賀帥，段文婷，李濟(jì)霖，蔣猛(西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715)

家禽業(yè)是我國(guó)畜牧業(yè)中發(fā)展最為迅速、群體生產(chǎn)規(guī)模最大、市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)介入最早、社會(huì)貢獻(xiàn)最大的一個(gè)行業(yè)［1］。禽類對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境非常敏感，養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、光照度、及空氣質(zhì)量對(duì)雞群生長(zhǎng)有著重要影響［2］。我國(guó)現(xiàn)有的存欄數(shù)目在1萬～5萬只左右的養(yǎng)雞場(chǎng)，絕大多數(shù)已配備了風(fēng)機(jī)、白熾燈、空調(diào)、糞便清理裝置等基礎(chǔ)設(shè)備，養(yǎng)雞場(chǎng)養(yǎng)殖設(shè)備正在向機(jī)械化方向發(fā)展。但是，傳統(tǒng)養(yǎng)雞場(chǎng)對(duì)風(fēng)機(jī)、白熾燈、空調(diào)、清糞機(jī)等采用人工手動(dòng)行控制，導(dǎo)致對(duì)人的依賴性強(qiáng)，耗費(fèi)勞動(dòng)力的同時(shí)也不能保證控制的實(shí)時(shí)性及控制參數(shù)的精度。與此同時(shí)，由于禽類的特殊體質(zhì)，極易感染傳染病，人類頻繁進(jìn)出控制現(xiàn)場(chǎng)會(huì)提高從外界帶入傳染源的可能。對(duì)于專業(yè)的養(yǎng)雞場(chǎng)，人工或半人工控制養(yǎng)雞場(chǎng)設(shè)備，控制精度和自動(dòng)化程度不高，勞動(dòng)生產(chǎn)率水平偏低，不利于規(guī)?；B(yǎng)雞［3］。

基于上述原因，針對(duì)中小規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)技術(shù)資金投入不足、管理落后的現(xiàn)狀［4］，開發(fā)一種低成本、高穩(wěn)定性、智能化的適合農(nóng)村集約化養(yǎng)雞場(chǎng)的控制系統(tǒng)具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要是由電源模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、CPU控制模塊、12864顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊、時(shí)鐘模塊組成。其中傳感器數(shù)據(jù)采集模塊包括溫濕度檢測(cè)模塊、煙度檢測(cè)模塊、光照度檢測(cè)模塊，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

該設(shè)計(jì)以89C51單片機(jī)為控制核心，將傳感器傳回的溫度、濕度、光照度、煙度等環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，相應(yīng)的控制驅(qū)動(dòng)模塊的繼電器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的硬件設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)或者關(guān)閉。定時(shí)模塊每隔一段時(shí)間定時(shí)向控制器發(fā)出信號(hào)，控制器控制驅(qū)動(dòng)模塊開啟清糞機(jī)進(jìn)行清理。顯示模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行顯示。

該設(shè)計(jì)有手動(dòng)、自動(dòng)2種模式。在手動(dòng)模式下，可以由人工對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)扇、空調(diào)、電燈、清糞機(jī)進(jìn)行獨(dú)立控制，自行設(shè)定設(shè)備開停時(shí)刻，運(yùn)行時(shí)間;在自動(dòng)模式下，由控制器控制現(xiàn)場(chǎng)的硬件設(shè)備，不需要人為干預(yù)。

2 硬件設(shè)備設(shè)計(jì)

2．1 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

2．1．1 濕度檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)。濕度檢測(cè)主要檢測(cè)對(duì)象是雞舍空氣濕度。該設(shè)計(jì)采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器作為檢測(cè)溫度濕度的檢測(cè)元件。3個(gè)引腳，只有1個(gè)引腳為數(shù)據(jù)傳送腳，即只占用一個(gè)I/O口，電路連接如圖2所示。DHT11濕度測(cè)量范圍為20% ～90%RH，測(cè)量精度為±5．0%RH。

2．1．2 溫度檢測(cè)模塊。養(yǎng)雞場(chǎng)采用籠養(yǎng)的方式，雞籠為3～4層，每層間距45 cm左右。由于養(yǎng)殖的特殊形式，溫度因測(cè)定地點(diǎn)的不同，引起的溫度差異非常大，由此需要多點(diǎn)立體式布置傳感器位置，以準(zhǔn)確地檢測(cè)雞舍溫度。該設(shè)計(jì)采用DS18B20溫度傳感器作為檢測(cè)元件。DS18B20共有3個(gè)引腳，測(cè)溫范圍為－55～125℃。更重要的是DS18B20具有獨(dú)特的單線接口方式，向MCU返回溫度測(cè)量值的同時(shí)返回地址信號(hào)。對(duì)于多點(diǎn)立體式布置的溫度檢測(cè)體系，由返回值MCU能準(zhǔn)確找到溫度檢測(cè)地址。MCU通過返回的溫度值及地址相應(yīng)控制對(duì)應(yīng)區(qū)域的風(fēng)機(jī)、空調(diào)啟閉，對(duì)癥下藥，取得更好的控制效果。溫度檢測(cè)模塊電路原理如圖3所示。

圖2 濕度檢測(cè)模塊電路原理

圖3 溫度檢測(cè)模塊電路原理

2．1．3 煙度檢測(cè)模塊。煙度檢測(cè)模塊是針對(duì)雞舍出現(xiàn)火情的時(shí)候，能及時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒員工隔離災(zāi)區(qū)，避免造成重大損失。該設(shè)計(jì)采用UD-02型離子感煙傳感器進(jìn)行煙度檢測(cè)。該傳感器靈敏度高，可靠性好，它具有2個(gè)離子室及一個(gè)放射源(镅 －241，0．9 μCi)，工作電壓為 9 V，溫度為 20±5℃時(shí)，無煙霧條件下，收集電極的平衡點(diǎn)位為5．0～5．6 V;有煙霧時(shí)，收集電位的電壓變化為1．1～1．2 V。由此，該設(shè)計(jì)采用比較器，將輸出信號(hào)與系統(tǒng)比較電壓進(jìn)行比較。當(dāng)大于比較電壓時(shí)，比較器輸出1，控制器判定為正常。輸出小于比較電壓時(shí)，比較器輸出為0，此為報(bào)警信號(hào)，控制器控制聲光報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警。煙感模塊控制原理如圖4所示。

圖4 煙感模塊電路原理

2．1．4 光照度檢測(cè)模塊。光照對(duì)雞群生長(zhǎng)特別是蛋雞產(chǎn)蛋率有非常大的影響。本設(shè)計(jì)采用點(diǎn)式檢測(cè)，利用光敏電阻隨光照強(qiáng)度變化而引起阻值變化的原理來檢測(cè)光照強(qiáng)度。

經(jīng)調(diào)試，該設(shè)計(jì)光照度能測(cè)量范圍為20～50 000 lxs，適合雞群生長(zhǎng)的光照度為35 lxs以上，光照時(shí)間隨季節(jié)的不同而不同。光照強(qiáng)度通過控制器反饋調(diào)節(jié)，而光照時(shí)間由人為設(shè)定，定時(shí)器計(jì)時(shí)。該設(shè)計(jì)光敏電阻作為檢測(cè)元件，設(shè)計(jì)電路圖如圖5所示。光敏電阻反應(yīng)出來的是電壓的連續(xù)性變化，輸出為模擬量，不能直接輸送到單片機(jī)用以控制顯示，由此，采用PCF8591進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。PCF8591采用IIC通信協(xié)議進(jìn)行通信。SCL和SDA接入單片機(jī)，由單片機(jī)內(nèi)定時(shí)器模擬輸出脈沖，讀取數(shù)據(jù)。

圖5 光照度檢測(cè)模塊電路原理

2．2 MCU模塊設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)采用89C51單片機(jī)作為控制器。89C51單片機(jī)是INTEL公司mcs-52系列單片機(jī)中的基本產(chǎn)品，總計(jì)40個(gè)引腳，32個(gè)雙向輸入輸出I/O口，內(nèi)置8位中央處理單元、256字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和5個(gè)2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)。工作電壓為5．0 V，其基本單元如圖6所示。

圖6 89C51基本單元

2．3 時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì) 該設(shè)計(jì)采用DS1302芯片作為時(shí)鐘芯片。DS1302是美國(guó)DALLAS公司推出的具有涓細(xì)電流充電能力的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。DS1302的結(jié)構(gòu)、工作原理及其在實(shí)時(shí)顯示時(shí)間中的應(yīng)用。它可以對(duì)年、月、日、周、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。時(shí)鐘電路原理見圖7。

2．4 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 為了提高系統(tǒng)可靠性，采用單片機(jī)控制端輸入高電平或低電平以控制設(shè)備開閉。當(dāng)單片機(jī)控制端輸入高電平時(shí)，Q7三極管導(dǎo)通，光耦內(nèi)部二極管有電流流過，此時(shí)光耦右側(cè)三極管導(dǎo)通，固態(tài)繼電器Km控制電器設(shè)備工作;當(dāng)單片機(jī)控制端輸入低電平時(shí)，Q7三極管斷開，光耦內(nèi)部二極管無電流通過，此時(shí)光耦右側(cè)三極管斷開，固態(tài)繼電器Km控制電器設(shè)備斷開。由于在不同的環(huán)境驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、空調(diào)、白熾燈強(qiáng)度及數(shù)量不同。由此，該設(shè)計(jì)軟件將風(fēng)機(jī)、白熾燈進(jìn)行分組。繼電器控制電路如圖8所示。

圖7 時(shí)鐘電路原理

圖8 驅(qū)動(dòng)模塊電路原理

2．5 顯示模塊設(shè)計(jì) 傳感器信號(hào)檢測(cè)到以后送入單片機(jī)進(jìn)行處理，同時(shí)由12864對(duì)溫度，濕度，煙度和光照度等各個(gè)參數(shù)進(jìn)行顯示。12864為液晶顯示，能顯示字母、漢字、數(shù)字、簡(jiǎn)單圖形，符合該設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求。12864顯示模塊接線如圖9所示。

圖9 12864顯示模塊接線示意

3 結(jié)語

該研究針對(duì)雞群特殊的生長(zhǎng)要求設(shè)計(jì)了一套雞舍智能監(jiān)控系統(tǒng)，其中，不僅對(duì)溫度、濕度、光照度、煙度等多種環(huán)境因子進(jìn)行了智能監(jiān)控，同時(shí)，通過定時(shí)器能定時(shí)對(duì)雞圈進(jìn)行清理。由單片機(jī)對(duì)風(fēng)機(jī)、空調(diào)、白熾燈組等硬件設(shè)備的控制，使各個(gè)環(huán)境因子保持在適宜范圍以內(nèi)，從而保證雞群健康生長(zhǎng)，避免傳統(tǒng)養(yǎng)殖的盲目性及對(duì)人的依賴性的缺點(diǎn)。該設(shè)計(jì)對(duì)我國(guó)以農(nóng)村集約型養(yǎng)雞場(chǎng)養(yǎng)殖推向機(jī)械化、智能化有著積極作用。

［1］黃大星，喬振先．禽蛋抗壓特性測(cè)試機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及其系統(tǒng)開發(fā)［J］．農(nóng)機(jī)化研究，2006(11):133－134．

［2］李同斌．控制雞舍環(huán)境提高飼養(yǎng)效果［J］．北京農(nóng)業(yè)，2012(3):106．

［3］楊林楠，張麗蓮，張?zhí)祉?，等．養(yǎng)雞場(chǎng)智能監(jiān)管系統(tǒng)研究［J］．西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，26(2):214 －216．

［4］劉瑋．規(guī)?；半u養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)字化監(jiān)視系統(tǒng)的研制［D］．武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009．