程 媛 王守城

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 青島 266061）

1 引言

隨著生活水平的提高人們對(duì)于家禽肉類以及蛋類的需求量不斷地增加，從而家禽的集中養(yǎng)殖變得普遍，但是對(duì)于肉質(zhì)的保證以及家禽的生活環(huán)境的保證逐漸是人們關(guān)心的問題，禽舍環(huán)境直接影響家禽的成長(zhǎng)、免疫力以及家禽肉類蛋類的品質(zhì)。所以采用現(xiàn)代化技術(shù)增加家禽設(shè)施的自動(dòng)化程度減小人力輸出的同時(shí)更好地控制調(diào)節(jié)禽舍的溫濕度，本設(shè)計(jì)以STM32F407 為核心研發(fā)一套禽舍溫濕度調(diào)整控制自動(dòng)化系統(tǒng)，STM32F407 是32 位高性能ARM Cortex-M4 處理器，相比于其他的低端單片機(jī)擁有更好更方便的人機(jī)交互操作模式，同時(shí)具有144 個(gè) I/O 引腳，32 位定時(shí)器，3 個(gè) 12 位 AD 多達(dá) 24個(gè)外部檢查通道，USB，低功耗，以及多達(dá)17個(gè)通訊接口I2C，192KBSRAM，1MBFLASH，可以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及儲(chǔ)存運(yùn)行的長(zhǎng)久性。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分散信息并行處理的能力調(diào)整所測(cè)得數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合處理取得PID 算法最優(yōu)化的參數(shù)組合然后調(diào)整控制禽舍的溫濕度使每個(gè)階段的溫度調(diào)整都可以得到最理想的溫濕度，另外還可以增強(qiáng)禽舍控制系統(tǒng)的適應(yīng)性、魯棒性、穩(wěn)定性，從而保證禽舍溫濕度控制系統(tǒng)裝置的可控性［1～2］。

2 禽舍工作原理設(shè)計(jì)

該裝置解凍系統(tǒng)主要由噴霧加濕器、熱風(fēng)爐、風(fēng)機(jī)、水料線、濕簾、燈光等組成。由DS18B20檢測(cè)禽舍溫度采集禽舍溫度信息，由熱風(fēng)爐提供禽舍溫度滿足家禽所需溫度，由風(fēng)機(jī)來(lái)控制禽舍內(nèi)的降溫，通風(fēng)以及除濕，同時(shí)雞舍會(huì)存在出風(fēng)口與風(fēng)機(jī)配合使用使禽舍溫度達(dá)到合適溫度以及濕度，由噴霧加濕器進(jìn)行水霧化增加禽舍內(nèi)的濕度、降低禽舍溫度，同時(shí)進(jìn)行禽舍消毒功能，由AM2305 檢測(cè)禽舍的濕度數(shù)據(jù)，由DS1307 實(shí)時(shí)時(shí)鐘對(duì)家禽成長(zhǎng)的每個(gè)階段提供實(shí)時(shí)溫濕度所需數(shù)據(jù)信息，通過神精網(wǎng)絡(luò)多元素融合及其學(xué)習(xí)能力進(jìn)行PID 參數(shù)運(yùn)算調(diào)節(jié)禽舍每個(gè)階段的溫濕度以及禽舍空氣環(huán)境，使禽舍的溫濕度環(huán)境都可以達(dá)到家禽成長(zhǎng)時(shí)每個(gè)階段所設(shè)定的溫濕度值，得到適宜的家禽成長(zhǎng)環(huán)境，其中加濕器由繼電器控制通斷［3］，禽舍系統(tǒng)布局結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 禽舍布局結(jié)構(gòu)圖

3 溫濕度檢測(cè)硬件電路

禽舍采用DS18B20 溫度測(cè)溫器測(cè)量禽舍內(nèi)溫度環(huán)境，家禽的對(duì)溫度特別敏感，因?yàn)殡u鴨沒有汗腺的原因，溫度過高時(shí)會(huì)對(duì)雞鴨的成長(zhǎng)有嚴(yán)重的影響，采用AM2305 數(shù)字溫濕度檢測(cè)器檢測(cè)禽舍濕度同時(shí)提供溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)。DS18B20 具有獨(dú)特的單總線接口方式，可以僅需一根先就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與溫度檢測(cè)器的雙向數(shù)據(jù)傳輸，外圍電路簡(jiǎn)單，控制電路如圖2，AM2305 數(shù)字溫濕度測(cè)溫器的連接線路同時(shí)也是單線傳遞數(shù)據(jù)如圖3［4］。

圖2 DS18B20控制電路

圖3 AM2305控制電路

4 溫濕度系統(tǒng)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

4.1 PID控制系統(tǒng)

PID 控制系統(tǒng)可以很好地控制調(diào)試單一數(shù)據(jù)元素，使其可以接近所設(shè)定需求數(shù)據(jù)值，同時(shí)可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有簡(jiǎn)單的工作原理及結(jié)構(gòu)，可以滿足單一條件下的控制系統(tǒng)，提供可靠的最優(yōu)數(shù)據(jù)。PID控制原理圖如圖4所示。

圖4 PID控制原理圖

一般的PID 控制算法將檢測(cè)數(shù)據(jù)包括比例控制（P）、積分控制（I）、微分控制（D）計(jì)算控制后得到接近數(shù)據(jù)設(shè)定最優(yōu)質(zhì)。PID 所控制調(diào)節(jié)的是輸入的設(shè)定值e(t)與實(shí)際溫濕度檢測(cè)數(shù)值之間的差c(t)構(gòu)成：

PID控制屬于線性控制通過比例（P）、積分（I）、微分（D）的線性組合偏差控制參數(shù)，從而得到：

由式（2）得PID傳遞函數(shù)為

（KP為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間系數(shù)；TD為微分時(shí)間系數(shù)）

將模擬PID 傳遞函數(shù)算法式（3）經(jīng)過離散化，可得：

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)每次的結(jié)果u（k）都與上一次運(yùn)算輸出結(jié)果u（k-1）有關(guān)，對(duì)系統(tǒng)配置的內(nèi)存需求較大，時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)也存在較大偏差，又因?yàn)橄到y(tǒng)控制檢測(cè)的環(huán)境溫濕度不斷變化，以及PID 算法針對(duì)單一性條件，并不適用禽舍控制系統(tǒng)，為彌補(bǔ)算法缺點(diǎn)這里采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 進(jìn)行禽舍溫濕度控制［5～6］。

4.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法

BP 神經(jīng)網(wǎng)路PID 算法就提高PID 的控制精度以及其穩(wěn)定性，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)調(diào)節(jié)、學(xué)習(xí)能力，根據(jù)實(shí)時(shí)誤差變化進(jìn)行控制調(diào)整系統(tǒng)，即實(shí)時(shí)調(diào)整控制系統(tǒng)的比例（kp）、積分（ki）、微分（kd），通過調(diào)整PID 參數(shù)對(duì)系統(tǒng)實(shí)施閉環(huán)控制，使禽舍的溫度、濕度在變化的過程中接近理想值，實(shí)現(xiàn)禽舍溫濕度控制變化的最優(yōu)化，控制結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制結(jié)構(gòu)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層的輸入：

隱含網(wǎng)絡(luò)層節(jié)點(diǎn)輸入、輸出：

其隱含層的活化函數(shù)f(x)的神經(jīng)元Sigmoid正負(fù)對(duì)稱函數(shù)：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的輸入、輸出：

神經(jīng)元輸出層的恒正的Sigmoid函數(shù)：

有關(guān)性能指標(biāo)函數(shù)：

式中rp理想設(shè)定值，yp檢測(cè)值。

正網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值量的修正是由最快下降法進(jìn)行計(jì)算，即搜索調(diào)整的方向?yàn)闄?quán)系數(shù)減小方向，采用全局性極小慣性項(xiàng)加快搜索速度的收斂，即得到：

其中η學(xué)習(xí)速率，α平滑因子。

由式（8）及增量式PID控制算法計(jì)算可得：

綜上所述，輸出層的權(quán)系數(shù)計(jì)算公式：

隱含層的權(quán)系數(shù)計(jì)算公式為

4.3 溫度控制方法

溫度對(duì)家禽的影響很強(qiáng)，當(dāng)溫度過高時(shí)，影響家禽的新陳代謝，活動(dòng)減少，容易造成脫水死亡，然而溫度過低則會(huì)增加家禽的食量，增加飼料的消耗，增加不必要的支出［7～9］。本設(shè)計(jì)裝置系統(tǒng)采用5個(gè)溫度傳感器進(jìn)行多點(diǎn)溫度傳感器檢測(cè)溫度，另外禽舍外設(shè)計(jì)一個(gè)溫度傳感器，經(jīng)過熱負(fù)荷計(jì)算以及通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多點(diǎn)不同位置進(jìn)行調(diào)整，通過控制通風(fēng)口以及噴霧式加濕器進(jìn)行降溫，當(dāng)溫度過低時(shí)提醒開啟熱風(fēng)爐進(jìn)行禽舍加熱，提高禽舍內(nèi)溫度，同時(shí)考慮其他禽舍因素，通過調(diào)試PWM控制通風(fēng)口的大小，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過多元素計(jì)算綜合禽舍外部溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)選擇橫向或者縱向的通風(fēng)方式，計(jì)算控制噴霧降溫的時(shí)間。又隨著家禽的不同生長(zhǎng)期進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整設(shè)定值的計(jì)算以及控制，如圖6。

圖6 溫度控制流程

4.4 濕度控制方法

濕度是禽舍溫度的重要因素，濕度過高時(shí)會(huì)引起病菌的滋生，威脅家禽的健康，低溫高濕度時(shí)會(huì)引起家禽食量增大，造成飼料的浪費(fèi)［10～12］。當(dāng)濕度過低時(shí)，禽舍空氣干燥，會(huì)引起家禽體內(nèi)缺水出現(xiàn)缺水脫水狀況，所以在濕度過低時(shí)，開啟噴霧器對(duì)禽舍進(jìn)行加濕，當(dāng)濕度過高時(shí)，開啟通風(fēng)口進(jìn)行通風(fēng)除濕，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)考慮計(jì)算溫度以及濕度間的協(xié)調(diào)控制，如圖7。

圖7 濕度控制流程

5 數(shù)據(jù)分析

通過系統(tǒng)調(diào)試，進(jìn)行模擬禽舍溫濕度控制數(shù)據(jù)記錄最后考察兩者之間的互相影響下的協(xié)調(diào)效果如圖8～9。

圖8 禽舍溫度變化曲線圖

圖9 禽舍濕度變化曲線圖

6 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)方案，在傳統(tǒng)的禽舍溫濕度控制方法上增加了自動(dòng)化智能控制，STM32為控制核心擁有更好的人機(jī)交互性，又采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的算法控制計(jì)算，協(xié)調(diào)溫濕度之間的影響，增加系統(tǒng)的靈敏性以及抗干擾性，保證系統(tǒng)的可靠有效性，保證溫度控制的精確性，在家禽養(yǎng)殖生長(zhǎng)以及肉類生產(chǎn)上具有廣泛的前景和實(shí)用性。