家禽養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汪衛(wèi)樂，高軍禮，朱慧華，陳 瑋

(廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510006)

隨著家禽養(yǎng)殖規(guī)?；奶岣?，環(huán)境因素對(duì)養(yǎng)殖生產(chǎn)的影響愈來愈顯著.目前，我國(guó)大多數(shù)家禽養(yǎng)殖處于人工階段，尤其是禽舍內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)，采用飼養(yǎng)人員對(duì)環(huán)境的主觀判斷來控制相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備［1-3］，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；图s化的需求.本文立足于該問題，以廣州市番禺區(qū)某養(yǎng)殖示范基地為研究對(duì)象，提出了一種以力控組態(tài)軟件為開發(fā)平臺(tái)，利用多傳感器進(jìn)行環(huán)境信息采集，通過研華ADAM模塊控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備來調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)的分布式養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng).實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、氨氣、硫化氫等環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而改善養(yǎng)殖環(huán)境，提高管理效率和決策水平.

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

規(guī)?；仪蒺B(yǎng)殖，除了依靠飼料、防疫、疾病治療和育種外，急需改進(jìn)配套的養(yǎng)殖設(shè)備和環(huán)境控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理［4-6］.為此，本文設(shè)計(jì)家禽養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1所示.系統(tǒng)針對(duì)多個(gè)禽舍構(gòu)成的禽舍群構(gòu)建二層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).上層網(wǎng)絡(luò)為養(yǎng)殖場(chǎng)局域網(wǎng)，連接禽舍ADAM4570、視頻服務(wù)器和監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)，提供數(shù)據(jù)傳輸和共享.下層網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)采集和控制網(wǎng)絡(luò)，該層以禽舍為單元，各環(huán)境檢測(cè)模塊、ADAM4069以及ADAM4055通過RS485/MODBUS串行總線的方式與ADAM4570互連，由ADAM 4570實(shí)現(xiàn)RS485到Internet的轉(zhuǎn)換，通過局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心.實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of system

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成

2.1 ADAM模塊介紹

研華ADAM模塊是具有內(nèi)制微處理器的傳感器到計(jì)算機(jī)的智能接口模塊，它通過ASCII碼格式命令和RS485協(xié)議收發(fā)高速率、遠(yuǎn)距離信號(hào)，并提供信號(hào)調(diào)理、隔離、數(shù)據(jù)對(duì)比、數(shù)字通信、A/D和D/A轉(zhuǎn)換等功能［7］.

ADAM4570:具有兩路RS232/485/422到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，支持TCP/IP協(xié)議、10/100 Base-T標(biāo)準(zhǔn)，具有標(biāo)準(zhǔn)串行配置.可把PC機(jī)串行口擴(kuò)展到255個(gè)，擴(kuò)展的串行口和PC機(jī)物理上分開，邏輯上如同在本機(jī)上一樣，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從RS485到以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換.

ADAM4055:數(shù)字量輸入輸出模塊，RS485接口.8通道數(shù)字隔離輸入，8通道數(shù)字隔離輸出，其中，數(shù)字隔離輸入支持干節(jié)點(diǎn)輸入，邏輯0表示開關(guān)斷開，邏輯1表示開關(guān)閉合，用于監(jiān)測(cè)禽舍設(shè)備的狀態(tài).

ADAM4069:繼電器輸出模塊，RS485接口.4通道Form A，4通道Form C，額定負(fù)載為AC 5 A@240 V，用于控制禽舍設(shè)備的啟動(dòng)/停止.

2.2 環(huán)境采集單元

本系統(tǒng)考慮的環(huán)境參數(shù)有5種:溫度、濕度、光照度、氨氣和硫化氫.為完成各環(huán)境參數(shù)的采集，設(shè)計(jì)如圖2所示的環(huán)境采集單元.該單元采用分布式結(jié)構(gòu)，所用檢測(cè)模塊直接掛接在RS485總線上，方便系統(tǒng)快速集成和擴(kuò)展.溫濕度檢測(cè)模塊采用九純健JCJ100N數(shù)字式溫濕度變送器;氣體檢測(cè)模塊采用馳誠(chéng)QB2000N系列氣體變送器;光照度檢測(cè)模塊采用拓達(dá)ESM-ZD光照度變送器.各模塊均以24 V直流電源供電，模塊間通過標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)通信協(xié)議Modbus進(jìn)行通信.采集數(shù)據(jù)通過ADAM4570的Port1端口上傳至監(jiān)控中心.由于禽舍內(nèi)各環(huán)境參數(shù)呈不均勻分布狀態(tài)，因此采用多傳感器合理布局，利用算術(shù)平均值法得到禽舍內(nèi)各環(huán)境參數(shù).

圖2 環(huán)境采集單元Fig.2 Enviromental collection unit

2.3 設(shè)備監(jiān)控單元

設(shè)備監(jiān)控單元完成對(duì)送料系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)、自動(dòng)卷簾系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的控制和監(jiān)視.該單元采用研華ADAM4069、ADAM4055和ADAM4570實(shí)現(xiàn).其中，利用ADAM4069控制設(shè)備的啟停，利用ADAM4055監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，最后由ADAM4570轉(zhuǎn)換模塊完成與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信.模塊間接線如圖3所示.

圖3 ADAM模塊間連接圖Fig.3 Connection of ADAM modules

下面以噴霧系統(tǒng)為例介紹如何對(duì)禽舍內(nèi)噴霧的監(jiān)控，其電氣原理圖如圖4所示.結(jié)合圖3，為實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧的控制，將ADAM4069的一組繼電器輸出接點(diǎn)的NO和COM并接在02和03的兩端，另一組輸出接點(diǎn)的NC和COM串接在01和02之間.其工作原理為:當(dāng)監(jiān)控中心PC機(jī)發(fā)出啟動(dòng)噴霧命令后，通過ADAM4570的Port2端口轉(zhuǎn)發(fā)給ADAM4069，ADAM4069相應(yīng)繼電器輸出接點(diǎn)的NO和COM閉合，KM1通電，KM1常開觸點(diǎn)閉合，噴霧啟動(dòng);當(dāng)監(jiān)控中心PC機(jī)發(fā)出停止噴霧命令后，通過ADAM4570的Port2端口轉(zhuǎn)發(fā)給ADAM4069，ADAM4069相應(yīng)繼電器輸出接點(diǎn)的NC和COM斷開，KM1斷電，KM1常閉觸點(diǎn)斷開，噴霧停止;為實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧的監(jiān)視，將交流接觸器KM1的常開觸點(diǎn)一端接在ADAM4055的DI0，另一端接在D.GND.其他設(shè)備的監(jiān)控與噴霧類似.

圖4 噴霧系統(tǒng)電氣原理圖Fig.4 Electrical diagram of spray system

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)采用力控Forcecontrol 6.1組態(tài)軟件開發(fā).該軟件是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與過程控制的專用軟件，提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡(jiǎn)捷的工程實(shí)現(xiàn)方法［8-9］.只要將軟件中預(yù)設(shè)置的各種模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的“組態(tài)”，便可以容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控的各項(xiàng)功能.

3.1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

根據(jù)養(yǎng)殖場(chǎng)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，運(yùn)用力控開發(fā)系統(tǒng)Draw提供的工具設(shè)計(jì)的主要界面有:登錄界面、事件記錄、數(shù)據(jù)報(bào)表、趨勢(shì)曲線、參數(shù)設(shè)定等.禽舍現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控界面如圖5所示，各設(shè)備界面顯示相應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)以及實(shí)現(xiàn)控制的按鈕.另外，每個(gè)界面還包含禽舍環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和上下限數(shù)據(jù)，可作為手動(dòng)操作的依據(jù)，避免操作的隨意性和主觀性.

圖5 設(shè)備監(jiān)控界面Fig.5 Device monitoring and controlling interface

3.2 定義I/O設(shè)備

力控ForceControl6.1組態(tài)軟件是通過I/O驅(qū)動(dòng)程序與控制設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的［10］.I/O驅(qū)動(dòng)程序一方面將I/O設(shè)備寄存器中的數(shù)據(jù)讀出后，傳送到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，最后在畫面上動(dòng)態(tài)顯示;另一方面，它將控制指令經(jīng)過處理后通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫下發(fā)給控制設(shè)備，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制.定義I/O設(shè)備即是設(shè)置其驅(qū)動(dòng)程序中的各項(xiàng)參數(shù).本監(jiān)控系統(tǒng)全部I/O設(shè)備采用Modbus/Rtu驅(qū)動(dòng)程序，其設(shè)置如下:在I/O設(shè)備組態(tài)-MODBUS-標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-MODBUS(RTU串行口)項(xiàng)上雙擊添加設(shè)備驅(qū)動(dòng)，根據(jù)界面向?qū)瓿稍O(shè)備名稱、更新周期、通迅地址、串口、數(shù)據(jù)格式等設(shè)置，如圖6所示.

圖6 I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)連接Fig.6 Connection of I/O device driver

3.3 創(chuàng)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是整個(gè)監(jiān)控軟件的核心.它由管理器和運(yùn)行系統(tǒng)組成.運(yùn)行系統(tǒng)將組態(tài)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等以一定的組織形式存儲(chǔ)在介質(zhì)上［11］，管理器可以生成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)組態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行部署.創(chuàng)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫就是在管理器中建立數(shù)據(jù)庫點(diǎn)，并與ADAM模塊和檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)連接.

本系統(tǒng)中所要?jiǎng)?chuàng)建的數(shù)據(jù)庫變量有溫度、濕度、光照度、有害氣體濃度以及設(shè)備的控制等，另外，還包含一些需要保存的數(shù)據(jù)庫變量.在力控“開發(fā)系統(tǒng)”中，雙擊“數(shù)據(jù)庫組態(tài)”，彈出“DBManager”數(shù)據(jù)庫管理窗口，按照所要?jiǎng)?chuàng)建點(diǎn)的類型創(chuàng)建新點(diǎn)，設(shè)置其各項(xiàng)參數(shù)，包括基本參數(shù)和報(bào)警參數(shù)，并且進(jìn)行相應(yīng)的量程轉(zhuǎn)換，然后在“數(shù)據(jù)連接”中將已創(chuàng)建的點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備的某一具體數(shù)據(jù)項(xiàng)建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成點(diǎn)參數(shù)的數(shù)據(jù)連接.

3.4 動(dòng)作腳本

系統(tǒng)中涉及到窗口腳本動(dòng)作、應(yīng)用程序腳本動(dòng)作、條件腳本動(dòng)作以及數(shù)據(jù)改變腳本動(dòng)作.數(shù)據(jù)改變動(dòng)作的部分腳本如下:

∥手動(dòng)/自動(dòng)切換設(shè)置

if A_CHANG.PV==0 thenA_Operate=“手動(dòng)”;DeviceClose(“YHO1”，0);DeviceClose(“YHO2”，0);DeviceClose(“YHO3”，0);DeviceName=“手動(dòng)/自動(dòng)切換”;DeviceState=“手動(dòng)”;elseA_Operate=“自動(dòng)”;DeviceOpen(“YHO1”，“”，0);DeviceOpen(“YHO2”，“”，0);DeviceOpen(“YHO3”，“”，0);DeviceName=“手動(dòng)/自動(dòng)切換”;DeviceState=“自動(dòng)”.

3.5 參數(shù)設(shè)定

根據(jù)雞種和雞齡的不同設(shè)置禽舍內(nèi)環(huán)境因子限定表，主要包括溫濕度上下限、光照度上下限、光照時(shí)間、有害氣體上限等.采用ACCESS作為嵌接數(shù)據(jù)庫來完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理.其實(shí)現(xiàn)過程如下:(1)創(chuàng)建SQL數(shù)據(jù)庫模版，模版中定義數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu).(2)數(shù)據(jù)表綁定，定義組態(tài)軟件中的變量和數(shù)據(jù)表字段的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需保證數(shù)據(jù)表模板和數(shù)據(jù)表綁定表中字段的一致性.(3)數(shù)據(jù)庫操作，利用組態(tài)軟件中的SQL語句對(duì)數(shù)據(jù)庫操作.該參數(shù)設(shè)定表具有增加、刪除、修改、查詢、導(dǎo)出等功能.參數(shù)設(shè)定界面如圖7所示.

圖7 參數(shù)設(shè)定界面Fig.7 Parameter setting interface

4 控制策略

禽舍環(huán)境由照明系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)、卷簾系統(tǒng)來調(diào)控.由于禽舍環(huán)境具有非線性、強(qiáng)耦合，大滯后等特性［12-13］，采用傳統(tǒng)的方法很難實(shí)現(xiàn)禽舍環(huán)境的自動(dòng)控制，因此，該系統(tǒng)對(duì)具有強(qiáng)耦合特性的溫濕度采用聯(lián)合控制的方案.其他如光照度、氨氣、硫化氫的調(diào)整則采用范圍設(shè)定的方式.控制策略流程如圖8所示.

控制周期設(shè)定為5 min.溫濕度判斷是將溫濕度分為高、中、低3級(jí).根據(jù)判斷結(jié)果查詢預(yù)先定義好的溫濕度控制表并執(zhí)行相應(yīng)策略，完成溫濕度聯(lián)合控制，控制策略可由操作人員根據(jù)季節(jié)、天氣等進(jìn)行調(diào)整.氨氣和硫化氫的濃度主要靠風(fēng)機(jī)來調(diào)節(jié).光照度由照明系統(tǒng)來調(diào)節(jié).

圖8 控制策略流程圖Fig.8 Flowchart of control strategy

5 系統(tǒng)調(diào)試及運(yùn)行

根據(jù)本文設(shè)計(jì)的設(shè)備監(jiān)控單元如圖9所示.利用Serial Device Server Configuration Utility配置ADAM4570的IP地址;數(shù)據(jù)傳輸方式為RS485;數(shù)據(jù)格式為10位:1起始位，8數(shù)據(jù)位，0校驗(yàn)位，1停止位;將Port1和Port2分別自動(dòng)映射為COM1和COM2，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和ADAM4570通信.

運(yùn)行研華應(yīng)用軟件ADAM-4000-5000 Utility配置ADAM4055、ADAM4069，使其設(shè)備地址與監(jiān)控系統(tǒng)中定義的地址一一對(duì)應(yīng)，通信協(xié)議為Modbus.

設(shè)置環(huán)境檢測(cè)模塊的地址與監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)時(shí)定義的地址對(duì)應(yīng).

進(jìn)入家禽養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)各功能單元分別進(jìn)行調(diào)試后，系統(tǒng)正常運(yùn)行.系統(tǒng)監(jiān)控畫面如圖10所示.

圖9 設(shè)備監(jiān)控單元Fig.9 Device monitoring and controlling unit

圖10 系統(tǒng)監(jiān)控界面Fig.10 System monitoring and controlling interface

6 結(jié)論

本文針對(duì)家禽養(yǎng)殖業(yè)存在的人工成本高、環(huán)境控制盲目等普遍問題，采用組態(tài)軟件、RS485現(xiàn)場(chǎng)總線和ADAM模塊設(shè)計(jì)家禽養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理于一體，具有以下特點(diǎn):(1)分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和模塊化的設(shè)計(jì)方法，使系統(tǒng)易于擴(kuò)展和便于維護(hù);(2)人機(jī)界面友好，操作方便;(3)采用自動(dòng)控制策略，避免了人工操作的主觀性和隨意性.該系統(tǒng)已于2012年12月在廣州市番禺區(qū)某養(yǎng)殖場(chǎng)投入運(yùn)行.

［1］劉剛，羅宇鋒.規(guī)?；B(yǎng)雞場(chǎng)禽舍環(huán)境控制技術(shù)研究［J］.畜牧與飼料科學(xué)，2010，31(4):59-60，112.Liu G，Luo Y F.Environmental control techniques of chicken house in large scale poultry farms［J］.Animal Husbandry and ned Seience，2010，31(4):59-60，112.

［2］黃華，牛智有.基于PIC18F2580的畜禽舍溫濕環(huán)境控制系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代畜牧獸醫(yī)，2009，28(4):49-52，57.Huang H，Niu Z Y.Circumstance control system of harmful gases in poultry housing based on PIC18F2580［J］.Measurement＆Control Technology，2009，28(4):49-52，57.

［3］段曉紅.雞舍環(huán)境控制的研究及推廣［D］.蘭州:甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)人文學(xué)院，2005.

［4］崔和瑞，李曼，高峰.基于模糊控制的畜禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］.計(jì)算機(jī)工程，2006，32(21):224-225，228.Cui H R，Li M，Gao F.Study on environmental monitoring system of the beasts＆birds rooms based on fuzzy control［J］.Computer Engineering，2006，32(21):224-225，228.

［5］胡肄農(nóng)，竇少春，王立方，等.蛋雞規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)［J］.江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2002，18(3):176-180.Hu Y N，Dou S C，Wang L F.Automative monitoring and contr-olling system for a large-scale egg-laying hens farm［J］.Jiangsu Journal of Agricultural Sciences，2002，18(3):176-180.

［6］王麗麗.基于PC機(jī)與單片機(jī)的分布式禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究［D］.楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，2009.

［7］潘宇峰，張慧慧.基于MCS-51單片機(jī)和ADAM模塊的分布式網(wǎng)絡(luò)——無線測(cè)控系統(tǒng)［J］.測(cè)控技術(shù)，2004，23(9):27-28，37.Pan Y F，Zhang H H.Distributed network—radio measuring and controlling system based on MCS-51 and ADAM［J］.Measurement＆Control Technology，2004，23(9):27-28，37.

［8］劉曉艷.基于力控v6.0的EAST快控電源監(jiān)控系統(tǒng)的研究［D］.準(zhǔn)南:安徽理工大學(xué)電氣學(xué)院，2009.

［9］葉磊.基于力控組態(tài)軟件的壓力機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)［D］.南寧:廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，2008.

［10］王明武.基于力控組態(tài)軟件的閥門性能測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng)［J］.液壓與氣動(dòng)，2012(12):123-125.Wang M W.Supervisory control system for valve performance test by using forcecontrol configuration system［J］.Chinese Hydraulics＆Pneumatics.2012(12):123-125.

［11］谷紅巖，李文哲.基于PLC和力控組態(tài)軟件的沼氣生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2011(1):199-202.Gu H Y，Li W Z.Automatic control system of biogas production based on PLC and forcecontrol［J］.Journal of Agricultural Mechanization Research，2011(1):199-202.

［12］王方江，李樂超.基于PLC的禽舍溫濕度控制系統(tǒng)［J］.上海電器技術(shù)，2007(4):36-40.Wang F J，Li L C.Design of environment controlling of hen house based on PLC technology［J］，Shanghai Electric Appliance Technology，2007(4):36-40.

［13］劉金華.基于虛擬儀器的畜禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究［D］.保定:河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2003.