竇偉山 段學(xué)習(xí) 吳增偉 劉永娟

摘要：本系統(tǒng)設(shè)計主要用于養(yǎng)殖業(yè)室內(nèi)溫度控制。采用主控單元與功能控制模塊分離的方式，通過RS485接口進行級聯(lián)通訊，克服傳統(tǒng)溫控系統(tǒng)功能單一，不可擴展的缺點。采用劃區(qū)域定點溫度控制，解決以往控制系統(tǒng)控溫不均的問題。區(qū)域溫度支持多點無線溫度采集檢測，以實現(xiàn)對不同區(qū)域溫度的精細(xì)控制。

關(guān)鍵詞：溫度控制；單片機；養(yǎng)殖業(yè)

隨土地等不可再生資源的日益緊張，采用科學(xué)技術(shù)提高單位面積下的產(chǎn)出成為現(xiàn)代化養(yǎng)殖場經(jīng)濟增長點的關(guān)鍵性指標(biāo)。溫度在雞的生長過程中起著至關(guān)重要的作用。如果溫度過低，雛雞容易受涼導(dǎo)致拉稀或產(chǎn)生呼吸道疾病等；為了取暖容易造成扎堆，影響采食和活動，造成傷殘，嚴(yán)重時會造成大量死亡。雞舍的溫度需要隨雞齡的變化而改變。雞舍養(yǎng)殖期間忌諱發(fā)生忽冷忽熱，忽冷忽熱極易造成冷熱應(yīng)激現(xiàn)象，從而引起用藥或免疫失敗。因此，適宜的溫度控制是養(yǎng)雞場必須解決的技術(shù)關(guān)鍵。

雞舍溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)控雞舍溫度是利用溫濕度控制系統(tǒng)來監(jiān)測和控制溫度，通常通過控制濕簾、空調(diào)、加熱器等來調(diào)節(jié)溫度，使溫度處于恒定狀態(tài)。另外雞舍內(nèi)的空氣質(zhì)量直接影響雞的健康。在進行換氣處理的時候?qū)τ谶M入雞舍的空氣做一些相應(yīng)的除塵凈化及滅菌消毒處理能降低雞流感等疾病的發(fā)生概率。

1 京津冀地區(qū)村辦養(yǎng)殖場溫控系統(tǒng)現(xiàn)狀

京津冀周邊縣市郊區(qū)村辦養(yǎng)殖場原有室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)主要由熱風(fēng)爐、水簾、負(fù)壓風(fēng)機等設(shè)備組成用于維持室內(nèi)溫度恒定。在養(yǎng)殖場廠房的一側(cè)集中安裝負(fù)壓風(fēng)機，另一側(cè)設(shè)有進氣口并裝有熱風(fēng)爐和水簾機，通過水簾機和負(fù)壓風(fēng)機的配合達到通風(fēng)換氣的效果。運用負(fù)壓風(fēng)機來向外排出空氣從而使室內(nèi)氣壓下降，形成負(fù)壓區(qū)，由于氣壓差空氣補償流入室內(nèi)。在進氣口到負(fù)壓風(fēng)機之間形成對流。在這期間，關(guān)閉靠近負(fù)壓風(fēng)機附近的門窗，強迫空氣從進氣口一側(cè)門窗流入廠房?？諝庥蛇M氣口流入廠房，經(jīng)廠房流過，由負(fù)壓風(fēng)機排出廠房。這種方式換氣率可達99%，能夠解決通風(fēng)不良問題。水簾風(fēng)機又稱空氣冷卻器，由軸流式風(fēng)機與冷卻排管等組成。水簾風(fēng)機依靠風(fēng)機強制空氣流經(jīng)箱體內(nèi)的冷卻排管進行熱交換，使空氣冷卻，從而達到降低室溫的目的。這種溫度調(diào)節(jié)方式節(jié)能減排，性價比較高。隨著養(yǎng)雞規(guī)模的不斷擴大，這套溫控系統(tǒng)的弊端就顯現(xiàn)出來。通過調(diào)查得知，該養(yǎng)殖場室內(nèi)面積為43×23m2，分成兩個室，每個室內(nèi)裝有3層雞籠，每層又分成若干小區(qū)域，每個小區(qū)域有3到6排小雞籠，每個小雞籠內(nèi)裝有7～8只雞。在養(yǎng)殖場投產(chǎn)初期，養(yǎng)殖密度低，通過這套設(shè)備對各室進行溫度控制取得了良好的效果，但是隨著養(yǎng)殖規(guī)模的增大，溫度的控制已經(jīng)力不從心，雞的生長環(huán)境惡化。據(jù)統(tǒng)計，目前該養(yǎng)殖場的養(yǎng)殖量達到1.7萬只時就會經(jīng)常出現(xiàn)雞死亡大量的情況。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)以下幾點不足：

1）廠房面積的增大致使原有風(fēng)機設(shè)備功率不足，室內(nèi)溫度變化變得緩慢，時間增長，空氣流動變緩，通風(fēng)效果明顯變差，不利于雞的生長。

2）由于雞的生長速度的原因，室內(nèi)不同區(qū)域雞的大小分布不同，那么對于小區(qū)域溫度無法控制，也不利于雞的生長。

3）規(guī)模的增大致使室內(nèi)溫度信號的采集難以控制，不能實時的有效的監(jiān)測溫度，溫度的偏差大，不利于雞的生長。

為此，我們在原有的基礎(chǔ)上對溫度控制系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，極大的緩解了規(guī)模增大帶來的不利因素。

2 新型溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

考慮到不同區(qū)域養(yǎng)殖雞對溫度的需求不同，改造后的溫度控制系統(tǒng)采用主控單元與功能控制模塊分離的方式，通過RS485接口進行級聯(lián)通訊，解決了傳統(tǒng)溫控系統(tǒng)功能不可擴展的缺點。采用劃區(qū)域定點溫度控制，解決以往控制系統(tǒng)不能實現(xiàn)區(qū)域獨立控溫的問題。通過對區(qū)域內(nèi)多個溫度采集點的溫度采集值確定本區(qū)域溫度控制送風(fēng)量，以實現(xiàn)對不同區(qū)域溫度的精細(xì)控制。同時用戶可以根據(jù)自己的規(guī)模需求進行增減采購，提高了產(chǎn)品的適應(yīng)性，也為用戶節(jié)省開支。

對廠房室內(nèi)布局進行改造如圖1 室內(nèi)設(shè)備安裝示意圖。

圖1為改造后的室內(nèi)設(shè)備布局圖的俯視圖。由于我們將室溫進行劃區(qū)域控制，因此首先將溫室通過中間設(shè)計的風(fēng)墻一分為二，為了降低成本將風(fēng)墻設(shè)計為密封中空的，利于室內(nèi)氣體的排出；其次，將每個大室有分成若干個小的區(qū)域，可以分為10個小區(qū)域，總共20組，這樣有利于區(qū)域溫度的采集。然后，我們將換氣通道設(shè)置為頂部通氣，每個區(qū)域頂部管道距離頂層雞籠留有適當(dāng)?shù)木嚯x，同時相鄰區(qū)域留有一定的空間，以防管道直吹到雞上，造成雞的不適。為了實時采集準(zhǔn)確的溫度信號，我們在出風(fēng)口周邊設(shè)置多個采集點進行溫度檢測，提高溫度的準(zhǔn)確均衡。為了達到良好的降溫效果，我們將水簾機換成大功率的制冷機設(shè)備。

采用主控單元與功能控制模塊分離的方式，如圖2 功能模塊通訊示意圖所示，系統(tǒng)通過RS485接口進行級聯(lián)通訊，克服傳統(tǒng)溫控系統(tǒng)不可擴展的缺點。實現(xiàn)控制系統(tǒng)“集中管理區(qū)域控制”的集散控制方式。不同的控制單元實現(xiàn)分離控制，不互相制約影響，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)針對不同區(qū)域不同溫度要求進行獨立控制，從而滿足不同區(qū)域中不同種類的雞對溫度的適應(yīng)，大大提高了雞的生長效率，解決了原有系統(tǒng)溫度一刀切的問題。同時，用戶可以根據(jù)自己的養(yǎng)殖規(guī)模來確定區(qū)域溫度控制單元的數(shù)量，從而解決用戶成本。

部分養(yǎng)殖場采集溫度監(jiān)控點的溫度采用無線多點溫度采集系統(tǒng)[2]，運用無線數(shù)據(jù)通訊方式與主控制器通訊傳輸溫度數(shù)據(jù)，不僅減少了布線難度，更易于測溫點的安裝、調(diào)試和擴展。下位機和上位機組成了無線溫度采集裝置。下位機由無線收發(fā)模塊、溫度采集模塊、液晶顯示模塊、微處理器單元和電源模塊組成，其系統(tǒng)組成示意圖如圖3所示。

電源模塊包括電池、充電模塊、穩(wěn)壓模塊。用通用鋰電池充電器給充電模塊充電。當(dāng)外部電源供電時，充電器為鋰電池供電并通過LM11173.3穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓輸出DC3.3V供給系統(tǒng)；當(dāng)外部電源停電時， LM11173.3穩(wěn)壓模塊將鋰電池DC4.2V電壓變?yōu)镈C3.3V供給系統(tǒng)，鋰電池電壓經(jīng)電阻分壓直接供微處理器外部低壓檢測中斷比較器進行比對，當(dāng)電池電壓降為3.8V時，報警提示。

為降低顯示功耗，顯示模塊采用LCD 1602A。LCD1602A內(nèi)置字符發(fā)生器ROM，可提供160種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)字符，可據(jù)微處理器供電電壓選擇DC3.3V或DC5V供電方式。DC5V供電時工作電流2mA。

溫度采集模塊采用溫度傳感器18B20[1]。18B20抗干擾性強，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，支持3V～5.5V的電壓范圍。測量溫度范圍為55℃～125℃，精度為±0.5℃。

無線模塊采用NRF24L01。NRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件， DC1.9V～3.6V為其供電電壓，工作頻段為2.4GHz～2.5GHz ISM，頻道總數(shù)有125個。內(nèi)置晶體振蕩器、頻率合成器、調(diào)制器、功率放大器等功能模塊。NRF24L01功耗低，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計更方便。RS485通過工業(yè)用RS232轉(zhuǎn)RS485接口實現(xiàn)。原理圖如圖4所示。

上位機與下位機硬件電路類似，去掉溫度傳感器DS18B20的接口電路，MAX3232CPE增添擴展接口RS232C。PC機的通訊就是運用RS232C接口。

通過電動風(fēng)閥對風(fēng)道閘口的控制實現(xiàn)對進氣量的控制，從而實現(xiàn)對溫度的控制。電動風(fēng)閥在五金、建材、化工、養(yǎng)殖、電站等行業(yè)中的環(huán)保、通風(fēng)工程的含塵熱風(fēng)或冷風(fēng)氣體管道中，作為氣體介質(zhì)切斷裝置或調(diào)節(jié)流量。電動風(fēng)閥由電動機帶動驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，使閘板在相應(yīng)角度范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動以達到啟閉或調(diào)節(jié)介質(zhì)流量的目的。我們在每個區(qū)域的風(fēng)道口設(shè)置一個電動風(fēng)閥，對不同的區(qū)域設(shè)置一個溫度標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)檢測裝置檢測到區(qū)域溫度高于或低于標(biāo)準(zhǔn)溫度時，溫度控制系統(tǒng)可以根據(jù)實際情況給出相應(yīng)的信號來驅(qū)動電機帶動執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)風(fēng)閥的開度，來調(diào)節(jié)進氣量。我們可以設(shè)定一個溫度范圍，比如設(shè)置3℃，當(dāng)區(qū)域溫度上升或下降標(biāo)準(zhǔn)溫度的±3℃，我們可以設(shè)置風(fēng)閥加大或減小一個角度控制進氣量，來實現(xiàn)對區(qū)域溫度的調(diào)節(jié)。

3 結(jié)論

通過對原有養(yǎng)殖溫控系統(tǒng)的優(yōu)化改造，實現(xiàn)了對室溫的局部區(qū)域獨立自動控制，形成了“集中管理局部控制”的集散控制系統(tǒng)，為室內(nèi)不同種類雞的成長提供了更為有利的成長環(huán)境。采用無線多點溫度采集，使溫度的檢測控制更精確。通過此方式用戶可以根據(jù)自己需求進行采購，提高了產(chǎn)品的適應(yīng)性，也為用戶節(jié)省開支，提高了營收效益。

參考文獻：

[1]張佳偉，劉成忠.基于STC89C52RC的養(yǎng)殖區(qū)溫控系統(tǒng)設(shè)計.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014（2）：161165.

[2]查方勇.基于DC18B20的多點溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn).黃岡師范學(xué)院學(xué)報，2011（12）.