huán)境

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： 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、禽蛋產地均多年連續(xù)保持世界第一，禽肉產量世界第二。但與之形成鮮明對比的是，禽類養(yǎng)殖的生產條件簡陋，投入不足，效率和生產水平低下。隨著國家對畜禽產業(yè)的扶持力度的加大和現(xiàn)代農業(yè)技術的迅速發(fā)展，家禽養(yǎng)殖規(guī)?；同F(xiàn)代化發(fā)展已成為必然。禽舍環(huán)境自動控制是在現(xiàn)代化禽舍建筑和關鍵設備實施建設基礎上，通過對關鍵設備的智能控制，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、空氣質量、光照等，因此，禽舍的環(huán)境測控系統(tǒng)主要包含溫度調節(jié)、濕度調節(jié)、空氣質量改善及光照強度控制等功能。國內外家禽養(yǎng)殖的實踐經驗表明：提高禽舍的智能化控制和管理水平，可充分發(fā)揮自動化養(yǎng)殖技術的高效性，通過對關鍵參數(shù)溫度、濕度、通風量和氨氣的監(jiān)控，使禽舍內環(huán)境適應禽類生長在不同季節(jié)、不同成長期的不同階段需求，以提高禽類的產量和質量。隨著電子信息和機械制造技術的迅猛發(fā)展，禽類養(yǎng)殖的關鍵設備也得到了飛速發(fā)展，使得自動化控制成為可能。本文根據養(yǎng)殖戶的科學管理經驗和實際需求，研發(fā)了一套高精度、穩(wěn)定可靠、價格適宜的禽舍環(huán)境智能實時監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了多參數(shù)的實時采集、處理、顯示、存儲，并可根據不同禽類的不同生長階段對環(huán)境狀況需求不同，通過對配套的各項關鍵設備參數(shù)（如排風風機、定時風機、卷簾、小窗等）進行智能化自動控制，從而實現(xiàn)減少工作量、降低勞動強度、降低運營成本、提高生產效率，達到增產增收的目的。

1 系統(tǒng)概況

監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器檢測部分、關鍵設備驅動部分、MEGA16L微控系統(tǒng)和帶VB界面的上位機分析處理環(huán)節(jié)四大部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

溫濕一體傳感器AM2301采集禽舍內濕度信息，而禽舍內為高濕環(huán)境，傳感器易損耗，因此舍內溫度信號檢測選用DS18B20，鎧裝，多點檢測取平均值。當某一傳感器故障時輸出故障報警提示更換傳感器，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警信號，提示立即更換傳感器。由于禽類糞便和禽舍內墊物在高濕高溫環(huán)境下很容易產生大量的氨氣，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微控器內分析處理，配置鍵盤和LCD顯示屏形成下位機的獨立交互控制系統(tǒng)。通過對各參數(shù)分析以提升每個養(yǎng)殖季度和成長階段的養(yǎng)殖效率，相關信號同時送至VB編程的上位機系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件組成

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

為了提高系統(tǒng)的抗干擾性，電路設計采用主控電路（主板）與電源和驅動電路（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個獨立按鍵和DS1302時鐘電路和MAX232串口驅動電路，如圖2所示。主板的PA、PC端子經由端子排連接到底板，PA口用以檢測傳感器調理電路送至的信號，PC口經74HC373鎖存輸出16路輸出信號。底板由ULN2803達林頓管驅動電路、74HC373鎖存電路、歐姆龍大功率繼電器驅動電路和電源電路組成。在本系統(tǒng)中電源電路考慮到成本、實用、可靠和功率選用最大電流為3 A的LM2596開關電壓調節(jié)器搭建的+5 V和+12 V兩路獨立電源，分別為主板、傳感器和驅動電路供電。

3 系統(tǒng)軟件程序設計

系統(tǒng)軟件程序設計包含下位機控制程序設計和上位機程序設計兩部分。下位機程序設計采用的集成開發(fā)環(huán)境為CodevisionAVR，主要包括系統(tǒng)主控子程序、參數(shù)設置子程序、傳感器通信子程序、禽舍內溫度控制子程序、禽舍內濕度控制子程序、通風小窗控制子程序、禽舍內氨氣控制子程序、定式風機控制子程序、八路階梯排風控制子程序、報警子程序（高低溫報警、高低壓差報警、傳感器故障報警）、數(shù)據顯示更新子程序、定時中斷子程序以及串口通信程序等的編寫。上位機軟件程序采用VB編程軟件開發(fā)平臺，基于模塊化設計方法，各模塊的編寫相互并列，實現(xiàn)了數(shù)據采集、圖形繪制、參數(shù)顯示、溫度控制、通信參數(shù)設置、數(shù)據分析處理及控制指令自動判斷與發(fā)送等功能。

3.1 下位機程序設計

下位機可以不依賴于上位機而單獨工作，系統(tǒng)的核心工作任務就是通過控制禽舍內關鍵設備使不同禽類、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。下位機串口中斷子程序主要完成數(shù)據的接收和存儲，而具體的通信工作由串口服務子程序完成。采用RS 232通信，約定數(shù)據頭EE，數(shù)據尾FF EE CC GG，多個功能碼，波特率為9 600 b/s，8位數(shù)據、1位停止位，無奇偶校驗位。

下位機系統(tǒng)啟動后，首先進行輸出狀態(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、定時器、LCD）和傳感器數(shù)據預采集等，并進入等待狀態(tài)，等待用戶通過鍵盤進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，根據按鍵的鍵值不同可以分別對日期和時間參數(shù)修改以及系統(tǒng)中所有關鍵參數(shù)的設置，設置后的數(shù)據存入E2PROM，比便系統(tǒng)能夠在掉電重啟后正常工作。定時器0中斷工作方式為方式2，8位自動重裝，中斷0程序完成與中斷相關的參數(shù)設置和更新標志位Flag_ update定時置1。如果系統(tǒng)沒有按鍵按下，程序判斷Flag_update是否為1，當其值為1時更新各傳感器信息、LCD19264液晶顯示信息，并根據各參數(shù)的控制規(guī)則得出輸出驅動信號。

通過串口中斷的方式接收上位機發(fā)送的控制指令。主程序中調用中斷服務子程序，判斷上位機發(fā)送的指令類型并完成相應的數(shù)據處理工作，同時下位機實時發(fā)送檢測到的各傳感器數(shù)值至上位機分析顯示和控制。

3.2 上位機程序設計

上位機可以很方面的實現(xiàn)與下位機系統(tǒng)之間進行信息交互，能夠更加容易對禽舍環(huán)境信息進行分析控制，實現(xiàn)操作可視化，更加直觀，保存重要數(shù)據等功能。本文采用Visual Basic 6.0來編制上位機交互界面，VB是一種功能強大、簡單易學的程序設計語言。它不但保留了原先Basic語言的全部功能，而且還增加了面向對象程序設計功能。它不僅可以方便快捷地編制適用于數(shù)據處理、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)出使用計算機串口的計算機通信程序。本文涉及的禽舍環(huán)境信息實時監(jiān)控與控制系統(tǒng)要求下位機控制系統(tǒng)可以獨立完成相應的控制功能，上位機交互系統(tǒng)存儲并顯示相關數(shù)據，以便養(yǎng)殖期后的數(shù)據分析，因此上位機界面設計相對簡單，上位機測試系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖3 下位機主程序流程圖

圖4 上位機測試系統(tǒng)界面

窗體加載時窗體中各個參數(shù)設置值、串口初始化，默認通信方式，串行端口設置好后點擊連接按鈕，通信成功后按鈕后顯示燈由紅變綠，交互開始。下位機實時向上位機傳送傳感器采集數(shù)值和關鍵參數(shù)設置值，上位機串口中斷存儲，在設定的timer（采樣間隔）內對串口緩沖器內數(shù)據進行分析，引用ADO對象將數(shù)據存入后臺數(shù)據庫中，并通過MsChart和MSFlexGrid控件在窗體中實時顯示，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 語

本文針對禽舍內對禽類生長影響的主要因素進行分析，根據養(yǎng)殖戶現(xiàn)代化養(yǎng)殖的實際需求，設計了基于單片機的環(huán)境信息實時監(jiān)測與控制系統(tǒng)，經長期測試得出如下結論：

（1） 由于該系統(tǒng)采用模塊化設計，結構簡單，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結合檢測禽舍內溫濕度，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開關電壓調節(jié)器搭建的+5 V和+12 V兩路獨立電源，傳感器電源和驅動電源分離，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，不用調零，沒有漂移，性能更穩(wěn)定。

參考文獻

[1] 畢玉革，麻碩士.我國現(xiàn)代溫室環(huán)境控制硬件系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀及發(fā)展[J].農機化研究，2009，31（3）：226?229.

[2] 孫學巖.基于ZigBee的雞舍智能測控系統(tǒng)[J].農機化研究，2011，33（1）：107?110.

[3] 張文道，馬娜，王陳陳，等.基于ZigBee的溫室溫度控制系統(tǒng)[J].農機化研究，2014（4）：75?79.

[4] 韓小騰，陸華忠，呂恩利，等.保鮮運輸用高壓霧化加濕系統(tǒng)濕度調節(jié)特性的試驗[J].農業(yè)工程學報，2011，27（7）：332?337.

[5] 趙雙華，李瑩.基于ARM的室內溫度控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機系統(tǒng)應用，2010（7）：245?25.

[6] 黃勇.供暖育雛舍與育雛箱禍合系統(tǒng)熱特性與節(jié)能技術研究[D].重慶：重慶大學，2005.

[7] 黃官平.生物發(fā)酵式豬舍緩解熱應激小氣候智能化調控系統(tǒng)的研究[D].福州：福建農林大學，2010.

[8] 王新政.禽舍環(huán)境智能控制關鍵技術研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2012.

[9] 王校帥.基于CFD的畜禽舍熱環(huán)境模擬及優(yōu)化研究[D].杭州：浙江大學，2014.

[10] 段文杰，胡月明，陳聯(lián)誠，等.基于云計算技術的家禽養(yǎng)殖管理系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].廣東農業(yè)大學，2014（1）：165?169.

[11] 閆磊.畜禽舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與研究[J].機械工程與自動化，2014（3）：162?164.