米娜瓦爾·吾買爾

(喀什大學(xué)物理與電氣工程學(xué)院，新疆 喀什 844000)

0 引言

雞對(duì)環(huán)境非常敏感，雞群的生長(zhǎng)受溫度、濕度、光照和空氣質(zhì)量的影響很大。傳統(tǒng)養(yǎng)雞場(chǎng)使用人工風(fēng)扇、白熾燈泡、空調(diào)、清潔肥料等，高度依賴人工控制，無(wú)法實(shí)時(shí)控制且缺乏準(zhǔn)確性，消耗人力。 同時(shí)，工作人員之間的頻繁接觸增加了接觸感染源的可能性。對(duì)于專業(yè)化養(yǎng)雞場(chǎng)而言，養(yǎng)雞設(shè)備的精準(zhǔn)化、自動(dòng)化程度，決定了雞場(chǎng)的養(yǎng)殖水平?；谏鲜鲈?，開發(fā)一種低成本、穩(wěn)定、智能的集約化養(yǎng)雞場(chǎng)控制系統(tǒng)非常重要。

1 設(shè)計(jì)背景與意義

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活質(zhì)量的提高，對(duì)肉制品的安全性提出了迫切要求，因此改善養(yǎng)殖環(huán)境和防治雞群疾病成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。過(guò)去，農(nóng)民在養(yǎng)雞、飲水、使用疫苗和藥物治療禽病等方面投入了大量的人力和物力，家禽生產(chǎn)質(zhì)量不高，生產(chǎn)力低，經(jīng)濟(jì)效益低，在目前的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中難以生存。主要原因是雞長(zhǎng)期在不利條件下生長(zhǎng)，抵抗力下降，導(dǎo)致疾病，死亡率較高，增重相對(duì)較低。通過(guò)對(duì)雞舍環(huán)境的智能控制，不僅可以改善雞群的養(yǎng)殖環(huán)境，還可以增加抗病能力，節(jié)省不必要的藥物成本，提高生產(chǎn)效率。因此，越來(lái)越多的農(nóng)場(chǎng)正在使用先進(jìn)的智能控制裝置對(duì)雞舍的環(huán)境進(jìn)行升級(jí)，包括溫度、濕度、照明和其他室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)[3]。因此，利用智能控制系統(tǒng)，可以幫助家禽養(yǎng)殖戶管理家禽養(yǎng)殖場(chǎng)，提高生產(chǎn)效率，降低成本，增加收益。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用模擬器設(shè)計(jì)，主要由電源、傳感器數(shù)據(jù)、處理器控制、12864映射、聲音報(bào)警、中繼站電機(jī)和時(shí)鐘組成。用于數(shù)據(jù)采集的傳感器模塊，包括溫度和濕度檢測(cè)、煙霧檢測(cè)和光檢測(cè)等4個(gè)模塊組成，具體如圖1所示[4]。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

微控制器由89C51芯片控制，分析溫度、濕度、光線、煙霧等數(shù)據(jù)。相關(guān)的控制模塊繼電器控制或關(guān)閉現(xiàn)場(chǎng)的硬件設(shè)備，定時(shí)動(dòng)作模塊向控制器發(fā)送信號(hào)，控制模塊啟動(dòng)。

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境定制模塊有手動(dòng)和自動(dòng)2種模式。在手動(dòng)模式中，風(fēng)扇、空調(diào)、燈、糞便清潔器等可手動(dòng)獨(dú)立控制，獨(dú)立設(shè)置設(shè)備的啟停時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間；在自動(dòng)模式下，控制器控制設(shè)備，無(wú)需人工干預(yù)。

3 硬件設(shè)備設(shè)計(jì)

3.1 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

3.1.1 濕度測(cè)量模塊

濕度檢查基本上決定了雞舍的空氣含水量。 此設(shè)計(jì)使用 DHT11 數(shù)字熱濕傳感器作為復(fù)合物來(lái)檢測(cè)溫帶的濕度共3個(gè)引腳，其中只有1個(gè)是數(shù)據(jù)傳輸指標(biāo)，所以只有1個(gè)輸入/輸出。 DHT11的濕度從20%～90% RH，精度為0.5%[5]。

3.1.2 溫度測(cè)量模塊

養(yǎng)雞場(chǎng)通常采用籠子養(yǎng)殖，養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)分雞籠一般有3～4層籠子，每層約50 cm。由于特殊的養(yǎng)殖方式，不同位置溫差很大，因此，需要改變?nèi)S傳感器的位置來(lái)確定雞舍的溫度。通過(guò)DS18B20溫度傳感器檢測(cè)雞舍溫度，DS18B20具有3個(gè)引腳，溫度范圍50℃～120℃[6]。最重要的是，DS18B20具有獨(dú)特的單線接口，可以將測(cè)溫結(jié)果與芯片一起跟蹤回微機(jī)，同時(shí)跟蹤地址信號(hào)。對(duì)于多維溫度系統(tǒng)，MCU返回值可以準(zhǔn)確定位溫度地址。單個(gè)機(jī)器可以通過(guò)恢復(fù)溫度和地址含義來(lái)更好地控制所在區(qū)域的風(fēng)扇和空調(diào)。

3.1.3 煙霧檢測(cè)模塊

煙霧探測(cè)模塊旨在作為雞舍火災(zāi)預(yù)警，可以發(fā)出聲音并立即發(fā)出警報(bào)，提醒偵察員隔離災(zāi)區(qū)，避免人員傷亡。 它通過(guò)UD-02離子傳感器檢測(cè)煙霧強(qiáng)度，該傳感器具有很高的靈敏度和可靠性。有2個(gè)離子室和輻射源(美國(guó)241.0.9 mchee)，工作電壓9 V，溫度為20±5℃，無(wú)煙時(shí)收集器的平衡位置為5.0～5.6 V[7]；當(dāng)有煙霧時(shí)，集電極電壓在1.1～1.2 V變化。使用比較器將輸出信號(hào)與系統(tǒng)的比較器電壓進(jìn)行比較。當(dāng)電壓高于參考電壓時(shí)，比較器會(huì)判斷控制器是否正常；當(dāng)輸出小于比較電壓時(shí)，比較器輸出為0，為報(bào)警信號(hào)，控制器控制聲音報(bào)警模塊發(fā)出報(bào)警聲[8]。

3.1.4 光強(qiáng)度檢測(cè)模塊

光照對(duì)雞的生長(zhǎng)發(fā)育有重大影響，尤其是產(chǎn)蛋率。本設(shè)計(jì)利用光敏電阻的光強(qiáng)變化引起電阻變化的原理，采用點(diǎn)檢測(cè)來(lái)檢測(cè)光強(qiáng)。

此設(shè)計(jì)可測(cè)亮度為200 000～50 000 LXS，適合雞群生長(zhǎng)的光照度為35 LXS以上，照明時(shí)間因季節(jié)而異。光照強(qiáng)度通過(guò)控制器反應(yīng)調(diào)節(jié)，光照時(shí)間手動(dòng)設(shè)置。光敏電阻被設(shè)計(jì)為檢測(cè)元件，光敏電阻反映的是電壓的不斷變化，輸出的是模擬量，不能直接傳送到帶芯片的微機(jī)控制屏幕，因此，PCF8591用于AD轉(zhuǎn)換[9]。PCF8591采用IIC通訊協(xié)議進(jìn)行通信。SCL和SDA接微控制器，微控制器上的定時(shí)器模擬輸出脈沖并讀取數(shù)據(jù)。

3.2 單芯片機(jī)(MCU)模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用帶有89C51芯片的微機(jī)作為控制器。89C51 MCU是INTEL McS-52系列的基礎(chǔ)MCU產(chǎn)品，具有40個(gè)引腳、32個(gè)雙向I/O端口、8位中央處理器和256字節(jié)內(nèi)部存儲(chǔ)器。2個(gè)16位定時(shí)器和5個(gè)切換到第二級(jí)。工作電壓為5.0 V，其核心單元如圖2所示。

圖2 89C51 基本單元

3.3 時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)

是為了使用DS1302芯片作為時(shí)鐘芯片而設(shè)計(jì)的。 DS1302 是一種低能耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，由DALLAS公司提供動(dòng)力。 DS1302可測(cè)量年、月、周、日、時(shí)、分、秒及閏年補(bǔ)償?shù)目赡苄訹10]。

3.4 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)可靠性，將單個(gè)控制端切換為高電平或低電平，切換控制設(shè)備。 當(dāng)控制完成時(shí)，引入高壓，晶體管Q7導(dǎo)通，電流在光電二極管內(nèi)部流動(dòng)，此時(shí)，右側(cè)中繼站驅(qū)動(dòng)晶體管，固態(tài)KM繼電器控制電子設(shè)備；當(dāng)輸入控制單體為低電平時(shí)，晶體管 Q7 關(guān)閉，打開，沒(méi)有電流通過(guò)二極管到達(dá)光電連接器，因此，當(dāng)右側(cè)晶體管連接器斷開時(shí)，它與電子設(shè)備斷開連接。 旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇、空調(diào)和燈泡的強(qiáng)度和數(shù)量因環(huán)境而異，本設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)風(fēng)扇和白熾燈組。

3.5 制圖投影顯示器模塊的設(shè)計(jì)

當(dāng)檢測(cè)到傳感器信號(hào)時(shí)，將其發(fā)送到帶有處理芯片的微機(jī)中，在處理過(guò)程中同時(shí)顯示溫度、濕度、煙霧和照明等數(shù)據(jù)。對(duì)于制圖投影顯示器，12864可以顯示英文、漢字、阿拉伯?dāng)?shù)字和簡(jiǎn)單圖形，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 修正過(guò)程

4.1 調(diào)試硬件

首先將傳感器模塊通過(guò)串口連接到電腦，使用串口校正向?qū)z查傳感器模塊是否可以正常工作。如果數(shù)據(jù)顯示正常，使用帶芯片的微電腦處理數(shù)據(jù)，并連接下載設(shè)備檢查是否能正常工作。供電完成后，用萬(wàn)用表檢查輸出電壓是否是需要的電壓。

4.2 軟件修正

1)溫、濕度軟件校正:讀取溫、濕度傳感器的數(shù)值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行觀察，并與當(dāng)前溫度進(jìn)行比較，看是否正確。

2)光敏電阻修正:讀取光敏值，通過(guò)串行門將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)觀察，觀察數(shù)據(jù)，一般正常照度>2.9 V，能見(jiàn)度低時(shí)電壓一般較低[11]。

3)熱釋電紅外:讀取熱釋電紅外值。高等級(jí)電壓表示無(wú)雞通過(guò)，低等級(jí)電壓表示有雞外出。

4.3 溫度、濕度、光照校正

雞在不同的生長(zhǎng)期需要不同的溫度和濕度，可以根據(jù)需要設(shè)置溫度和濕度。溫、濕度標(biāo)準(zhǔn)可自行設(shè)定，當(dāng)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，打開排氣口或打開加熱或冷卻裝置。以下是雞舍環(huán)境的參考標(biāo)準(zhǔn)。

1)溫度:雞的繁殖環(huán)境很重要，尤其是溫度。雛雞在1～3 d需要的環(huán)境溫度是37℃，4～7 d的溫度是35℃，在這以后每周降溫2℃直到21℃。

2)濕度:濕度也是影響家禽養(yǎng)殖環(huán)境的一個(gè)因素。試驗(yàn)前10 d適宜的濕度為65%～70%；雞長(zhǎng)得很快。10 d后，雞糞增多，呼吸加快，易受潮，濕度應(yīng)控制在50%～55%，不能于40%。

3)通風(fēng):一般雞舍會(huì)設(shè)置通風(fēng)口，以調(diào)整雞舍的溫度、濕度和空氣質(zhì)量。打開通風(fēng)口時(shí)，應(yīng)將溫度設(shè)置在1℃～2℃以上，然后智能開窗通風(fēng)。

4)燈光:白天雞可以正常生活，但黑夜由于夜視差幾乎看不到，所以需要打開燈光裝置，方便其在晚上進(jìn)食。通常光照時(shí)間第一周為23～24 h/d。目的是讓雞盡快熟悉環(huán)境，使其適應(yīng)飲水和進(jìn)食，之后可以適當(dāng)減少燈光時(shí)間[12]。

5 未來(lái)展望

目前，養(yǎng)雞場(chǎng)通常使用一些機(jī)械化設(shè)備來(lái)進(jìn)行養(yǎng)殖。但由于資金不足，一些小型養(yǎng)雞場(chǎng)只安裝了自動(dòng)飲水設(shè)備，沒(méi)有自動(dòng)測(cè)溫、測(cè)濕設(shè)備，需要人工檢測(cè)才能確定是否調(diào)整內(nèi)部溫度;幾乎所有的養(yǎng)雞場(chǎng)在晚上都需要開燈，以便雞可以進(jìn)食，由于不智能需要人員操作，較為麻煩;雞舍必須有空氣供應(yīng)，有利的生長(zhǎng)條件有助于減少病害，但大部分通風(fēng)口都安裝在雞舍上方或墻壁上，冬天就會(huì)關(guān)閉，直到雞舍的氣味危害雞的生長(zhǎng)才會(huì)打開;當(dāng)雞進(jìn)入成熟期時(shí)，它們變得更加活躍，有時(shí)會(huì)離開活動(dòng)區(qū)域或雞舍，造成不必要的問(wèn)題，如果工作人員沒(méi)有看到，就會(huì)造成不必要的傷害。以上傳統(tǒng)養(yǎng)殖存在的問(wèn)題，通過(guò)智能化手段能得到有效解決。因此，現(xiàn)代的智能雞舍是發(fā)展的方向，現(xiàn)代的智能雞舍趨向于自動(dòng)化，能夠自動(dòng)檢測(cè)并響應(yīng)高或低的溫度和濕度；雞離開活動(dòng)區(qū)域時(shí)，可以提前預(yù)警，及時(shí)捕捉，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失和困難。未來(lái)養(yǎng)殖業(yè)，智能系統(tǒng)將逐步取代人工作業(yè)，發(fā)展為智能化養(yǎng)殖。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能化逐漸征服了市場(chǎng)。智能家居、智能溫室、智能機(jī)器人等自動(dòng)化、機(jī)械化、智能化設(shè)備逐漸取代傳統(tǒng)的體力勞動(dòng)，成為一種新型的工作方式，節(jié)省大量時(shí)間。養(yǎng)雞場(chǎng)的智能化控制體現(xiàn)了智能化的優(yōu)勢(shì)，它通過(guò)控制和監(jiān)測(cè)禽場(chǎng)環(huán)境的溫度、濕度、照明、水和材料，更好地管理禽場(chǎng)，提高生產(chǎn)效率。本文針對(duì)雞舍生長(zhǎng)需求研究設(shè)計(jì)了一種智能監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可以控制雞舍的溫度、濕度、光線、煙霧等環(huán)境因素，還可以通過(guò)計(jì)時(shí)器定期對(duì)雞舍進(jìn)行清潔。通過(guò)風(fēng)扇、空調(diào)、導(dǎo)光燈等單體硬件，控制區(qū)域的各種環(huán)境因素，確保雞群健康養(yǎng)殖。