溫東源，黃培強，林展鵬，彭俊杰，鐘沈偉，李焱坭

（湛江科技學院，廣東 湛江 524094）

0 引言

目前，國內(nèi)對于育雛雞舍進行了大量的研究。劉暢[1]研究了如何用導軌式洗濾芯小車清洗雞舍空氣濾芯；王友君[2]研究了用CFD（Computational Fluid Dynamics）技術(shù)分析超長雞舍內(nèi)空氣流動、濕簾窗進風分布情況和溫度分布情況；鄭煒超[3]研究了禽舍環(huán)境智能化監(jiān)測及評估技術(shù)、家禽生理行為信息感知及健康預警技術(shù)、環(huán)境精準調(diào)控技術(shù)、家禽養(yǎng)殖智能裝備及管控平臺等技術(shù)裝備；李保明[4]分析了畜禽舍裝配式建筑與熱環(huán)境耦合調(diào)控技術(shù)，畜禽舍環(huán)境因子智能化監(jiān)測與自動化調(diào)控技術(shù)，畜禽智能化飼喂、飲水裝備，畜禽舍清糞工藝及自動化清糞裝備，以及畜禽生產(chǎn)信息實時采集與智能管理技術(shù)。本設(shè)計方案基于雛雞生長所需的條件，把育雛雞舍進行自動化和聯(lián)網(wǎng)化，完成了雞舍結(jié)構(gòu)框架設(shè)計方案、育雛雞舍的控制方案和環(huán)境數(shù)據(jù)檢測方案。

1 雞舍結(jié)構(gòu)框架設(shè)計方案

本設(shè)計以長60 cm，寬60 cm，高50 cm 的拼接式網(wǎng)格鐵籠為主體，底部鐵網(wǎng)為橫條式鐵網(wǎng)；喂食器裝置于鐵籠頂部偏右，喂食槽裝置于喂食器正下方，通過垂直管道傳送飼料到喂食槽；傳送帶式糞便清理器裝置于鐵籠正下方，在傳送帶末端設(shè)置糞便烘干收集盒；升溫裝置安裝于籠子頂部中央，以無光形式升溫；雞舍控制面板固定在雞舍前門，并且前門開設(shè)可視窗口，方便操作和觀察；雞舍整體用0.5 mm 鋁膜珍珠棉保溫鋁箔密封封裝，盡量減少熱量流失。雞舍結(jié)構(gòu)框架實物如圖1 所示。

圖1 雞舍結(jié)構(gòu)框架實物圖

2 整體功能方案及整體方案設(shè)計

基于雞舍結(jié)構(gòu)，整體功能方案概況有8 點：（1）恒溫監(jiān)測與調(diào)節(jié)；（2）濕度檢測與調(diào)節(jié)；（3）氨氣濃度檢測與降低；（4）按生長周期自動喂食；（5）自動清理糞便與烘干；（6）養(yǎng)殖方案的推薦與選擇；（7）小程序遠程檢測與控制；（8）飼養(yǎng)環(huán)境異常，小程序彈窗警告。

筆者提出的智慧育雛雞舍由雞舍控制面板、數(shù)據(jù)收集中轉(zhuǎn)器，微信小程序3 部分構(gòu)成。

雞舍控制面板以IAP15W4K61S4（后稱IAP15）為主控芯片，負責雞舍內(nèi)各傳感器的數(shù)據(jù)收集、處理、發(fā)送和控制喂食器，升溫裝置，換氣裝置，糞便自動清理裝置，散熱裝置的運行，通過ZigBee 無線通訊技術(shù)把實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)收集中轉(zhuǎn)器。

數(shù)據(jù)收集中轉(zhuǎn)器以ESP32-32E（后稱ESP32）為主控芯片，負責接收雞舍控制面板傳輸過來的實時數(shù)據(jù)，然后把各個雞舍的實時數(shù)據(jù)實時顯示在電容屏上，對雞舍控制面板進行反向控制，并把各雞舍的實時數(shù)據(jù)通過ESP32 芯片輸送到云服務器。

2.1 雞舍控制面板

在雞舍控制面板中，IAP15 芯片收集DHT11 溫濕度傳感器、MQ135 有害氣體傳感器、壓力傳感器的數(shù)據(jù)，通過ZigBee 局域網(wǎng)通訊電路發(fā)送到數(shù)據(jù)收集中轉(zhuǎn)器，并且判斷各項參數(shù)是否超過設(shè)定值，進而判斷是否需要運行升溫、降溫電路，以及換氣裝置。通過軟件定期控制自動喂食電路、自動清理糞便電路、自動加濕電路的運行。通過ZigBee 通信協(xié)議，實現(xiàn)雞舍控制面板與數(shù)據(jù)收集中轉(zhuǎn)器的數(shù)據(jù)雙向傳輸，并接受數(shù)據(jù)收集中轉(zhuǎn)器和小程序的反向控制養(yǎng)殖設(shè)備。雞舍控制面板硬件框圖如圖2 所示。

圖2 雞舍控制面板硬件框圖

IAP15 芯片獲取并處理傳感器數(shù)據(jù)，然后判斷是否要啟動各個外設(shè)裝置調(diào)節(jié)各個雞舍的生長環(huán)境。

以單個雞舍為例，雞舍控制面板上電，系統(tǒng)初始化，啟動換氣裝置30 秒、開啟升溫裝置使雞舍內(nèi)溫度逐步上升至設(shè)定溫度，且持續(xù)光照24 h 以上避免幼雛出現(xiàn)啄肛癖，啄趾癖，啄羽癖，食蛋癖和異食癖等。DHT11 溫濕度傳感器實時檢測雞舍內(nèi)溫濕度，IAP15芯片判斷當前溫濕度是否在閾值范圍內(nèi)。若溫度高于閾值，開啟降溫裝置同時通過減小PWM（Pulse-width modulation）的占空比控制降低升溫裝置的輸出功率，3 秒后再次判斷是否低于溫度上限，若仍高于則重復執(zhí)行上述循環(huán)；若溫度低于閾值，增大PWM 的占空比，進而提高升溫裝置的輸出功率，工作3 秒后再次判斷是否高于溫度下限，若仍低于則重復執(zhí)行上述操作。

MQ135 有害氣體傳感器實時檢測氨氣濃度，經(jīng)過模、數(shù)轉(zhuǎn)換，得到MQ135 有害氣體傳感器輸出電壓，結(jié)合0.15×MQ135 有害氣體傳感器輸出電壓/1024×1000 公式，計算氨氣的實際濃度值。IAP15 芯片判斷當前濃度是否在閾值范圍內(nèi)，若處于正常范圍內(nèi)，則不啟動換氣裝置；若超出閾值，則開啟換氣裝置進行換氣，同時啟動傳送帶清理糞便，傳送帶旋轉(zhuǎn)完畢5 秒后，再次檢測氨氣濃度是否在閾值范圍內(nèi)。若仍超出閾值，則繼續(xù)開啟換氣裝置20 秒，若仍超出閾值，則繼續(xù)重復上述動作。

雛雞入籠，按下雞舍控制面板的育雛周期開始按鈕，向數(shù)據(jù)收集中轉(zhuǎn)器發(fā)送開始育雛的標記信號，數(shù)據(jù)收集中轉(zhuǎn)器記錄當前日期，并通過體重測量系統(tǒng)測量雛雞整體重量，IAP15 芯片把此數(shù)據(jù)對比于數(shù)據(jù)庫的重量等級，進而判斷投喂量，然后IAP15 芯片控制投喂系統(tǒng)的運作時間，實現(xiàn)飼料投喂量的控制；并開啟糞便清理系統(tǒng)完成糞便清理。雞舍控制面板功能邏輯框圖如圖3 所示，雞舍控制面板實物如圖4 所示。

圖3 雞舍控制面板功能邏輯框圖

圖4 雞舍控制面板實物圖

2.2 數(shù)據(jù)收集中轉(zhuǎn)器

數(shù)據(jù)收集中轉(zhuǎn)器以ESP32 為核心，利用ZigBee局域網(wǎng)通訊電路接收雞舍控制面板發(fā)送的數(shù)據(jù)，并在電容屏上進行實時顯示，且可以反向調(diào)節(jié)育雛雞舍環(huán)境參數(shù)。在數(shù)據(jù)收集中轉(zhuǎn)器中，ZigBee 局域網(wǎng)通訊電路用于接收各雞舍控制面板發(fā)送的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集中轉(zhuǎn)器與多個雞舍控制面板進行數(shù)據(jù)交互，然后由ESP32 芯片進行處理后在電容屏上顯示各個育雛雞舍的數(shù)據(jù)，并由ESP32 芯片把數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務器，通過MQTT 協(xié)議實現(xiàn)服務器與手機終端進行數(shù)據(jù)交互，手機端可以反向調(diào)節(jié)養(yǎng)殖設(shè)備內(nèi)部環(huán)境參數(shù)；且利用電容屏可觸控的特性，通過數(shù)據(jù)顯示窗口的按鈕對雞舍控制面板進行反向控制，進而控制雞舍各裝置的運行。

數(shù)據(jù)收集中轉(zhuǎn)器的ZigBee 模塊接收到雞舍控制面板發(fā)送的各項數(shù)據(jù)，ESP32 芯片把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成JSON（JavaScript Object Notation）格式，然后通過MQTT 通訊協(xié)議上傳至云服務器上，并在電容屏上進行實時顯示各項數(shù)據(jù)（如各個雞舍的生長周期、實時溫度、濕度、氨氣是否超標），若有參數(shù)超出閾值30秒，ESP32 芯片將會驅(qū)動蜂鳴器報警電路發(fā)出警報；且可以在電容屏上實時調(diào)節(jié)參數(shù)，進而反向控制育雛雞舍各裝置的運行。數(shù)據(jù)收集中轉(zhuǎn)器實物如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)收集中轉(zhuǎn)器實物圖

3 軟件整體方案

啟動控制器和主控臺硬件，利用MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）協(xié)議將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成JSON的格式并發(fā)送到MQTT 服務器中，小程序通過域名、id、密鑰等連接云服務器，同時獲取各傳感器的參數(shù)并進行處理，通過不同的函數(shù)處理不同的數(shù)據(jù)。如，獲取氨氣濃度數(shù)據(jù)判斷是否超出閾值，若濃度過高，小程序上彈窗提醒，若濃度處于正常值，小程序顯示不超標；獲取溫度數(shù)據(jù)，在主界面中顯示實時溫度。開始育雛時啟動喂食定時器和照明定時器，并且小程序記錄當前的時刻，獲取傳感器的標志位，判斷兩個定時器是否完成計數(shù)；若計數(shù)完成則小程序會記錄當前標志位，同時發(fā)送wx.request 請求到云服務器中，控制器可從MQTT 服務器中獲取定時結(jié)果。還可以通過小程序反向的控制雞舍各種開關(guān)模塊，小程序開發(fā)時根據(jù)硬件開發(fā)約定的指令設(shè)置邏輯代碼發(fā)送對應的指令到服務器上，硬件設(shè)備通過云服務器獲取特定的指令后，根據(jù)特定的指令來開啟對應的功能模塊。小程序根據(jù)數(shù)據(jù)庫記錄設(shè)備的啟動時間以及雛雞種類的記錄，利用調(diào)查所得的數(shù)據(jù)和軟件模擬計算出的喂食函數(shù)和生長函數(shù)，最終定時向設(shè)備發(fā)送喂養(yǎng)的指令。

4 測試驗證與結(jié)果分析

4.1 溫濕度檢測與控制功能測試結(jié)果分析

在控制器系統(tǒng)中，保溫裝置功率的可調(diào)范圍為35 ～270 W，雞舍內(nèi)最高溫度可升至50 ℃。根據(jù)測試計算得出，當每升溫1 ℃需要增加10 W 的功率，而每一個單位時間PWM 正半周期所對應的能量是30 W。每升溫1 ℃時，需要調(diào)節(jié)PWM 占空比增加1/3。當DHT11 傳感器檢測到當前溫度超出閾值后，雞舍控制面板獲取當前溫度數(shù)據(jù)并計算出超溫度差值，控制MOS（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）管導通使散熱裝置工作，同時減小PWM 的占空比，降低保溫裝置的保溫功率，使雞舍溫度處于動態(tài)平衡下。經(jīng)過測驗，在室溫22 ℃情況下，保溫裝置每降低10W 輸出功率，雞舍內(nèi)溫度在8 ～11 s 內(nèi)可降低1 ℃。當DHT11 傳感器檢測到當前溫度低于閾值時，雞舍控制面板獲取當前溫度數(shù)據(jù)并計算出低溫度差值，調(diào)節(jié)PWM 占空比來控制調(diào)壓器的輸出功率，增大升溫裝置的發(fā)熱功率。使雞舍內(nèi)溫度提高到適合育雛生長的范圍內(nèi)，并控制雞舍內(nèi)溫度恒定在合適范圍內(nèi)。經(jīng)過測驗，在室溫22 ℃情況下，保溫裝置的輸出功率每提升10 W，28 ～33 秒后可將雞舍內(nèi)溫度提高1 ℃。

4.2 氨氣濃度檢測和干燥器的控制功能測試結(jié)果分析

當MQ135 有害氣體傳感器檢測到氨氣值超過閾值時，雞舍控制系統(tǒng)的排氣MOS 導通，使排氣裝置進行工作，同時控制系統(tǒng)的干燥三極管導通使干燥裝置工作。經(jīng)過測驗，排氣裝置工作13 ～16 s 可降低1ppm，干燥器在600 W 功率工作狀態(tài)下，如果雞糞便含水量為50% ～60%，在0.5 h 內(nèi)，能干燥60 ～100 g的雞糞便；傳送帶的旋轉(zhuǎn)速度1.50 cm/s。

5 結(jié)語

本研究提出設(shè)計參考方案，主要研究智慧育雛雞舍的溫度、濕度自動及手動調(diào)節(jié)、自動喂食，自動清糞，氨氣濃度的監(jiān)控方案，嘗試通過ZigBee 無線通訊技術(shù)，實現(xiàn)區(qū)域化控制以及手機端遠程監(jiān)控等功能。在不同生長階段、不同季節(jié)和氣候條件下，為雛雞的生長提供科學的、可控的飼養(yǎng)環(huán)境，并在微信小程序提供養(yǎng)殖參考方案。最終設(shè)計出以雞舍控制面板、數(shù)據(jù)收集中轉(zhuǎn)器，微信小程序為一體的雛雞養(yǎng)殖系統(tǒng)方案，該方案下的雛雞養(yǎng)殖設(shè)備可提升雛雞養(yǎng)殖環(huán)境的科學性，養(yǎng)殖模式的多樣性，可移動性和獨立保溫性。