王冉冉，曹彥博，于 群，李明儀，邵 光，李寶全

（1.山東農業(yè)大學，山東泰安271018；2.山東省泰安市泰山中學，山東泰安271000；3.山東泰開電力建設工程有限公司，山東泰安271000）

新產品開發(fā)

基于單片機的雞舍智能環(huán)境控制系統(tǒng)的設計

王冉冉1，曹彥博1，于 群1，李明儀2，邵 光3，李寶全1

（1.山東農業(yè)大學，山東泰安271018；2.山東省泰安市泰山中學，山東泰安271000；3.山東泰開電力建設工程有限公司，山東泰安271000）

適宜的環(huán)境對雞群的生長顯得至關重要，研究設計了該環(huán)境智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機為中央控制器，通過溫濕度傳感器等設備采集溫度、濕度等相應環(huán)境參數信息，并傳送給具有專家系統(tǒng)的中央控制器，然后控制器經過一定的算法分析，發(fā)出信號啟動控制設備來改善雞舍環(huán)境。通過試驗發(fā)現，本環(huán)境系統(tǒng)不僅可以節(jié)約成本，還極大地節(jié)約人力。

雞舍；智能控制；專家系統(tǒng)

目前我國的肉雞養(yǎng)殖業(yè)呈現出規(guī)?；内厔荩饕扇∪忾]或者半封閉的養(yǎng)殖方式。這種方式的設計結構必然會影響雞舍內各種環(huán)境因素，形成與外界不同的雞舍環(huán)境[1]。這種雞舍難以與外界進行環(huán)境交換，從而導致不利于雞只生長的舍內環(huán)境，如CO2、NH3等廢氣濃度過高。由于環(huán)境條件可直接影響到雞的生長和健康狀況，因此調節(jié)、控制雞舍環(huán)境對雞只養(yǎng)殖具有重要意義。

我國養(yǎng)雞企業(yè)目前較多采用主觀判斷和人工采樣的方法來監(jiān)測和控制雞舍環(huán)境參數，準確率比較低、浪費人力，也難以全面監(jiān)測和控制環(huán)境[2-4]。鑒于上述原因研究設計了用于全天候監(jiān)測和實時調節(jié)雞舍環(huán)境的智能控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體設計

本系統(tǒng)主要由上位機、單片機、傳感器、控制模塊組成。其中上位機為觸摸屏組成的監(jiān)控系統(tǒng)；控制模塊包括通風設備、加熱設備、降溫設備、噴霧設備、補光設備；傳感器包括CO2傳感器、CO傳感器、NH3傳感器、粉塵傳感器、風速傳感器、溫濕度傳感器和光照傳感器等，分別采集雞舍內CO2濃度、CO濃度、NH3濃度、粉塵濃度、風速、溫度、濕度等環(huán)境信息。工作過程如下：傳感器采集相應的環(huán)境參數信息并將信息傳送給具有專家系統(tǒng)的控制器，控制器判斷環(huán)境是否超標，如果超標則發(fā)出指令啟動相應的設備來改善環(huán)境，當環(huán)境參數值達到系統(tǒng)允許的范圍內時，控制器發(fā)出信號停止設備。系統(tǒng)中設置有手動按鈕作為輔助控制設備，通過開關按鈕實現控制設備的啟停。另外，本系統(tǒng)可以通過設定程序實現根據雞只日齡的不同適時調整所需環(huán)境的功能。系統(tǒng)總體框圖和電路設計圖如圖1、2所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 電路設計圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 單片機選型

PIC16F1937單片機具有功耗低、性價比高、保密性好等優(yōu)點。它內置看門狗定時器，可有效解決程序陷入死循環(huán)和跑飛狀態(tài)，提高程序運行的穩(wěn)定性；設有休眠和節(jié)電的工作模式并可采用電池供電。因此選用此款單片機作為控制器。

2.2 溫濕度傳感器的選擇

SHTl5型數字溫濕度傳感器穩(wěn)定性強，可通過I2C總線直接輸出數字量溫濕度值；測量精度高，溫度測量精度為±0.3℃，濕度測量精度為±2%RH[5].因此系統(tǒng)選用SHTl5型溫濕度傳感器采集溫濕度信息。

2.3 氣體傳感器的選擇

通常雞舍內CO2、CO、NH3濃度分別低于1 500 ppm、10 ppm、10 ppm為宜。系統(tǒng)中分別選用TGS4161型CO2傳感器模塊、TGS5042型CO傳感器模塊、MQ-137 NH3檢測模塊測量雞舍內有害氣體濃度。TGS4161型CO2傳感器模塊能耗低，壽命長，對CO2敏感性高，測量范圍為350～10 000 ppm；TGS5042型CO傳感器測量范圍為0～10 000 ppm，電解液為環(huán)保型，即使泄露也沒有危險；MQ-137 NH3傳感器測量范圍為5～500 ppm，壽命長，驅動電路簡單。以上幾種均可滿足本系統(tǒng)的要求。

2.4 粉塵、光照和風速傳感器的選擇

當雞舍內粉塵濃度小于3.4 mg/m3時最適合雞只生長。SDS198型粉塵傳感器量程為0～20 mg/m3，具有數據準確、響應快、分辨率高等優(yōu)點；TSL2561型光強傳感器芯片具有高速、低功耗、寬量程等特點[6]。JL-FS2風速傳感器測量范圍為0～30 m/s，具有很高耐候性、防腐蝕和防水性，電纜接插件配合內部進口軸承系統(tǒng)，確保了風速采集的精確性，適用于本系統(tǒng)風速的檢測。

2.5 風機組的選擇

本系統(tǒng)包含三組風機：第一組基礎風機用來保證雞群的最小通風量；第二組降溫風機用來調節(jié)舍內溫度；第三組為備用風機用來控制雞舍內有害氣體、粉塵濃度。三組風機均安裝有變頻器來調節(jié)風機轉速。

2.5.1 降溫風機的確定

雞舍中NH3等氣體溶于水后具有腐蝕性，這要求風機具有抗腐蝕性。濟南億家人養(yǎng)殖設備有限公司的9FJ-110A型負壓風機葉片采用不銹鋼材質、外框采用優(yōu)質特厚鍍鋅板、風葉骨架采用高強度鋁鎂合金熱壓鑄而成，具有抗腐蝕、風量大、強度高等優(yōu)點，滿足系統(tǒng)的要求。

風機數目的計算過程[7]如下：

雞舍長70 m、寬12 m、高2.5 m（三角形屋頂高3.5 m）；養(yǎng)殖密度：10只/m2；雞只最大體重：3 kg/只；雞舍絕熱系數：7～9 m3/kg/h；風機排風量：38 400 m3/ h/臺，則：

最大通風量=雞只數量×最大體重×雞舍絕熱系數=70×12×10×3×8=201 600 m3/h

風機數量=通風量/每臺風機的排風量=201 600 /38400=5.25=6臺

2.5.2 最小排風量和進風口的計算

根據雞只的生物學需求，雞只需要最低換氣量為0.03～0.13 m3/kg/min，以上述雞舍、雞只平均體重2.3 kg、最低換氣量0.03 m3/kg/min為例，設定每5 min循環(huán)一次，則：

5 min所需排風量=0.03×（70×12×10×2.3）×5=2898 m3

選用2臺48英寸風機（566 m3/min），則

風機運行時間=所需排風量/風扇每分鐘排風量=2898/（566×2）=2.6 min

即設定風機開2.6 min，關2.4 min.

查閱資料得知，如果安裝風門的尺寸為1.12 m ×0.2 m，那么開啟一臺48英寸的風機時需要開啟大約15個上述風門，因此本系統(tǒng)中安裝30個風門即可[4]。在此基礎上，在側墻上均勻安裝4臺36寸風機作為備用風機進行橫向通風，用來排出雞舍內的廢氣和粉塵。

2.5.3 水簾面積的計算

所選水簾尺寸寬0.45 m、高1.8 m、厚0.15 m.雞舍最高風速為2 m/s.ASAE[8]推薦的最大過濕簾風速為1.27（10 cm厚）~1.78 m/s（15 cm厚）[9]。雞舍高度取3 m，計算過程[4]如下：

雞舍橫截面積=寬×高=12×3=36 m2

單位時間過截面的風量=雞舍橫截面積×風速=36×2=72 m3/s

水簾面積=單位時間過截面的風量/過濕簾風流速度=72/1.5=48 m2

水簾片數=水簾面積/（水簾寬度×高度）

=48/（0.45×1.8）=59.25=60片

2.5.4 加熱設備

暖氣加熱設備選用寧津縣華龍溫控設備廠的3號鍋爐和600 mm×700 mm×50 mm規(guī)格的暖氣片。該鍋爐可使每只雞取暖成本節(jié)省2毛，較普通土爐子省煤50%.暖氣片采用3003不銹鋁，采用焊絲焊接，耐高壓能力更強，使用壽命更長。

暖氣片數的計算方法如下：

雞舍需要熱量80 W/m2，暖氣片散熱量100 W，每組暖氣片有15片，則

暖氣片數=雞舍面積×80/每片暖氣片散熱量=70×12×80/100=672片

暖氣片組數=暖氣片數/每組暖氣片數=672/15 =44.8組=45組

本系統(tǒng)還設置有電蒸汽鍋爐，當雞舍內濕度、溫度都低于設定值時只開啟電蒸汽鍋爐即可。電蒸汽鍋爐與燃煤、燃氣鍋爐相比高效、清潔、環(huán)保，投資成本低，更重要的是不會產生CO2、CO等有害氣體。

為保證雞舍內加熱均勻，選用廣州穗迪能源科技公司生產的12 kW的電蒸汽鍋爐。該種每臺鍋爐可加熱130 m2，因此選用7臺此種鍋爐均勻分布在雞舍內即可。

2.5.5 噴霧設備

雨沃AG-8010-4噴霧主機自帶缺水保護，安全性高；自帶精細過濾器，可防止噴嘴堵塞；使用壽命長。噴霧壓力可達30～70 kg，噴霧極細；停機不滴水；可帶70個孔徑為0.15 mm的噴嘴。TW1510＞1號霧化噴頭孔徑為0.15 mm，采用白晶陶瓷鋯噴片，超耐磨損；噴帽采用加厚凹面結構，可承受壓力高達150 kg.滿足系統(tǒng)的使用要求。

根據實地試驗，在70 m×12 m的雞舍內每隔1 m安裝一個噴頭，安裝3列，安裝高度2.2 m，共需207個噴頭，因此需要3臺噴霧主機。每臺主機帶69個噴頭。

2.5.6 補光設備

光照對雞只的生長影響極大，適宜的光照對雞只的生長發(fā)育、新陳代謝具有重要作用。雞舍內光照不需太強，一般5～10 lx即可，并且要求燈光亮度均勻。日光燈的功率比較小，比白熾燈更省電，并且光照效率是白熾燈的5倍，所以選用日光燈作為補光設備。

1只20 W的日光燈安裝高度為2.0～2.6 m，兩燈間距為燈與雞只距離的1.5倍，燈與墻的水平距離為兩燈之間距離的一半，各燈交錯安裝，均勻分布。如此安裝雞舍內的光照強度即可達到5～10 lx.所以系統(tǒng)選用20 W的日光燈作為補光設備。

一般雞舍內每平方米大約需要0.7 W，則70 m ×12 m的雞舍內所需燈的個數：

燈的個數=雞舍總瓦數/每只燈的瓦數

=70×12×0.7/20=29.4個=30個

20 W日光燈的光通量700～800 lm/只，利用系數：室內取0.4，維護系數：取0.7～0.8，則光照強度為：

平均照度=光源總光通量×利用系數×維護系數/區(qū)域面積=750×30×0.4×0.7/（70×12）=7.5 lx.

滿足系統(tǒng)要求。

3 結束語

本文以為肉雞創(chuàng)造一個良好的生長環(huán)境為出發(fā)點研究設計了該環(huán)境智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)含有多組風機、多種加熱設備和降溫設備，根據不同的環(huán)境參數啟動相應的設備，如降溫時根據室內外溫差大小來確定選用風機降溫還是選用水簾降溫。除此之外，該系統(tǒng)可以實現根據肉雞日齡的不同適時自動調整雞舍環(huán)境，從而最大限度地改善雞舍內的環(huán)境。通過本校養(yǎng)雞實驗基地實際試驗表明：使用本系統(tǒng)進行養(yǎng)殖可以節(jié)約人力成本42%，增加了一定的利潤。

[1]金濯，曹元軍.封閉式蛋雞舍環(huán)境控制系統(tǒng)的設計[J].農業(yè)化研究，2009，9（9）：143-146.

[2]劉艷昌，左現剛，李武舉，等．基于FPGA的雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J].中國農機化學報，2016，4（4）：91-95.

[3]郭俠，沈娣麗，孟雅俊，等．雞舍環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)的設計及實現[J].中國農機化學報，2013，34（5）：243-247.

[4]段曉紅.雞舍環(huán)境控制的研究與推廣[J].農業(yè)工程學報，2005，10（5）：26-30.

[5]王冬霞，張玉輝，洪耀球.溫濕度傳感器SHT15及其在嵌入式系統(tǒng)中的應用[J].電子設計工程，2011，1（2）：40-43.

[6]姜連祥，汪小燕.基于光強傳感器TSL256x的感測系統(tǒng)設計方案[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2006，12（12）：43-45.

[7]龍玉雙.密閉雞舍的水簾降溫[J].飼養(yǎng)管理，1994，10（4）：22-23.

[8]ASAE Standard Engineering Practice Data.ASAE Standards，and 50th Edition[M].USA:The society for engineering in agricultural，food and biological system，2003：703-707.

[9]盧真真，吳中紅，王美芝，等.濕簾風機降溫系統(tǒng)對雞舍必需通風量的影響[J].中國畜牧雜志，2008，44（23）：50-53.

The Design of Intelligent House Environment Control System Based on MCU

WANG Ran-ran1，CAO Yan-bo1，YU Qun1，LI Ming-yi2，SHAO Guang3，LI Bao-quan1
（1.Shandong Agricultural University，Tai’an Shandong 271018，China；2.Shandong City of Tai’an Province Taishan Middle School，Tai’an Shandong 271000，China；3.Shandong Taikai Electric Power Construction Engineering Co.，Ltd.，Tai’an Shandong 271000，China）

In the present situation，the suitable environment is very important to the growth of chicken group，so the environment intelligent control system is designed.The system uses MCU as the central controller，temperature and humidity sensors and other equipment through the acquisition of temperature and humidity and the corresponding environmental parameter information，and transmitted to the central controller with expert system，then the controller through a certain algorithm analysis，signal starting control equipment to improve the environment of chicken house.Through the experiment we found that the environmental system can not only save costs，but also greatly save human.

house；intelligent control；expert system

TP273

A

1672-545X（2016）11-0093-03

2016-08-24

基金來源：農業(yè)發(fā)展研究院智能化農業(yè)裝備研發(fā)項目（040-24125）

王冉冉（1979-），男，山東淄博人，博士，副教授，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化；李寶全（1972-），男，河北唐山人，博士，副教授，研究方向：動物環(huán)境生理與環(huán)境管理。