王 斌，劉雪梅，張國(guó)強(qiáng)，王衛(wèi)軍

豬舍生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和清潔控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 斌，劉雪梅，張國(guó)強(qiáng)，王衛(wèi)軍

（西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院，西安 710124）

針對(duì)中小型養(yǎng)殖場(chǎng)的實(shí)際需求，該文以可編程控制器（programmable logic controller，PLC）為核心控制器，設(shè)計(jì)了一套生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和清潔自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要研究了對(duì)豬舍內(nèi)溫濕度、氨氣濃度等生態(tài)環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)和調(diào)控方法。為實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確測(cè)量，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的電阻—電壓轉(zhuǎn)換電路，并對(duì)溫敏電阻采用分段線性化措施，使測(cè)溫精度達(dá)到±0.2 ℃。為實(shí)現(xiàn)豬舍內(nèi)多個(gè)區(qū)域的環(huán)境參數(shù)的合理檢測(cè)，采用了多傳感器自適應(yīng)加權(quán)平均融合算法，并給出了該算法的PLC程序設(shè)計(jì)方法。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：采用數(shù)據(jù)融合算法時(shí)，在20 ℃左右時(shí)，豬仔生活區(qū)溫度測(cè)量值的總方差最小值為0.012 5，而采用算術(shù)平均值時(shí)方差為0.856 2；在氨氣濃度為15 mg/m3左右時(shí)，采用數(shù)據(jù)融合算法時(shí)整個(gè)豬舍氨氣濃度測(cè)量值的方差最小值為0.040 6，而采用算術(shù)平均值時(shí)方差為0.954 8。這表明采用數(shù)據(jù)融合算法后，各區(qū)域參數(shù)測(cè)量值的方差遠(yuǎn)小于采用算術(shù)平均時(shí)的方差。試驗(yàn)過(guò)程中該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易安裝、調(diào)試和維護(hù)，成本低，能極大降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省人力，能減少環(huán)境污染，特別適合于中小型養(yǎng)殖企業(yè)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；監(jiān)測(cè)；溫濕度；氨氣濃度；數(shù)據(jù)融合

0 引 言

現(xiàn)代化的生豬養(yǎng)殖廠養(yǎng)殖密度一般相對(duì)較大，對(duì)豬舍環(huán)境衛(wèi)生條件也提出了較高要求，豬舍內(nèi)的溫度、濕度和由糞便產(chǎn)生的氨氣成為影響生豬成活率及生長(zhǎng)的主要因素。而生豬在不同生長(zhǎng)階段所需的適宜溫度相差較大[1]，大豬生長(zhǎng)的適宜溫度為15～25 ℃，若氣溫超過(guò)35 ℃，就會(huì)發(fā)生熱應(yīng)激，而剛出生的豬仔適宜溫度為34 ℃，以后每周降2 ℃，到斷奶時(shí)22～25 ℃為宜；適宜相對(duì)濕度RH為50%左右，氨氣濃度應(yīng)當(dāng)保持在20 mg/m3以下[2-6]，否則豬舍病菌容易生長(zhǎng)，豬極容易生病。對(duì)豬舍清潔用水必不可少，目前不管是平地養(yǎng)殖還是高架床養(yǎng)殖，一頭幼豬從進(jìn)欄到出欄，要產(chǎn)生的污水在2.5～3 t[7-9]，對(duì)于年出欄500～2 000頭生豬的中小型養(yǎng)殖場(chǎng)，要處理的污水量很大，用水量更大，無(wú)疑會(huì)推高生產(chǎn)成本。

為了實(shí)現(xiàn)豬舍環(huán)境清潔衛(wèi)生，減少病菌滋生，提高生豬的成活率，減小人工勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)低成本綠色養(yǎng)殖，本研究針對(duì)中小規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)的需求設(shè)計(jì)了一套豬舍環(huán)境生態(tài)監(jiān)測(cè)和清潔系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)豬舍不同區(qū)域氨氣、溫度、濕度的監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)溫濕度的自動(dòng)調(diào)節(jié)和糞便的自動(dòng)清理。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

一般豬舍內(nèi)布局分母豬生產(chǎn)區(qū)、幼仔區(qū)、大豬飼養(yǎng)區(qū)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同區(qū)域的溫濕度、氨氣濃度控制，該系統(tǒng)以臺(tái)達(dá)DVP32ES200R為核心控制器，采用了模擬量擴(kuò)展模塊DVP06XA-E2，監(jiān)控設(shè)備采用臺(tái)達(dá)人機(jī)界面DOP-B07S411，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)顯示等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中溫濕度數(shù)據(jù)采集采用AM1011型傳感器，該傳感器可以同時(shí)輸出1路溫度信號(hào)和1路濕度信號(hào)，其中濕度信號(hào)以電壓的形式輸出，輸出范圍為0～3 V；溫度信號(hào)是以熱敏電阻阻值大小而非模擬信號(hào)輸出，需要自行設(shè)計(jì)電路，將電阻值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，其測(cè)溫范圍為?40～80 ℃。氨氣濃度檢測(cè)采用KM21B30-NH3氨氣氣體濃度傳感器，檢測(cè)范圍0～76 mg/m3，數(shù)據(jù)傳輸采用RS485接口，按標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU協(xié)議通訊。風(fēng)機(jī)采用交流負(fù)壓風(fēng)機(jī)，既用于降溫防暑，又用于除濕和降低豬舍內(nèi)氨氣濃度。噴霧裝置用于降溫和加濕。遮陽(yáng)簾用于冬季采光升溫，夏季遮陽(yáng)降溫。無(wú)論平地養(yǎng)殖，還是高架養(yǎng)殖，豬舍內(nèi)糞便是產(chǎn)生臭氣（主要成分是氨氣[10]）的主要來(lái)源，其清理和收集是極費(fèi)人力的一項(xiàng)工作。在本設(shè)計(jì)中控制器根據(jù)氨氣濃度大小決定刮糞板拖動(dòng)電機(jī)的啟停，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清糞動(dòng)作。在清糞若干次后噴水閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)沖洗，有效解決了豬舍的清潔和節(jié)水之間的矛盾。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該控制系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)2種工作模式，自動(dòng)模式下一旦設(shè)定好參考值，無(wú)需人工參與，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)24 h實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)調(diào)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度信號(hào)的采集

溫濕度傳感器中溫敏電阻阻值R與溫度是非線性關(guān)系，關(guān)系式為

式中為溫敏電阻材料熱敏系數(shù)，本系統(tǒng)所用傳感器使用說(shuō)明書(shū)給出的＝3 435 K；0為基準(zhǔn)溫度（單位：K），本傳感器以298.15 K（即25 ℃）為基準(zhǔn)溫度；0為基準(zhǔn)溫度下的阻值。

為了能用PLC的模擬量輸入A/D轉(zhuǎn)換部分測(cè)量溫度，設(shè)計(jì)如圖2所示電路，將溫敏電阻R的阻值轉(zhuǎn)換成電壓。

注：Vss表示正電源，V；Vdd表示負(fù)電源，V；Rt為溫敏電阻，Ω；RC為精密電阻，Ω；Vout為輸出電壓，V。

該電路輸出電壓為

式中V、V分別為＋5 V和－5 V的恒壓源?？紤]溫敏電阻的自熱因素，為了使其工作電流不超過(guò)0.3 mA，R采用28.3 kΩ的標(biāo)準(zhǔn)精密電阻。

2.2 分時(shí)數(shù)據(jù)采集電路

由于豬舍內(nèi)各區(qū)域空間較大，溫濕度調(diào)節(jié)設(shè)備不可能對(duì)各處參量均衡調(diào)節(jié)，氨氣濃度各處分布不均，所以，需要用多個(gè)傳感器對(duì)同一參量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。為此，在母豬生產(chǎn)區(qū)布置了2個(gè)溫濕度傳感器（1#、2#），在幼仔區(qū)及大豬生活區(qū)各布置了3個(gè)溫濕度傳感器（3#、4#、5#和6#、7#、8#），在整個(gè)豬舍的不同位置安裝了3個(gè)氨氣濃度傳感器（9#、10#、11#），以共同監(jiān)測(cè)豬舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)。由于模擬量擴(kuò)展模塊DVP06XA-E2僅有4路模擬量輸入端口，而本系統(tǒng)有8路濕度模擬量信號(hào)和8路經(jīng)轉(zhuǎn)換后的溫度模擬量信號(hào)，共16路模擬量，為節(jié)約硬件，降低成本，采用如圖3所示電路對(duì)16路模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)分時(shí)數(shù)據(jù)采集。

圖3 多路模擬信號(hào)分時(shí)采集電路

圖3中，將從PLC 的Y16、Y17輸出的0～24 V開(kāi)關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～5 V開(kāi)關(guān)信號(hào)作為地址選通信號(hào)，轉(zhuǎn)換電路中由R1、R2和R3、R5、R6和R7以及開(kāi)關(guān)三極管T1、T2組成。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)經(jīng)反相器后分別接雙4通道數(shù)控模擬開(kāi)關(guān)CD4052的地址端，2片CD4052的輸出CH0～CH3分別接PLC模擬量擴(kuò)展模塊DVP06XA-E2的4路模擬量輸入端口，IN00～I(xiàn)N17分別接16路溫濕度模擬量信號(hào)。

3個(gè)氨氣濃度傳感器的數(shù)據(jù)傳輸采用MODBUS-RTU方式，通過(guò)總線將它們的輸出接在PLC主機(jī)的COM2通訊口，并設(shè)置不同的地址予以區(qū)分。

2.3 主要控制對(duì)象的控制

該系統(tǒng)中遮陽(yáng)簾和刮糞板驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用能正反轉(zhuǎn)的低速力矩電機(jī)，PLC輸出通過(guò)繼電器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

在母豬生產(chǎn)區(qū)和幼仔生活區(qū)，當(dāng)溫度低于20 ℃時(shí)，豬仔的成活率將會(huì)大大降低。因此，PLC根據(jù)監(jiān)測(cè)到的該區(qū)域溫度高低控制加熱保溫板的通斷電，來(lái)保證溫度達(dá)到要求。對(duì)大豬生活區(qū)，根據(jù)地區(qū)和季節(jié)的不同，當(dāng)溫度低于設(shè)定的下限時(shí)，PLC控制取暖燈接通。在夏季，當(dāng)豬舍內(nèi)濕度低于設(shè)定值或溫度超過(guò)設(shè)定值，PLC控制增壓型直流水泵啟動(dòng)，完成噴霧加濕和降溫工作。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控制器I/O地址分配

根據(jù)控制過(guò)程及對(duì)象分析，PLC的I/O分配如表1所示。部分主電路及控制電路接線圖如圖4所示。

表1 系統(tǒng)核心控制器I/O分配表

圖4 主電路及控制電路

3.2 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，主程序流程圖如圖5所示。其中手動(dòng)方式下的控制通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)采集的參數(shù)為豬舍內(nèi)不同區(qū)域的溫濕度、氨氣濃度值，根據(jù)采集到的各區(qū)域參數(shù)，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)按要求自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

3.2.1 溫濕度數(shù)據(jù)的采集程序設(shè)計(jì)

由前文式（1）和（2）可知，溫敏電阻阻值與溫度呈非線性關(guān)系，out與R也是非線性，因此，out與溫度成嚴(yán)重的非線性。一般在用PLC進(jìn)行溫度的精確測(cè)量和顯示時(shí)，需要采取措施進(jìn)行線性化處理。鐘永彥等[11]和何旭陽(yáng)[12]采用分段串聯(lián)線性化方法，可以在大溫度范圍實(shí)現(xiàn)分段線性化測(cè)溫；樊霈等[13]利用橋式網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)溫敏電阻測(cè)溫線性化，這些方法均能有效提高溫敏電阻測(cè)溫的精度，但電路都比較復(fù)雜。按照傳感器使用說(shuō)明書(shū)中所給的電阻-溫度特性表，結(jié)合圖2所示電路，可計(jì)算出電壓-溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2第2行數(shù)據(jù)所示。

圖5 主程序流程圖

表2 電壓-溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系

對(duì)表2第2行輸出電壓理論值隨溫度變化的數(shù)據(jù)做分析，可以發(fā)現(xiàn)，在0～20 ℃區(qū)間，輸出電壓的增量大約為0.5 V左右；在20～35 ℃區(qū)間，輸出電壓的增量大約為0.3 V左右；在35～50 ℃輸出電壓的增量大約為0.2 V左右。

因此，將測(cè)溫范圍分為0～20 ℃、20～35 ℃、35～50 ℃ 3個(gè)區(qū)段，根據(jù)輸出電壓理論值與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系在Excel軟件中分段求擬合直線，得到的直線方程及決定系數(shù)2分別為

1=0.096 6+ 0.09，2 = 0.998 3 0℃≤≤20℃（3）

2=0.069 4+ 0.634，2 = 0.996 6 20℃≤≤35℃（4）

3=0.043 6+ 1.546，2 = 0.993 6 35℃≤≤50℃（5）

以上3個(gè)關(guān)系式中決定系數(shù)均接近于1，從理論上說(shuō)明各溫度區(qū)間線性度較好。線性化后輸出電壓隨溫度變化的理論值如表2第3行所示。

為了驗(yàn)證這一方法的可行性，也為了準(zhǔn)確標(biāo)定輸出電壓與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將圖2所示測(cè)溫電路中的溫敏電阻與標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)置于同一加熱室，室內(nèi)先放置冰塊，使溫度快速降到0 ℃，然后開(kāi)啟加熱器，使加熱室內(nèi)溫度逐漸上升。從0 ℃開(kāi)始，每上升5 ℃讀取1次電壓數(shù)據(jù)，直到50 ℃為止。實(shí)測(cè)電壓值如表2第4行所示，按式（3）、式（4）、式（5）計(jì)算得到的溫度值如表2第5行所示。該行數(shù)據(jù)與第1行的水銀溫度計(jì)實(shí)測(cè)值對(duì)照比較可見(jiàn)，在0 ℃≤≤50 ℃測(cè)溫范圍內(nèi)，經(jīng)線性化處理后，通過(guò)該測(cè)溫電路得到的溫度值誤差均在±0.2 ℃范圍以內(nèi)。這一誤差對(duì)本控制系統(tǒng)是完全允許的，說(shuō)明這種線性化處理方法是可行的。

根據(jù)PLC采集到的電壓值，依據(jù)表2結(jié)果，在觸摸屏組態(tài)軟件中設(shè)置不同的溫度參考點(diǎn)，作為控制轉(zhuǎn)換條件，可啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備對(duì)母豬生產(chǎn)區(qū)和幼仔區(qū)以及大豬生活區(qū)的溫度分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，并由觸摸屏顯示豬舍內(nèi)的當(dāng)前具體溫度。

根據(jù)本系統(tǒng)所采用的溫濕度傳感器使用手冊(cè)可知，在額定工作電壓下，濕度與對(duì)應(yīng)輸出電壓0的關(guān)系為

利用關(guān)系式（6），在程序中可實(shí)現(xiàn)電壓值到濕度值的轉(zhuǎn)換，程序設(shè)計(jì)時(shí)需注意數(shù)據(jù)浮點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換以及乘除運(yùn)算所引起的精度變化。由于該濕度傳感器輸出電壓范圍為0～3 V，為提高分辨率，程序中采用DVP06XA-E2電壓A/D轉(zhuǎn)換特性曲線模式3[14]（電壓變換范圍0～5 V，A/D轉(zhuǎn)換系數(shù)6 400）。

對(duì)溫濕度對(duì)應(yīng)的電壓模擬量，利用“FROM”、“TO”2條指令完成數(shù)據(jù)采集。首先，通過(guò)“TO”指令設(shè)置擴(kuò)展模塊的編號(hào)、數(shù)據(jù)輸入通道號(hào)以及輸入信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換模式、數(shù)據(jù)的平均次數(shù)、每次讀取的數(shù)據(jù)字長(zhǎng)。數(shù)據(jù)輸入通道號(hào)由控制寄存器CR確定，輸入信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換模式需要查閱擴(kuò)展模塊的使用手冊(cè)。然后，通過(guò)“FROM”指令從相應(yīng)的通道讀出數(shù)據(jù)，存放到指定寄存器中。最后，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模式，確定與數(shù)字量對(duì)應(yīng)的輸入模擬量大小。

3.2.2 氨氣濃度數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

氨氣濃度傳感器輸出的數(shù)據(jù)是以標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU協(xié)議通訊傳輸。在標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU通訊協(xié)議中，上位機(jī)發(fā)送報(bào)文格式：設(shè)備地址（單字節(jié)）+功能碼（單字節(jié)）+起始寄存器地址（雙字節(jié)）+讀取的寄存器地址（雙字節(jié)）+CRC校驗(yàn)碼（雙字節(jié)）；下位機(jī)應(yīng)答報(bào)文格式：設(shè)備地址+功能碼+返回的字節(jié)個(gè)數(shù)（單字節(jié)）+數(shù)據(jù)1（雙字節(jié)）+數(shù)據(jù)2（雙字節(jié)）+……+CRC校驗(yàn)碼（雙字節(jié)）。

在臺(tái)達(dá)WPLSoft編程軟件中實(shí)現(xiàn)PLC的MODBUS-RTU通訊協(xié)議的基本方法是：首先，在特殊寄存器D1120中設(shè)置通訊格式（包括通信速率、數(shù)據(jù)位數(shù)、校驗(yàn)類別、停止位數(shù)）；其次，分別置位M1120、M1143、M1161繼電器位，設(shè)置通訊模式為RTU、8位數(shù)據(jù)處理模式，在特殊寄存器D1129中設(shè)置通訊延時(shí)等待時(shí)間為100 ms。最后，啟動(dòng)送信信號(hào)，通過(guò)MODRD指令讀取數(shù)據(jù)。該指令在應(yīng)用時(shí)需指定擴(kuò)展模塊的編號(hào)、傳感器中數(shù)據(jù)寄存器起始地址、讀取的字節(jié)數(shù)。由氨氣濃度傳感器使用手冊(cè)知，數(shù)據(jù)寄存器起始地址規(guī)定為0000H，濃度數(shù)據(jù)由16位數(shù)字組成，高字節(jié)在前，因此，讀取的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為2。根據(jù)PLC的操作手冊(cè)，由MODRD指令讀取的數(shù)據(jù)暫存在D1073中，所以，需要用MOV指令從該特殊寄存器中將數(shù)據(jù)讀到1個(gè)指定的普通寄存器中。本程序中，存放數(shù)據(jù)的指定寄存器設(shè)為D60，氨氣濃度實(shí)際值為D60中數(shù)值的百分之一。通訊參數(shù)設(shè)置程序如下：

3.2.3 多傳感器數(shù)據(jù)融合及實(shí)現(xiàn)

由于豬舍內(nèi)各區(qū)域空間較大，各處溫濕度值不一致，各處氨氣濃度分布不均，為了得到較為準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，防止調(diào)控器誤動(dòng)作使得局部參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離正常值，造成安全事故，需要對(duì)同一區(qū)域多個(gè)同類傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，本研究采用了自適應(yīng)加權(quán)平均融合算法[15]。

設(shè)各傳感器在時(shí)刻的溫濕度及氨氣濃度測(cè)量值分別為y()，＝1、2、3。第個(gè)傳感器的估計(jì)值Y為

Y＝＋n（7）

對(duì)式（9），使2最小的各個(gè)W就是最優(yōu)的加權(quán)因子。對(duì)式（9）關(guān)于各個(gè)W求偏微分，可得最優(yōu)加權(quán)因子的計(jì)算公式[16]為

此時(shí)，對(duì)應(yīng)的估計(jì)值總方差最小值為

為了求得各傳感器測(cè)量值的誤差方差2，李媛媛等[17]采用時(shí)間域測(cè)量值的自相關(guān)系數(shù)R和與其他傳感器測(cè)量值的互相關(guān)系數(shù)R來(lái)求，這種方法應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中是非常合適的，但在PLC系統(tǒng)中，因編程軟件中存在大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，直接調(diào)用相關(guān)的函數(shù)指令來(lái)計(jì)算方差會(huì)更方便。

式中是歷史數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，y()是第個(gè)傳感器的第個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)中均取60 s時(shí)間內(nèi)的10個(gè)值作為歷史數(shù)據(jù)，即＝10。設(shè)傳感器的10個(gè)測(cè)量值均為無(wú)偏估計(jì)值，則第個(gè)傳感器的方差為

根據(jù)以上分析，多傳感器自適應(yīng)加權(quán)平均數(shù)據(jù)融合的算法步驟是[19-29]：①求出一定時(shí)間段內(nèi)各傳感器多個(gè)測(cè)量值；②根據(jù)式（12）、式（13）求出各傳感器測(cè)量值的均值和方差；③根據(jù)式（10）求出各傳感器的最優(yōu)加權(quán)因子；④由式（8）計(jì)算被測(cè)量的估計(jì)值。

在PLC中實(shí)現(xiàn)上述算法的程序流程圖如圖6所示。

圖6 自適應(yīng)加權(quán)融合算法程序流程

各參量的均值求法：在程序中通過(guò)設(shè)置DVP06XA-E2中的控制寄存器CR8～CR11（指定平均次數(shù)）的參數(shù)[30]，從CR12～CR15中讀取各通道輸入信號(hào)在若干個(gè)掃描周期的平均值，該平均值作為傳感器的一次測(cè)量值。方差值、最優(yōu)加權(quán)因子和融合后的估計(jì)值通過(guò)程序計(jì)算得到。

4 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的控制精度和可靠性，按1:50比例制作了圖7所示豬舍模型并組裝了控制系統(tǒng)。

圖7 豬舍生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和清潔系統(tǒng)模型

對(duì)控制系統(tǒng)按下列步驟進(jìn)行測(cè)試：①系統(tǒng)上電后，控制箱轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置“自動(dòng)”位置，在觸摸屏上分別設(shè)置豬舍各區(qū)域溫度的下下限值、下限值、中間值、上限值；濕度下限值設(shè)為30%RH，濕度上限值為70%RH；氨氣濃度下限為5 mg/m3，中間值為10 mg/m3，上限值為15 mg/m3。②在豬舍模型的不同區(qū)域放置盛有冰塊的盒子，使得各溫濕度傳感器附近溫度快速降低，直至低于10 ℃（用標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)對(duì)照測(cè)試）。按“開(kāi)始”按鈕，觀察加熱保溫板和取暖燈是否工作。③取出盛冰塊的盒子，放置底部粘貼了PTC鋁殼陶瓷發(fā)熱片的鐵盒，發(fā)熱片通電，使得豬舍模型內(nèi)溫度快速上升。觀察豬舍內(nèi)各溫度調(diào)節(jié)設(shè)施是否在設(shè)定溫度點(diǎn)處正常工作。④給底部粘貼了PTC鋁殼陶瓷發(fā)熱片的鐵盒內(nèi)加水，通過(guò)水汽蒸發(fā)改變模型內(nèi)濕度，并用1個(gè)家用濕度計(jì)測(cè)量模型內(nèi)濕度的變化，觀察濕度調(diào)節(jié)設(shè)施是否按前述控制要求工作。⑤給上一步所用的鐵盒內(nèi)加入碳酸氫銨，通過(guò)加熱揮發(fā)出氨氣以改變模型內(nèi)氨氣濃度，用?，擜R8500氨氣檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)值作對(duì)照比較，觀察氨氣濃度調(diào)節(jié)設(shè)施是否按前述控制要求工作。

從PLC程序中設(shè)置的10個(gè)連續(xù)通道中（共11個(gè)區(qū)域塊）讀取每10個(gè)掃描周期的測(cè)量平均值，作為各傳感器在1個(gè)測(cè)量周期內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)。表3為豬仔生活區(qū)在20 ℃左右時(shí)溫度測(cè)試數(shù)據(jù)。

表3 豬舍模型內(nèi)豬仔生活區(qū)溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

表4為整個(gè)豬舍在氨氣濃度為15 mg/m3左右時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表4 豬舍模型內(nèi)氨氣濃度測(cè)試數(shù)據(jù)

上述測(cè)試結(jié)果表明，在本控制系統(tǒng)中采用自適應(yīng)加權(quán)平均融合算法比單純采用簡(jiǎn)單算術(shù)平均值更能準(zhǔn)確反映豬舍整體的溫濕度和氨氣濃度大小，能有效提高系統(tǒng)的控制精度和安全性。測(cè)試過(guò)程中，系統(tǒng)能夠在預(yù)設(shè)的參數(shù)點(diǎn)做出靈敏的調(diào)節(jié)反應(yīng)。

5 結(jié) 論

1）本研究針對(duì)中小型養(yǎng)殖場(chǎng)的實(shí)際需求，利用臺(tái)達(dá)PLC及觸摸屏設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)豬舍內(nèi)溫濕度和氨氣濃度等環(huán)境生態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)控制相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)自動(dòng)運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)對(duì)豬糞的自動(dòng)清理。

2）為了實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的準(zhǔn)確測(cè)量，設(shè)計(jì)了溫敏電阻值與電壓的轉(zhuǎn)換電路，并在0～50 ℃測(cè)溫范圍內(nèi)，將測(cè)溫電壓-溫度的變化曲線分為3段作線性化處理，經(jīng)過(guò)測(cè)試，測(cè)溫精度可達(dá)±0.2 ℃。

3）采用多傳感器自適應(yīng)加權(quán)平均融合算法，研究了在PLC控制程序中實(shí)現(xiàn)該算法的理論和方法。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：采用數(shù)據(jù)融合算法時(shí)，在20 ℃附近，溫度測(cè)量值的總方差最小值為0.012 5，而采用算術(shù)平均值時(shí)方差為0.856 2；在氨氣濃度15 mg/m3附近，氨氣濃度測(cè)量值的方差最小值為0.040 6，而采用算術(shù)平均值時(shí)方差為0.954 8。這表明采用數(shù)據(jù)融合算法后，各區(qū)域參數(shù)測(cè)量值的方差遠(yuǎn)小于采用算術(shù)平均時(shí)的方差，數(shù)據(jù)可靠性大幅提升。

本研究所設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)還有待于在實(shí)際工程中的進(jìn)一步完善，下一步研究還應(yīng)考慮將其與自動(dòng)飼喂系統(tǒng)、沼氣產(chǎn)生和利用控制系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，提升科技在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中含量，進(jìn)一步節(jié)省人力，降低生產(chǎn)成本，提高該研究的應(yīng)用價(jià)值。

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Design of control system for pig farm cleaning and ecological environment monitoring

Wang Bin, Liu Xuemei, Zhang Guoqiang, Wang Weijun

(,710124,)

According to the actual needs of small and medium-sized farms, an automatic control system for eco-environmental monitoring and cleaning was designed with PLC (programmable logic controller) as the core controller. The system was composed of subsystems such as sunshade, fan unit, spray system, manure scraper, and flushing control system. According to the detected value of ecological environment parameters such as temperature, humidity, the ammonia concentration in the pigsty, PLC and human-machine interface controlled the subsystems to achieve the regulation of the environmental parameters for improving the survival rate of piglets and reducing the incidence of pigs, resulted in realize the automatic breeding of pigs. According to the different temperature requirements of pigs in different growth stages, temperature-sensitive resistors were used to measure and control the temperature in different areas of the pigsty. Because the resistances of the temperature-sensitive resistor and the changes of the temperature were non-linear to achieve accurate temperature measurement, a simple resistance-voltage conversion circuit was designed and the measured value of the temperature-sensitive resistor was piecewise linearized in the PLC program design. The test results showed that the processing method made the temperature measurement accuracy reach ±0.2 ℃, which fully met the requirements of the control system. Because the PLC analog input module used in this system had only 4 input channels and the temperature and humidity analog signals had 16 channels. In order to reduce the production cost of this system, a 16-channel analog time-shared data acquisition circuit was designed in this study. This circuit was mainly composed of two CD4052. The two output switch signals of the PLC were converted into TTL (transistor-transistor logic) signals as the strobe address signals. Because the output signal of the ammonia concentration sensor used the MODBUS-RTU communication mode, this article gave a program design method to achieve this communication in Delta PLC. Due to the large space in each area of the pigsty, the detection value output by each sensor was related to the location where it was installed. In order to realize the reasonable detection of the environmental parameters in all areas of the pigsty, a multi-sensor adaptive weighted average fusion algorithm was adopted in this study, and a PLC program design method of the algorithm had given. The test results showed that using the data fusion algorithm, the minimum value of the total variance of the temperature measurement values in the piglet’s living area was about 0.012 5 at 20 ℃, and the variance was 0.856 2 when using the arithmetic mean. When the ammonia concentration was around 15 mg/m3, the minimum value of the variance of the ammonia concentration measurement value of the whole pigsty using the data fusion algorithm was 0.040 6, and the arithmetic mean was 0.954 8. This showed that with the data fusion algorithm, the variance of the measured values of the parameters in each area was much smaller than the variance when the arithmetic mean was used. Each subsystem ran reliably during the test and achieves the design goals. The control system had a simple structure, it was easy to install, debug and maintain, and had a low cost. It could greatly reduce the labor intensity of workers, save manpower, and reduce environmental pollution. Its high application value was especially suitable for small and medium-sized scale breeding farms.

control system; design; monitoring; temperature and humidity; ammonia concentration; data fusion

王 斌，劉雪梅，張國(guó)強(qiáng)，王衛(wèi)軍. 豬舍生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和清潔控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(3)：55－62.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.03.007 http://www.tcsae.org

Wang Bin, Liu Xuemei, Zhang Guoqiang, Wang Weijun. Design of control system for pig farm cleaning and ecological environment monitoring[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(3): 55－62. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.03.007 http://www.tcsae.org

2019-09-30

2020-01-08

2018年陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（18JK1167）；陜西省教育廳2017年專項(xiàng)科學(xué)研究項(xiàng)目（17JK1140）

王 斌，副教授，從事測(cè)控技術(shù)及智能儀器方向的教學(xué)和研究。Email：461972516@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.03.007

TP273

A

1002-6819(2020)-03-0055-08