基于GPRS 的遠程孵化機自動控制系統(tǒng)

楊正君，高麗偉

（ 1.杰輝空調(diào)設(shè)備有限公司，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550025 ）

1.引言

在孵蛋的過程中，溫度和濕度對胚胎的發(fā)育至關(guān)重要，同時還要保證良好的通風(fēng)換氣，以保障胚胎能夠得到充足的氧氣，為了避免胚胎與蛋膜的粘連，還要定期進行翻蛋操作。本系統(tǒng)針對孵化要求設(shè)計出利用單片機作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制器，在孵化過程中實現(xiàn)自動控溫、控濕、翻蛋、通風(fēng)、超溫濕報警，采用 GPRS 實現(xiàn)遠程監(jiān)測與控制，實現(xiàn)無人值守，減輕人員負擔(dān)，提高孵化率。

2.系統(tǒng)組成模塊

本系統(tǒng)通過溫度傳感器DS18B20 和數(shù)字式溫濕度傳感器SHT10 采集溫濕度，通過控制器對數(shù)據(jù)進行分析處理，根據(jù)當前溫濕度值和用戶通過鍵盤控制電路或者 GPRS 遠程控制預(yù)設(shè)的溫濕度上下限值和預(yù)置值控制風(fēng)扇和電熱絲的啟動和停止，以便于對孵化器的溫濕度環(huán)境實時動態(tài)作出調(diào)整，達到預(yù)設(shè)溫濕度狀態(tài)。當超過一定溫濕度范圍，系統(tǒng)將信號通過 GPRS 發(fā)給監(jiān)控人員，可以實現(xiàn)集中實時監(jiān)控。本系統(tǒng)可以替代人工控制孵化箱溫濕度和翻蛋，減輕人員負擔(dān)，有效提高孵化率。

孵化器控制系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。

圖1 孵化機控制系統(tǒng)原理圖

3.總體電路與工作說明

采用C8051F340 單片機作為系統(tǒng)測控單元，以鍵盤或者通過GPRS 遠程監(jiān)控作為系統(tǒng)的人機控制，通過DS18B20 和SHT10 測量分散在不同地點的孵化機內(nèi)部溫濕度，實時通過PWM 方式來控制風(fēng)機對溫濕度進行自動控制，并實時將當前溫濕度和翻蛋情況數(shù)據(jù)通過GPRS 發(fā)給監(jiān)控人員，其中GPRS 控制器通過RS232 串口與控制器連接，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

總體電路如圖2 所示。

圖2 總體電路圖

4.數(shù)據(jù)采集模塊

4.1.溫度采集模塊

溫度對于孵化率有很大的影響，孵化要求溫度控制精度±0.3℃，機內(nèi)各點溫差不大于 0.3℃，為控制精度和各點溫差，需要使用多塊精度高且通信接口較少的溫度傳感器。DS18B20 固有測溫分辨率為0.5℃，且采用獨特的一線通信技術(shù)，可以將多個器件掛在一線上。因為一線通信接口，因此對時序有很高的要求，為了保證時序，需要做精確的延時。測溫必須先完成ROM 設(shè)定，然后通過其提供的功能命令，首先讀ROM， 在程序中可以通過搜索ROM，ROM 匹配這些指令操作選定掛在一線上多個器件中某一個器件[1]。

4.2.濕度采集模塊

高濕會影響尿囊液的排除，造成幼雛毛過長，大肚皮，顯得笨重遲鈍；低濕會使蛋內(nèi)水分蒸發(fā)過多，造成幼雛體小毛短。因此需要精準的數(shù)據(jù)傳輸和穩(wěn)定性好的濕度傳感器。SHT10 應(yīng)用專利的工業(yè) COMS工程微加工技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性且該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。在使用時應(yīng)選擇CRC 校驗，以保證I2C 通訊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可靠性。不加CRC 校驗時，可能會出現(xiàn)溫度、濕度讀數(shù)異?，F(xiàn)象；增加了 CRC 校驗后，受干擾的數(shù)據(jù)將會被剔除，不會出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。所以本系統(tǒng)選擇 CRC 校驗，提高了抗干擾能力，防止溫度、濕度異常數(shù)據(jù)的出現(xiàn)[2]。

5.控制模塊

5.1.風(fēng)機控制模塊

在孵化機的左右兩側(cè)上方各設(shè)有一排通風(fēng)口，該通風(fēng)口不但能夠通風(fēng)換氣降溫，而且還起著調(diào)節(jié)上下溫差以及控制濕度的作用。良好的通風(fēng)條件能夠提供給胚胎足夠的氧氣，同時排除二氧化碳，以保證胚胎的氣體代謝和生理功能的進行。孵化機的上部有個排風(fēng)扇，我們可以對采集到的溫濕度和預(yù)設(shè)的溫濕度進行對比分析和控制，通過設(shè)置它的啟停個數(shù)以及時間控制通風(fēng)換氣的周期和換氣時間。通過OUT0 口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM 脈沖，改變輸出方波的占空比使負載上的平均電流功率變化，從而改變負載電機速度，控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速[3]。

5.2.電熱絲和加熱器控制模塊

溫濕度控制電路是從溫度傳感器和濕度傳感器中獲得溫度值和濕度值，根據(jù)溫濕度值控制加熱器和電熱絲的啟動和停止，以便于對孵化器的環(huán)境作出相應(yīng)調(diào)整。本系統(tǒng)的加熱器系統(tǒng)采用兩個不同功率的電熱絲組合而成，一個為主加熱器，一個為輔加熱器；加濕器只用了一個電熱絲對水進行加熱，增加孵化箱內(nèi)濕度。本系統(tǒng)通過光耦將加熱強電電路與單片機控制電路隔離，防止其干擾單片機的工作。使用繼電器功率驅(qū)動電路，將小電流驅(qū)動轉(zhuǎn)換為大電流驅(qū)動，使電熱絲在220v 電壓下工作。

5.3.翻蛋模塊

為定時地對盛放蛋的蛋架翻動一下，避免蛋發(fā)生粘連等問題。這里選用L298 這款高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片，用來驅(qū)動后面的直流電機，進而控制翻蛋架的旋轉(zhuǎn)。為了保持翻轉(zhuǎn)角度的精確控制，選用了限位開關(guān)來控制。其中OUT1 和OUT2 控制翻轉(zhuǎn)的方向，配合限位開關(guān)控制翻轉(zhuǎn)的角度大小。

5.4.鍵盤和顯示模塊

根據(jù)用戶的需求調(diào)節(jié)系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)變量，包括溫度上下限值、濕度設(shè)定值，以保證系統(tǒng)可以工作在一個相對穩(wěn)定的環(huán)境中工作。系統(tǒng)會顯示從單片機發(fā)送過來的顯示信息，比如溫度值、濕度值、溫度上下限值等，給用戶一個直觀的顯示，以便于控制系統(tǒng)根據(jù)顯示信息做出相應(yīng)操作。

5.5.GPRS 遠程監(jiān)控模塊

系統(tǒng)帶有自檢功能，當加熱設(shè)備或者風(fēng)機出現(xiàn)故障，或者溫度超過預(yù)設(shè)最高上限或者低于最低下限，故障信號將通過GPRS 發(fā)送給遠程監(jiān)控人員，及時處理，提高孵化率，減少損失。GPRS 通過RS232 串口與系統(tǒng)控制器連接，GPRS 模塊采用一款整合了GSM與GPRS 通信技術(shù)的模塊EM310。GPRS 模塊上電后，進行撥號連接。連接成功后，GPRS 模塊發(fā)送TCP 連接請求，在收到數(shù)據(jù)中心的響應(yīng)后，認為握手連接成功，并通過心跳保持技術(shù)，保持永久在線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信，從而實現(xiàn)遠程通訊、監(jiān)測與控制[4]。

6.遠程孵化機自動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

溫濕度系統(tǒng)是一種非線性的、滯后的、時變系統(tǒng)，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，孵化系統(tǒng)對溫度濕度的控制精度要求較高。尤其是溫度，微小的溫度變化都會顯著影響孵化時間和孵化率。控制器通過不間斷檢測孵化機內(nèi)的溫度、濕度及有關(guān)信息，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制參數(shù)，對數(shù)據(jù)進行分析，控制風(fēng)機和加熱設(shè)備工作，若發(fā)現(xiàn)異常，控制單元能輸出報警信號并通過GPRS 發(fā)送相關(guān)信息。通過GPRS 以一種短消息的方式將此信息發(fā)送給總控中心，完成對數(shù)據(jù)的采集工作，從而實現(xiàn)集中管理和監(jiān)控，達到無人值守的目的。

系統(tǒng)流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)運行流程圖

7.總結(jié)

本系統(tǒng)對傳統(tǒng)孵化機控制方法進行了深入研究，結(jié)合孵化機自身特點和運行環(huán)境，提出了一套基于 GPRS 傳輸模塊，通過遠程、集中的方式對分散的孵化機進行監(jiān)控，極大限度地節(jié)省勞動力，同時提高孵化率，具有很高的研究價值和商業(yè)價值。

[1] 吳亮.DS18B20 型數(shù)字溫度傳感器在煙葉烤房監(jiān)測儀中的應(yīng)用[J].國外電子元器件，2005，（10）.

[2] 張艷麗，張勇.基于SHT11 的溫濕度控制器[J].自動測量與控制，2007，（05）.

[3] 鄭憲偉，趙玉林.基于 AVR 單片機的直流電動機 PWM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計[J].煤礦機械，2008，（01）.

[4] 李映雪.基GPR 基站遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].金華：浙江師范大學(xué)，2009.

[5] 韓力群.智能控制理論及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.