基于TMS320F28027的畜禽環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■柴 鈺 王沙沙 賈曉勱 王 瀟

（西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西西安710054）

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的畜牧業(yè)得到了快速的發(fā)展，畜禽舍的環(huán)境控制對(duì)于畜禽養(yǎng)殖業(yè)有著重要意義，因此對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境特別是畜禽舍的環(huán)境方面提出了更高的要求。但從畜禽舍的管理角度看，控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度低，許多還必須由管理員手動(dòng)操作，很難適應(yīng)畜牧業(yè)現(xiàn)代化的要求[1]。針對(duì)畜禽養(yǎng)殖業(yè)現(xiàn)代化的要求，以及目前我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀，研究并建立了基于TMS320F28027的畜禽環(huán)境控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)溫度、濕度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，能夠自動(dòng)控制進(jìn)風(fēng)窗系統(tǒng)和幕簾系統(tǒng)。兩組模擬輸出可以進(jìn)行燈光和調(diào)速風(fēng)機(jī)的控制，改善畜禽舍的局部小氣候環(huán)境，使畜禽舍的環(huán)境達(dá)到最優(yōu)，提高畜禽的生長(zhǎng)指標(biāo)，解決畜禽環(huán)境調(diào)節(jié)問(wèn)題。系統(tǒng)外接無(wú)線通信模塊，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

1 總體方案的設(shè)計(jì)

本文提出并建立了基于TMS320F28027的畜禽環(huán)境控制系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。其中，硬件系統(tǒng)主要用于完成現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息的采集以及和上位機(jī)的通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)畜禽舍環(huán)境的現(xiàn)代化自動(dòng)控制管理，它由主控模塊、環(huán)境參數(shù)采集模塊、指令執(zhí)行模塊和無(wú)線通信模塊等幾部分組成；軟件系統(tǒng)主要用于完成環(huán)境信息的處理，它包括系統(tǒng)主程序的編寫(xiě)、后臺(tái)上位機(jī)管理系統(tǒng)的制作以及基于模糊控制算法的數(shù)據(jù)庫(kù)的錄入，這三大部分軟件共同支撐著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行時(shí)，利用傳感器實(shí)時(shí)采集畜禽舍的各環(huán)境參數(shù)的含量，方便實(shí)時(shí)的進(jìn)行環(huán)境控制，以便滿足畜禽不同生長(zhǎng)階段對(duì)環(huán)境的不同需求。本控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)各環(huán)境參數(shù)含量的實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)，用來(lái)改善畜禽舍的局部環(huán)境，降低畜禽的發(fā)病率，提高生長(zhǎng)性能。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，本監(jiān)控系統(tǒng)能夠控制8組風(fēng)機(jī)（包括1組最小通風(fēng)系統(tǒng)）、1組照明、1組料線、1組噴霧、1組加熱器、1組冷卻水泵（濕簾水泵）和1組用于報(bào)警輸出的繼電器。能夠自動(dòng)控制1組進(jìn)風(fēng)窗系統(tǒng)和1組幕簾系統(tǒng)。2組模擬輸出（0～10 V），進(jìn)行燈光和調(diào)速風(fēng)機(jī)的控制。系統(tǒng)含有1張溫度自動(dòng)下降表和1張用于最小通風(fēng)的體重自動(dòng)增加表。主要根據(jù)畜禽舍的現(xiàn)場(chǎng)溫度偏差和濕度偏差，通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵的控制，使畜禽舍的環(huán)境達(dá)到最優(yōu)。

圖1 畜禽環(huán)境控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)主體模塊的設(shè)計(jì)

本畜禽環(huán)境控制系統(tǒng)測(cè)試精度高，操作靈活方便，完成了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，搭建了測(cè)試平臺(tái)，使用C語(yǔ)言完成了控制系統(tǒng)和下位機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的程序編寫(xiě)，可以進(jìn)行環(huán)境控制的試驗(yàn)；上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信通過(guò)無(wú)線通信模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)在雞舍現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試運(yùn)行，對(duì)測(cè)試結(jié)果分析，控制效果良好，表明該系統(tǒng)能夠可靠有效地工作。

2.1 主控模塊

主控單元CPU采用TMS320F28027高性能處理芯片，它比以前控制系統(tǒng)所使用的單片機(jī)處理速度更快，效果更好。它一方面通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)，然后匯總后傳到上位PC機(jī)；另一方面上位機(jī)發(fā)送給主控模塊命令，再由它發(fā)送給每個(gè)執(zhí)行模塊，從而完成整個(gè)系統(tǒng)的模塊化管理。CPU通過(guò)控制程序?qū)ν鈬娐愤M(jìn)行控制。將預(yù)先設(shè)定好的溫度、濕度和有害氣體等環(huán)境參數(shù)含量值進(jìn)行處理掃描并通過(guò)LCM16032顯示。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

保持畜禽舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)的適宜有利于畜禽的生長(zhǎng)。當(dāng)畜禽舍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)含量高于設(shè)定的最高環(huán)境參數(shù)值時(shí)，CPU通過(guò)檢測(cè)元件SHT11溫濕度傳感器[2-3]和OEM6004有害氣體傳感器[4]，發(fā)出指令啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將傳感器采集的數(shù)據(jù)與預(yù)定值進(jìn)行比較，再送入CPU進(jìn)行分析處理。

本系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)元件的測(cè)量范圍和精度要求如下，溫度測(cè)量范圍0～60℃，濕度測(cè)量范圍0～100%，有害氣體測(cè)量范圍0～2 000 mg/kg;溫度測(cè)量精度0.5℃，濕度測(cè)量精度2%，有害氣體測(cè)量精度5%。

2.3 無(wú)線通信模塊

本控制系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)際情況控制模式采用RS485總線。RS485通信方式具有傳播距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，允許創(chuàng)建多達(dá)32個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，支持多點(diǎn)連接，最大傳輸距離能達(dá)到1.2 km，可以滿足一些大型畜禽舍需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)采集的要求，并且其可靠性高、分布范圍較大、成本低廉[5]。

2.4 實(shí)時(shí)溫度顯示

由于本系統(tǒng)在實(shí)際的雞舍環(huán)境中進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的需求，為了方便鍋爐工的操作，特設(shè)置了一個(gè)溫度顯示模塊，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的MCU控制器，可以將系統(tǒng)上顯示的實(shí)時(shí)溫度實(shí)時(shí)傳輸?shù)藉仩t房。由于距離只有5 m，所以采用有線傳輸形式，提高信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.5 風(fēng)機(jī)及其保護(hù)模塊

風(fēng)機(jī)工作模式分橫向通風(fēng)和縱向通風(fēng)兩種模式，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)風(fēng)機(jī)組設(shè)置點(diǎn)是一個(gè)高于目標(biāo)溫度的溫度差值，當(dāng)室內(nèi)溫度高于此設(shè)定點(diǎn)溫度加目標(biāo)溫度時(shí)，風(fēng)機(jī)組將會(huì)以降溫方式工作（不停的運(yùn)行）；一旦測(cè)得的室內(nèi)溫度低于目標(biāo)溫度加上風(fēng)機(jī)組設(shè)置點(diǎn)的溫度，風(fēng)機(jī)組將以最小通風(fēng)方式工作（時(shí)間控制間歇工作）。出于安全和穩(wěn)定性的考慮，在每個(gè)風(fēng)機(jī)后面都加一個(gè)延時(shí)電路，當(dāng)風(fēng)機(jī)關(guān)閉指令下達(dá)時(shí)風(fēng)機(jī)依次關(guān)閉，可以有效的避免風(fēng)機(jī)故障或操作失誤而導(dǎo)致畜禽舍溫度變化太快，從而造成不必要的損失，起到保護(hù)的作用。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括：主程序、各環(huán)境參數(shù)檢測(cè)和顯示子程序、各環(huán)境參數(shù)控制子程序、按鍵處理子程序和通信子程序等。主程序通過(guò)循環(huán)方式進(jìn)行定時(shí)器初始化，環(huán)境參數(shù)處理和控制以及顯示子程序的循環(huán)調(diào)用。系統(tǒng)主程序和數(shù)據(jù)采集程序流程圖分別如圖2和圖3所示。

3.1 系統(tǒng)主流程圖

圖2 主程序流程

3.2 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

圖3 數(shù)據(jù)采集子程序流程

4 控制算法及其實(shí)現(xiàn)

本監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)含有1張溫度自動(dòng)下降表和1張用于最小通風(fēng)的體重自動(dòng)增加表。通過(guò)模糊控制算法對(duì)溫度和體重進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，可以更加精確高效的達(dá)到對(duì)畜禽舍環(huán)境控制的要求。

模糊控制算法是模糊理論在工業(yè)中的應(yīng)用。其基本思想是用總結(jié)管理者的控制策略，運(yùn)用模糊集合理論和語(yǔ)言變量形成控制算法。模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)包括3個(gè)基本過(guò)程:模糊化—模糊推理—反模[6]。以溫度為例，說(shuō)明模糊控制的具體過(guò)程：

①e的模糊化（e為溫度偏差）

e:用R(t)表示設(shè)定溫度，用T(t)表示實(shí)際溫度，則e=T(t)-R(t)。偏差范圍為±6℃，在此范圍內(nèi)進(jìn)行模糊化設(shè)計(jì)。取模糊量“主大”(PB) 、“主中”(PM)、“小”(PS)、“ 零 ”(ZO)、“ 次 小 ”(NS)、“ 次 中 ”(NM)、“ 次 大 ”(NB)。e的模糊量化如表1所示。當(dāng)|e|＜0.5℃時(shí)，系統(tǒng)無(wú)變化。

表1 e的模糊量化

②η的模糊化（η為偏差變化率）

η:用T(k)表示采樣溫度，則η=T(k)-T(k-1)。偏差變化率的范圍為±1.0℃。分別取模糊量“主大”(PB)、“ 主 中 ”(PM)、“ 主 小 ”(PS)、“ 零 ”(ZO)、“ 次 小 ”(NS)、“次中”(NM)、“次大”(NB)。η的模糊量化如表 2所示。

表2 η的模糊量化

③u的模糊化（u為輸出控制量）

本系統(tǒng)在畜禽舍的通風(fēng)控制中采用了變頻調(diào)速的控制方法，u首先對(duì)變頻調(diào)速器進(jìn)行控制，然后通過(guò)變頻調(diào)速器對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。溫度控制信號(hào)并不是一個(gè)連續(xù)變化的量，而是跟風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)。所以，u的論域定為：

取模糊量“主大”(PB)、“主中”(PM)、“主較小”(PS)、“主小”(PL)、“零”(ZO)。其中：ZO——風(fēng)機(jī)低速；PL——中低速；PS——中速；PM——中高速；PB——高速。

u的模糊量化如表3所示。

表3 u的模糊量化

④模糊控制規(guī)則

管理員依據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)定出的一組模糊條件語(yǔ)句的集合即為模糊控制規(guī)則。本系統(tǒng)中，兩個(gè)輸入變量，分別為e和η；一個(gè)輸出量u。對(duì)風(fēng)機(jī)的控制語(yǔ)句如下：

此條件語(yǔ)句表明，模糊推理機(jī)可根據(jù)溫度偏差和偏差變化率來(lái)調(diào)整鍋爐的加熱溫度和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，準(zhǔn)確高效的進(jìn)行加熱升溫和通風(fēng)降溫。通過(guò)對(duì)控制規(guī)則進(jìn)行歸納處理，可以得到和e、η、u三者之間的關(guān)系，如表4所示。

表4 模糊控制規(guī)則

⑤模糊控制算法實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)在雞舍進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，以雞舍溫度為例，用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)的溫度下降曲線及加熱曲線如圖4所示。

圖4 雞舍溫度下降曲線及加熱曲線

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

本控制系統(tǒng)在附近的雞舍進(jìn)行了測(cè)試，觀察了其在現(xiàn)場(chǎng)的使用情況，與沒(méi)有外加設(shè)備時(shí)舍內(nèi)的環(huán)境情況進(jìn)行了比較，重點(diǎn)觀察了溫度和有害氣體的含量變化。由于濕度容易受別的因素的干擾，可以在以后的實(shí)驗(yàn)中安裝相應(yīng)的除濕設(shè)備，本文暫時(shí)沒(méi)有做相關(guān)的比較。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果

具體測(cè)試步驟為：先測(cè)試沒(méi)有外加設(shè)備時(shí)雞舍內(nèi)外的溫度、濕度和有害氣體含量，然后在雞舍內(nèi)安裝好本控制系統(tǒng)，開(kāi)啟1 h后，再一次測(cè)量舍內(nèi)外的各環(huán)境參數(shù)的含量，這樣多測(cè)量幾次，以使測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠，看本控制系統(tǒng)能否達(dá)到改善環(huán)境的效果。并且可以在不同的天氣再進(jìn)行幾次測(cè)量，其中一天的測(cè)試結(jié)果如下，溫度測(cè)試結(jié)果如圖6所示，有害氣體（主要是二氧化碳）測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖6 溫度對(duì)比

由圖6可知，系統(tǒng)開(kāi)啟后比未開(kāi)啟時(shí)有了比較明顯的改變，溫度基本可以達(dá)到溫度曲線在對(duì)應(yīng)時(shí)間段設(shè)置的數(shù)值，能夠較好地緩和畜禽舍溫度過(guò)高或者過(guò)低的情況。

圖7 二氧化碳含量對(duì)比

由圖7可知，系統(tǒng)開(kāi)啟后1個(gè)小時(shí)，舍內(nèi)的二氧化碳的濃度有了很明顯的下降，在系統(tǒng)開(kāi)啟的時(shí)間段，舍內(nèi)的二氧化碳的濃度基本上控制在500～700 mg/kg之間。系統(tǒng)開(kāi)啟后，舍內(nèi)外的二氧化碳含量差有較明顯的縮小，較好地緩和了畜禽舍內(nèi)有害氣體濃度過(guò)高給畜禽帶來(lái)的影響。

為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)的控制效果，采用對(duì)比分析的方法，對(duì)本控制系統(tǒng)進(jìn)行了試運(yùn)行試驗(yàn)，并對(duì)控制的效果做出了相應(yīng)的分析和評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，系統(tǒng)基本穩(wěn)定，工作正常。系統(tǒng)開(kāi)啟后，舍內(nèi)的有害氣體含量差、溫度差都較開(kāi)啟前有了明顯的縮小，風(fēng)機(jī)、鍋爐和冷卻水泵都能協(xié)調(diào)工作，維持雞舍內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，較好地緩和了畜禽舍內(nèi)有害氣體含量過(guò)高和溫濕度過(guò)高給畜禽帶來(lái)的不利影響。

6 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了一種可以對(duì)畜禽舍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的系統(tǒng)。系統(tǒng)測(cè)試精度高，功能多，使用靈活方便；無(wú)線通信模塊以及上位機(jī)的制作可以方便管理者進(jìn)行遠(yuǎn)程操控；模糊控制算法數(shù)據(jù)庫(kù)的錄入使得控制精度更高，畜禽的生長(zhǎng)性能更好。本系統(tǒng)的研制成功為畜禽養(yǎng)殖業(yè)的現(xiàn)代化生產(chǎn)提供了良好的技術(shù)支持。