密閉式豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展研究

王榮華 張燕斌

摘要

控制系統(tǒng)是密閉式豬舍環(huán)境調(diào)控的關(guān)鍵組成部分。該研究系統(tǒng)歸納分析了應(yīng)用于密閉式豬舍環(huán)境調(diào)控的4 種控制系統(tǒng)，包括基于單片機(jī)控制系統(tǒng)、基于PLC 控制系統(tǒng)、基于CAN 總線的分布式控制系統(tǒng)和基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)，總結(jié)出了各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。結(jié)合工業(yè)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，提出了密閉式豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)密閉式豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞密閉豬舍；環(huán)境監(jiān)控；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)S126文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）24-276-03

密閉式養(yǎng)殖是我國北方地區(qū)生豬集約養(yǎng)殖最主要的方式。我國北方地區(qū)具有降水量少而不勻、寒暑變化劇烈的顯著特點(diǎn)，冬季漫長而寒冷，在這樣的地區(qū)建造豬舍，要重點(diǎn)考慮豬舍的保溫、防寒，防濕[1]。豬舍環(huán)境參數(shù)控制屬于多輸入?yún)?shù)控制系統(tǒng)，為使豬的生長環(huán)境達(dá)到最佳范圍，需要采集相對(duì)濕度、溫度與有害氣體濃度等多種參數(shù)，控制增溫、通風(fēng)等多種調(diào)節(jié)設(shè)備，對(duì)控制系統(tǒng)的要求較高。筆者對(duì)密閉式豬舍環(huán)境調(diào)控的主要控制系統(tǒng)類型進(jìn)行了歸納分析，提出了密閉式豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 密閉式豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析

20世紀(jì)90年代初，隨著測(cè)試技術(shù)的快速發(fā)展，國外畜禽舍的環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)取得了迅速發(fā)展，然而我國豬舍環(huán)境控制

還基本處于相對(duì)落后的人工或半自動(dòng)化程度，依靠人工對(duì)舍內(nèi)環(huán)境的判斷調(diào)整熱濕簾、風(fēng)爐、通風(fēng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來養(yǎng)豬業(yè)逐步走向?qū)I(yè)化、系統(tǒng)化、集約化，國內(nèi)學(xué)者在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，在提高豬舍內(nèi)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)自動(dòng)化程度方向做了大量的研究，并融入模糊控制等控制技術(shù)開發(fā)了多種類型的智能控制系統(tǒng)[3]。

1.1基于單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

如圖1所示，基于單片機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)由傳感器組將豬舍內(nèi)環(huán)境中待檢測(cè)的參數(shù)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)再對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行處理并輸出控制指令對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。集中監(jiān)測(cè)站與多臺(tái)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)主站與從站通訊，形成分布式網(wǎng)絡(luò)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同豬舍進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制管理。

鄭爭兵設(shè)計(jì)的基于AVR 單片機(jī)及多個(gè)溫濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)和中心控制點(diǎn)組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用SHT15 完成對(duì)豬舍不同位置的溫濕度采集和處理，再通過RS485 總線將數(shù)據(jù)輸送給中心控制點(diǎn)的ATmega16 處理器，處理器根據(jù)設(shè)定的溫濕度預(yù)警值控制風(fēng)機(jī)和調(diào)溫設(shè)備工作[4]。田耘等設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)AT89C52和DS18B20數(shù)字式溫度傳感器的哺乳仔豬舍溫濕度環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)[5]。戴春霞設(shè)計(jì)研究的一種以上位PC機(jī)和C8051F020單片機(jī)為核心的豬舍環(huán)境因子測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控，采用Modbus協(xié)議進(jìn)行主從站點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)通信[6]。

1.2基于PLC 的監(jiān)控系統(tǒng)

PLC（Programmable Logic Controller） 控制系統(tǒng)主要包括下位機(jī)控制系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控管理軟件2部分。如圖2所示，下位機(jī)包括主控制器（PLC）、通風(fēng)、加溫、降溫等執(zhí)行機(jī)構(gòu)、各傳感器以及傳感器數(shù)據(jù)釆集、與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備的控制程序等。上位機(jī)管理軟件部分主要包括與下位機(jī)的通訊、人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)等。系統(tǒng)由各種傳感器組對(duì)豬舍內(nèi)的溫度、相對(duì)濕度、有害氣體濃度等主要環(huán)境因素進(jìn)行信息采集，通過總線把采集到的信息傳輸?shù)娇刂破?（PLC）中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)編程電纜傳送到上位機(jī)中，實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境參數(shù)的顯示、存儲(chǔ)等，方便工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)處理后的數(shù)據(jù)由上位機(jī)中的智能控制器進(jìn)行解耦并生成控制信號(hào)，再經(jīng)過PLC控制風(fēng)機(jī)、水暖、濕簾等具體執(zhí)行設(shè)備。

李立峰以S7-200PLC為控制核心部分的分娩母豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)利用工業(yè)組態(tài)軟件 King View 為開發(fā)平臺(tái)，利用多種傳感器進(jìn)行環(huán)境信息采集[7]。關(guān)銘潔研究設(shè)計(jì)了一套豬舍環(huán)境的智能監(jiān)控系統(tǒng)，采用 PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器邏輯電路，PLC對(duì)通風(fēng)和噴淋降溫等系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整，對(duì)豬舍內(nèi)溫濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控[8]。

1.3基于CAN總線的分布式監(jiān)控系統(tǒng)

如圖3所示，基于CAN總線分布式監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括上位機(jī)、智能控制器和智能模塊組。系統(tǒng)工作過程是下位機(jī)將各類傳感器采集到的環(huán)境參數(shù)由總線傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)通過比較運(yùn)算后按一定的控制方案將控制參數(shù)經(jīng)總線傳給下位機(jī)，并通過下位機(jī)來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)控環(huán)境參數(shù)。CAN總線的數(shù)據(jù)通信與一般的通信總線相比具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，它在汽車領(lǐng)域上的應(yīng)用最為廣泛，在畜禽養(yǎng)殖中也開始使用。

張玉峰設(shè)計(jì)的一種基于CAN總線豬舍環(huán)境現(xiàn)場層監(jiān)控系統(tǒng)采用了模塊化思想，設(shè)計(jì)了3類CAN總線智能節(jié)點(diǎn)，豬舍現(xiàn)場層監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分由計(jì)算機(jī)、智能節(jié)點(diǎn)、CAN總線適配卡和各類環(huán)境因子傳感器組成，在幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用CAN2.0B技術(shù)規(guī)范，分析了CAN模塊的初始化、CAN報(bào)文發(fā)送及接收的過程，并對(duì)通訊模塊的軟件以及系統(tǒng)通訊協(xié)議進(jìn)行了設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)主動(dòng)向智能節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求以及控制命令，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)豬舍環(huán)境的監(jiān)控[9]。該豬舍環(huán)境現(xiàn)場層監(jiān)控系統(tǒng)具有界面友好、操作方便、功能完善、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，不僅改善了豬舍環(huán)境中的狀況，增強(qiáng)了環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且降低了營運(yùn)成本，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

1.4基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)包括互聯(lián)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)上所有的資源，兼容互聯(lián)網(wǎng)所有的應(yīng)用，是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，但物聯(lián)網(wǎng)中所有的設(shè)備、資源及通信等元素都是個(gè)性化和私有化的。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要包括豬舍現(xiàn)場子系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制中心子系統(tǒng)3部分，總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。根據(jù)需要通過無線溫濕度等傳感器、風(fēng)機(jī)、溫度控制裝置、多軸云臺(tái)、無線數(shù)據(jù)接收發(fā)送裝置、嵌入式控制器等在豬舍現(xiàn)場內(nèi)建立現(xiàn)場控制站，將現(xiàn)場實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)的豬舍內(nèi)各種參數(shù)信號(hào)發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)，從而反饋指令實(shí)時(shí)調(diào)控現(xiàn)場設(shè)備[10]?；ヂ?lián)網(wǎng)子系統(tǒng)采用WiFi無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)節(jié)省了空間和安裝時(shí)間，遠(yuǎn)程用戶可以通過登錄的方式在遠(yuǎn)程控制中心登錄，對(duì)豬舍內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)控。

吳武豪以生豬養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)的3個(gè)核心層面為研究對(duì)象，對(duì)豬舍環(huán)境特點(diǎn)的傳感器選型和布置、數(shù)據(jù)傳輸和信息處理應(yīng)用進(jìn)行了研究，該研究成果為豬舍環(huán)境信息采集、安全可靠傳輸、智能化信息管理等提供了一套比較完整的解決方案[11]。朱偉興開發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的保育舍環(huán)境可視化調(diào)控系統(tǒng)采用了Zigbee 無線技術(shù)，該系統(tǒng)以ARM-Linux嵌入式服務(wù)器為現(xiàn)場控制中心，通過WiFi 無線技術(shù)將服務(wù)器與Internet無縫連接，將舍內(nèi)各保育床及周圍設(shè)備組成一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用戶端延伸并擴(kuò)展到豬舍及室內(nèi)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境與設(shè)備、人與設(shè)備之間的信息交換[12]。

2 豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，豬舍環(huán)境監(jiān)控技術(shù)將會(huì)朝著高智能化、精準(zhǔn)化和更加規(guī)范等方向發(fā)展。

2.1智能化

在控制理論的不斷發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)不斷進(jìn)步的同時(shí)，豬舍環(huán)境中的強(qiáng)耦合性與非線性等問題會(huì)得到解決，豬舍環(huán)境監(jiān)控中控制技術(shù)的算法和控制過程將更加智能化，如故障的自診斷系統(tǒng)、報(bào)警提醒系統(tǒng)和數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)等。今后，環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)還將和給料系統(tǒng)等相關(guān)系統(tǒng)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)“無人”管理。

2.2精準(zhǔn)化

針對(duì)市場集約化養(yǎng)殖的需求，應(yīng)用了各種新型傳感器技、無線通信等技術(shù)，今后豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)從參數(shù)獲取到控制設(shè)備將會(huì)更加精準(zhǔn)化。系統(tǒng)不但監(jiān)控整個(gè)豬舍環(huán)境，而且實(shí)現(xiàn)按不同豬欄甚至每頭豬的個(gè)性化要求靈活調(diào)節(jié)豬舍內(nèi)的小氣候環(huán)境，為豬只提供良好的生長環(huán)境，達(dá)到精準(zhǔn)化、集約化養(yǎng)殖的目的。

2.3規(guī)范化

隨著養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)從分散的個(gè)體養(yǎng)豬發(fā)展到現(xiàn)代化集約化養(yǎng)豬，養(yǎng)豬的目的已經(jīng)不單純是豬肉，還要求對(duì)糞便、污水等污染物進(jìn)行合理處理。同時(shí)，隨著人們對(duì)綠色健康的關(guān)注，對(duì)豬肉品質(zhì)的要求也越來越高。豬舍環(huán)境監(jiān)測(cè)將在智能化、精準(zhǔn)化的同時(shí)使養(yǎng)豬過程規(guī)范化、透明化。豬舍環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為廢物處理提供參數(shù)，將與糞便污水等處理系統(tǒng)結(jié)合實(shí)現(xiàn)無污染養(yǎng)豬。同時(shí)，豬舍環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改善了舍內(nèi)空氣質(zhì)量，提高了豬的免疫力，減少了疫苗、藥物的使用，保證了豬肉的品質(zhì)。

3 結(jié)語

該研究結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)的發(fā)展，分析了先進(jìn)的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的組成，各系統(tǒng)都具有各自的特點(diǎn)：普通單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)價(jià)格最低，控制操作簡易，但運(yùn)算能力較差，存儲(chǔ)性能薄弱，自動(dòng)化程度較低；PLC控制系統(tǒng)具有較好的控制精度，可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無故障穩(wěn)定運(yùn)行，控制與操作方便易行，自動(dòng)化程度較高，但其控制成本比較高；基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)靈活、易于拓展，各個(gè)豬舍內(nèi)的局部故障之間不相互影響、模塊之間相對(duì)獨(dú)立；基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了豬舍環(huán)境的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，更適用于自動(dòng)化程度要求高的牲畜養(yǎng)殖系統(tǒng)。

隨著人民生活水平的不斷提高，消費(fèi)者對(duì)豬肉的品質(zhì)要求也越來越高。今后，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、控制精確及時(shí)、過程智能規(guī)范、維護(hù)方便的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)將更加適應(yīng)市場需求。

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