中小型養(yǎng)雞場智能控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計

賀帥，段文婷，李濟(jì)霖，蔣猛(西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715)

家禽業(yè)是我國畜牧業(yè)中發(fā)展最為迅速、群體生產(chǎn)規(guī)模最大、市場經(jīng)濟(jì)介入最早、社會貢獻(xiàn)最大的一個行業(yè)［1］。禽類對養(yǎng)殖環(huán)境非常敏感，養(yǎng)殖現(xiàn)場的溫度、濕度、光照度、及空氣質(zhì)量對雞群生長有著重要影響［2］。我國現(xiàn)有的存欄數(shù)目在1萬～5萬只左右的養(yǎng)雞場，絕大多數(shù)已配備了風(fēng)機(jī)、白熾燈、空調(diào)、糞便清理裝置等基礎(chǔ)設(shè)備，養(yǎng)雞場養(yǎng)殖設(shè)備正在向機(jī)械化方向發(fā)展。但是，傳統(tǒng)養(yǎng)雞場對風(fēng)機(jī)、白熾燈、空調(diào)、清糞機(jī)等采用人工手動行控制，導(dǎo)致對人的依賴性強(qiáng)，耗費(fèi)勞動力的同時也不能保證控制的實時性及控制參數(shù)的精度。與此同時，由于禽類的特殊體質(zhì)，極易感染傳染病，人類頻繁進(jìn)出控制現(xiàn)場會提高從外界帶入傳染源的可能。對于專業(yè)的養(yǎng)雞場，人工或半人工控制養(yǎng)雞場設(shè)備，控制精度和自動化程度不高，勞動生產(chǎn)率水平偏低，不利于規(guī)?；B(yǎng)雞［3］。

基于上述原因，針對中小規(guī)?；B(yǎng)殖場技術(shù)資金投入不足、管理落后的現(xiàn)狀［4］，開發(fā)一種低成本、高穩(wěn)定性、智能化的適合農(nóng)村集約化養(yǎng)雞場的控制系統(tǒng)具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，主要是由電源模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、CPU控制模塊、12864顯示模塊、聲光報警模塊、繼電器驅(qū)動模塊、時鐘模塊組成。其中傳感器數(shù)據(jù)采集模塊包括溫濕度檢測模塊、煙度檢測模塊、光照度檢測模塊，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

該設(shè)計以89C51單片機(jī)為控制核心，將傳感器傳回的溫度、濕度、光照度、煙度等環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，相應(yīng)的控制驅(qū)動模塊的繼電器對現(xiàn)場的硬件設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動或者關(guān)閉。定時模塊每隔一段時間定時向控制器發(fā)出信號，控制器控制驅(qū)動模塊開啟清糞機(jī)進(jìn)行清理。顯示模塊對現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)進(jìn)行顯示。

該設(shè)計有手動、自動2種模式。在手動模式下，可以由人工對現(xiàn)場的風(fēng)扇、空調(diào)、電燈、清糞機(jī)進(jìn)行獨立控制，自行設(shè)定設(shè)備開停時刻，運(yùn)行時間;在自動模式下，由控制器控制現(xiàn)場的硬件設(shè)備，不需要人為干預(yù)。

2 硬件設(shè)備設(shè)計

2．1 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

2．1．1 濕度檢測模塊電路設(shè)計。濕度檢測主要檢測對象是雞舍空氣濕度。該設(shè)計采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器作為檢測溫度濕度的檢測元件。3個引腳，只有1個引腳為數(shù)據(jù)傳送腳，即只占用一個I/O口，電路連接如圖2所示。DHT11濕度測量范圍為20% ～90%RH，測量精度為±5．0%RH。

2．1．2 溫度檢測模塊。養(yǎng)雞場采用籠養(yǎng)的方式，雞籠為3～4層，每層間距45 cm左右。由于養(yǎng)殖的特殊形式，溫度因測定地點的不同，引起的溫度差異非常大，由此需要多點立體式布置傳感器位置，以準(zhǔn)確地檢測雞舍溫度。該設(shè)計采用DS18B20溫度傳感器作為檢測元件。DS18B20共有3個引腳，測溫范圍為－55～125℃。更重要的是DS18B20具有獨特的單線接口方式，向MCU返回溫度測量值的同時返回地址信號。對于多點立體式布置的溫度檢測體系，由返回值MCU能準(zhǔn)確找到溫度檢測地址。MCU通過返回的溫度值及地址相應(yīng)控制對應(yīng)區(qū)域的風(fēng)機(jī)、空調(diào)啟閉，對癥下藥，取得更好的控制效果。溫度檢測模塊電路原理如圖3所示。

圖2 濕度檢測模塊電路原理

圖3 溫度檢測模塊電路原理

2．1．3 煙度檢測模塊。煙度檢測模塊是針對雞舍出現(xiàn)火情的時候，能及時進(jìn)行聲光報警，提醒員工隔離災(zāi)區(qū)，避免造成重大損失。該設(shè)計采用UD-02型離子感煙傳感器進(jìn)行煙度檢測。該傳感器靈敏度高，可靠性好，它具有2個離子室及一個放射源(镅 －241，0．9 μCi)，工作電壓為 9 V，溫度為 20±5℃時，無煙霧條件下，收集電極的平衡點位為5．0～5．6 V;有煙霧時，收集電位的電壓變化為1．1～1．2 V。由此，該設(shè)計采用比較器，將輸出信號與系統(tǒng)比較電壓進(jìn)行比較。當(dāng)大于比較電壓時，比較器輸出1，控制器判定為正常。輸出小于比較電壓時，比較器輸出為0，此為報警信號，控制器控制聲光報警模塊進(jìn)行報警。煙感模塊控制原理如圖4所示。

圖4 煙感模塊電路原理

2．1．4 光照度檢測模塊。光照對雞群生長特別是蛋雞產(chǎn)蛋率有非常大的影響。本設(shè)計采用點式檢測，利用光敏電阻隨光照強(qiáng)度變化而引起阻值變化的原理來檢測光照強(qiáng)度。

經(jīng)調(diào)試，該設(shè)計光照度能測量范圍為20～50 000 lxs，適合雞群生長的光照度為35 lxs以上，光照時間隨季節(jié)的不同而不同。光照強(qiáng)度通過控制器反饋調(diào)節(jié)，而光照時間由人為設(shè)定，定時器計時。該設(shè)計光敏電阻作為檢測元件，設(shè)計電路圖如圖5所示。光敏電阻反應(yīng)出來的是電壓的連續(xù)性變化，輸出為模擬量，不能直接輸送到單片機(jī)用以控制顯示，由此，采用PCF8591進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。PCF8591采用IIC通信協(xié)議進(jìn)行通信。SCL和SDA接入單片機(jī)，由單片機(jī)內(nèi)定時器模擬輸出脈沖，讀取數(shù)據(jù)。

圖5 光照度檢測模塊電路原理

2．2 MCU模塊設(shè)計 該系統(tǒng)采用89C51單片機(jī)作為控制器。89C51單片機(jī)是INTEL公司mcs-52系列單片機(jī)中的基本產(chǎn)品，總計40個引腳，32個雙向輸入輸出I/O口，內(nèi)置8位中央處理單元、256字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器。2個16位定時器/計數(shù)器和5個2級中斷結(jié)構(gòu)。工作電壓為5．0 V，其基本單元如圖6所示。

圖6 89C51基本單元

2．3 時鐘模塊設(shè)計 該設(shè)計采用DS1302芯片作為時鐘芯片。DS1302是美國DALLAS公司推出的具有涓細(xì)電流充電能力的低功耗實時時鐘電路。DS1302的結(jié)構(gòu)、工作原理及其在實時顯示時間中的應(yīng)用。它可以對年、月、日、周、日、時、分、秒進(jìn)行計時，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。時鐘電路原理見圖7。

2．4 繼電器驅(qū)動模塊設(shè)計 為了提高系統(tǒng)可靠性，采用單片機(jī)控制端輸入高電平或低電平以控制設(shè)備開閉。當(dāng)單片機(jī)控制端輸入高電平時，Q7三極管導(dǎo)通，光耦內(nèi)部二極管有電流流過，此時光耦右側(cè)三極管導(dǎo)通，固態(tài)繼電器Km控制電器設(shè)備工作;當(dāng)單片機(jī)控制端輸入低電平時，Q7三極管斷開，光耦內(nèi)部二極管無電流通過，此時光耦右側(cè)三極管斷開，固態(tài)繼電器Km控制電器設(shè)備斷開。由于在不同的環(huán)境驅(qū)動風(fēng)機(jī)、空調(diào)、白熾燈強(qiáng)度及數(shù)量不同。由此，該設(shè)計軟件將風(fēng)機(jī)、白熾燈進(jìn)行分組。繼電器控制電路如圖8所示。

圖7 時鐘電路原理

圖8 驅(qū)動模塊電路原理

2．5 顯示模塊設(shè)計 傳感器信號檢測到以后送入單片機(jī)進(jìn)行處理，同時由12864對溫度，濕度，煙度和光照度等各個參數(shù)進(jìn)行顯示。12864為液晶顯示，能顯示字母、漢字、數(shù)字、簡單圖形，符合該設(shè)計的設(shè)計要求。12864顯示模塊接線如圖9所示。

圖9 12864顯示模塊接線示意

3 結(jié)語

該研究針對雞群特殊的生長要求設(shè)計了一套雞舍智能監(jiān)控系統(tǒng)，其中，不僅對溫度、濕度、光照度、煙度等多種環(huán)境因子進(jìn)行了智能監(jiān)控，同時，通過定時器能定時對雞圈進(jìn)行清理。由單片機(jī)對風(fēng)機(jī)、空調(diào)、白熾燈組等硬件設(shè)備的控制，使各個環(huán)境因子保持在適宜范圍以內(nèi)，從而保證雞群健康生長，避免傳統(tǒng)養(yǎng)殖的盲目性及對人的依賴性的缺點。該設(shè)計對我國以農(nóng)村集約型養(yǎng)雞場養(yǎng)殖推向機(jī)械化、智能化有著積極作用。

［1］黃大星，喬振先．禽蛋抗壓特性測試機(jī)構(gòu)設(shè)計及其系統(tǒng)開發(fā)［J］．農(nóng)機(jī)化研究，2006(11):133－134．

［2］李同斌．控制雞舍環(huán)境提高飼養(yǎng)效果［J］．北京農(nóng)業(yè)，2012(3):106．

［3］楊林楠，張麗蓮，張?zhí)祉槪龋B(yǎng)雞場智能監(jiān)管系統(tǒng)研究［J］．西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2004，26(2):214 －216．

［4］劉瑋．規(guī)?；半u養(yǎng)殖場數(shù)字化監(jiān)視系統(tǒng)的研制［D］．武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009．