家禽舍內(nèi)環(huán)境智能控制系統(tǒng)的研究進(jìn)展*

連京華，李惠敏，孫凱，殷若新，陳為京

（山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院家禽研究所，山東 濟(jì)南 250023）

家禽舍內(nèi)環(huán)境智能控制系統(tǒng)的研究進(jìn)展*

連京華，李惠敏，孫凱，殷若新，陳為京**

（山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院家禽研究所，山東 濟(jì)南 250023）

研究家禽舍內(nèi)環(huán)境控制技術(shù)是保障家禽正常遺傳潛能發(fā)揮的首要條件，也是預(yù)防禽病發(fā)生的關(guān)鍵。家禽養(yǎng)殖環(huán)境的好壞對(duì)家禽的健康和生產(chǎn)效益意義重大。合理地利用環(huán)境智能控制技術(shù)，將舍內(nèi)溫度、濕度和各種有害氣體等控制在最適的范圍內(nèi)，是禽群健康發(fā)育、安全生產(chǎn)的根本保障。本文概述了家禽舍內(nèi)環(huán)境智能控制系統(tǒng)的研究進(jìn)展，從環(huán)境智能控制系統(tǒng)的核心部分-主控單片機(jī)、環(huán)境參數(shù)采集控制器、智能控制的算法等方面進(jìn)行了綜述。

禽舍；環(huán)境；智能控制；單片機(jī)；傳感器

隨著互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的融合發(fā)展，家禽養(yǎng)殖環(huán)境智能化、自動(dòng)化控制技術(shù)的研究與應(yīng)用越來越成熟，它促進(jìn)了家禽生產(chǎn)的高效管理，顯著提高家禽養(yǎng)殖效益。眾所周知，家禽生產(chǎn)主要受品種、飼料、疫病、生長(zhǎng)環(huán)境和技術(shù)等諸多方面的影響，其中環(huán)境因素所起的作用約占20%～30%[1]。在現(xiàn)代化家禽生產(chǎn)中，規(guī)?；?、集約化的封閉式、高密度的飼養(yǎng)方式占據(jù)主導(dǎo)地位，舍內(nèi)環(huán)境的控制更為重要。正是由于養(yǎng)殖環(huán)境的重要性，目前對(duì)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)和智能控制技術(shù)的研究如火如荼，已成為業(yè)內(nèi)科研人員和企業(yè)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

1 主控單片機(jī)方面

主控單片機(jī)，即數(shù)據(jù)采集板，是家禽舍內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)的核心部分，主要功能是存儲(chǔ)、運(yùn)行、計(jì)算環(huán)境控制箱智能化程序。劉金華選用美國(guó)NI公司的PCI-6024E作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集板，它具有性能優(yōu)良、價(jià)位低的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、信號(hào)模擬輸出及定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能[2]；錢東平等采用基于PCI數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集卡，通過PCI總線實(shí)現(xiàn)并行32位傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集卡可進(jìn)行3通道循環(huán)采集，支持中斷方式和查詢方式讀取數(shù)據(jù)，開發(fā)畜禽舍環(huán)境溫度自控系統(tǒng)[3]；黃偉鋒針對(duì)大型家禽養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境監(jiān)控的需求，研究建立一種分布式多變量環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由以單片機(jī)ATmega128為核心的監(jiān)控中心和以單片機(jī)ATmega16為核心的智能監(jiān)控終端組成[4]；考慮到系統(tǒng)的整體性能要求和性能指標(biāo)，姜榮昌選用宏晶科技生產(chǎn)的價(jià)格低廉、性能優(yōu)良的STC12C5A60S2(LQFP-44)微處理器芯片[5]；邵林選用STC89C52作為主控單片機(jī)，該芯片使用改良后的MCS-51內(nèi)核，擁有靈巧的8位CPU，使其能夠?qū)㈧`活有效的解決方案提供給眾多嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，適用于禽舍多點(diǎn)位的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6]；在Zigbee無線通信組網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，從希選擇了DSU1115-0601芯片作為家禽舍內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)單元模塊，完成對(duì)采集信號(hào)的無線收發(fā)的功能，通過相應(yīng)的傳感器采集家禽舍中的各種環(huán)境因子[7]。

2 環(huán)境參數(shù)控制器方面

影響家禽生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境因素有很多，主要包括溫度、濕度、空氣中有害氣體（氨氣、硫化氫、二氧化碳、甲烷、一氧化碳）、光照以及噪音等，但筆者認(rèn)為需要監(jiān)控的重要指標(biāo)為溫度、濕度、光照以及有害氣體氨氣、二氧化碳、粉塵等。

2.1 溫度控制器 舍內(nèi)環(huán)境溫度是影響家禽生長(zhǎng)發(fā)育和生產(chǎn)性能發(fā)揮的重要因素。蓋春華使用LM35DZ集成溫度傳感器，設(shè)計(jì)了一種禽舍環(huán)境溫度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制器，可以預(yù)先設(shè)定控制溫度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)換氣[8]；劉金華采用JWSL熱型電阻溫度傳感變送器，感溫元件為靈敏度高、線性好的PT1000鉑電阻[2]；錢東平等利用模糊控制算法設(shè)計(jì)的禽舍環(huán)境溫度監(jiān)控系統(tǒng)，采用變頻調(diào)速裝置對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，高溫時(shí)，風(fēng)機(jī)自動(dòng)開啟進(jìn)行降溫[3]；薛新宇利用瑞士Sensirion公司開發(fā)的基于CMOSens技術(shù)的SHT71新型溫濕度傳感器，開發(fā)了禽舍養(yǎng)殖環(huán)境溫濕度參數(shù)采集系統(tǒng)，該傳感器將溫度、濕度傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)字變換、串行數(shù)字通信口及數(shù)字校準(zhǔn)等都集成一起，具有免外圍元件、長(zhǎng)期穩(wěn)定等特點(diǎn)[9]；黃華等采用PIC18F2580芯片，開發(fā)了畜禽舍溫濕度控制系統(tǒng)，溫度測(cè)量精度達(dá)±0.4℃，濕度測(cè)量精度達(dá)±3.0%RH，降溫效果顯著，有效緩解熱應(yīng)激對(duì)家禽的危害[10]；姜榮昌選用瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的SHT10溫濕度傳感器與CMOS芯片技術(shù)融合，開發(fā)出高集成度、高可靠性、高精度的溫濕度測(cè)控系統(tǒng)[5]；邵林選用一款由長(zhǎng)英科技開發(fā)的具有數(shù)字化探頭的智能化溫濕度測(cè)量模塊LTM8901，可獨(dú)立完成溫度、濕度的測(cè)量，也可以聯(lián)網(wǎng)組成數(shù)字化多點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；從希采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)與溫濕度傳感技術(shù)相結(jié)合AM2302數(shù)字溫濕度傳感器，具有高準(zhǔn)確性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性[7]。

2.2 濕度控制器 舍內(nèi)中的濕度來源于家禽群體的呼吸和地面、飲水、糞便中蒸發(fā)的水分，適宜的濕度為60%～70%。舍內(nèi)保持一定的濕度，在高溫下可輔助降低溫度，并有助于降塵，凈化空氣。

濕度傳感器的濕敏元件是利用表面薄層的水分吸附原理制作而成，材料對(duì)水分子不僅有物理吸附，還會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，造成濕敏元件測(cè)量的重復(fù)性差。劉金華采用JWSL型高分子濕敏電容濕度傳感變送器，其具有線性好、精度高、響應(yīng)時(shí)間快、使用溫度范圍寬、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。濕敏元件為HS15型日產(chǎn)高分子感濕探頭，可連續(xù)高溫使用，抗結(jié)露，常溫下使用不需溫度補(bǔ)償[4]；刁統(tǒng)山采用IH3605-B陶瓷傳感器，利用微細(xì)孔分布的金屬氧化物理陶瓷主體吸附水分后，導(dǎo)電性質(zhì)發(fā)生變化的原理制成，因此具有性能穩(wěn)定、體積小、靈敏度高和測(cè)量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[11]；孫凱等利用瑞士Sensir ion公司推出的基于CMOSens技術(shù)的新型溫濕度一體的傳感器SH T71,該傳感器將溫度、濕度傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)字變換、串行數(shù)字通訊口及數(shù)字校準(zhǔn)等都集成在了一起,具有免外圍元件,長(zhǎng)期穩(wěn)定等特點(diǎn)[12]。

2.3 光照強(qiáng)度控制器 適宜的光照強(qiáng)度對(duì)家禽生長(zhǎng)發(fā)育、性成熟以及生產(chǎn)力都具有重要的作用，光照不足和光照過量都會(huì)對(duì)家禽產(chǎn)生不良影響。

薛新宇利用TI公司的TSL230B傳感器開發(fā)了畜禽舍光照強(qiáng)度信息采集傳感器，該傳感器采用先進(jìn)的LinCMOSTN工藝，主要由多晶硅光電二極管和單片CMOS電流頻率集成轉(zhuǎn)換器構(gòu)成[9]；邵林選用一款由北京迪輝科技開發(fā)的具有較高靈敏度的照度傳感器DZD-T4V1,配合高精度線性放大電路，有多種光照測(cè)量范圍和信號(hào)輸出類型[6]；從希采用一種數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器BH1750FV1，用于兩線式串行總線接口的集成電路[7]。

2.4 氨氣濃度傳感器 禽舍中的氨氣主要由糞便、飼料殘?jiān)群袡C(jī)物分解產(chǎn)生。禽類對(duì)氨氣反應(yīng)特別敏感，氨氣被吸入呼吸道后，可引起上呼吸道粘膜充血、支氣管炎，嚴(yán)重時(shí)引起水腫、肺出血等。同時(shí)污染大氣環(huán)境，引起土壤和水體酸化。禽舍中的氨氣濃度不宜超過15mg/m3，幼齡階段不宜超過10mg/m3。

常見氨氣傳感器類型有金屬半導(dǎo)體傳感器、電化學(xué)傳感器、導(dǎo)電高聚物傳感器和光纖傳感器。劉金華和黃偉鋒采用JB-QT-TON90ATN氨氣氣體傳感變送器，設(shè)計(jì)了氨氣濃度檢測(cè)裝置；刁統(tǒng)山采用化學(xué)發(fā)光NO-NO2-NOX分析儀進(jìn)行氨氣濃度的測(cè)量，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)中存在缺失或異常值等問題，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)因傳感器故障而引起的缺失或異常數(shù)據(jù)的恢復(fù)性估計(jì)進(jìn)行了深入的探討，提出了采用多元線性回歸的方法對(duì)連續(xù)采樣數(shù)據(jù)中的缺失部分進(jìn)行估計(jì)和恢復(fù)，不僅從理論上分析了這種方法的可行性，而且闡述了算法的實(shí)現(xiàn)；姜榮昌選用美國(guó)RAE Systems公司的4NH3-100氨氣傳感器和TI公司的PGA204數(shù)字放大器，設(shè)計(jì)了氨氣采集系統(tǒng)；從希選用鄭州煒盛科技公司生產(chǎn)的ME4-NH3電化學(xué)式氣敏傳感器作為檢測(cè)氨氣的傳感器；孫凱等選用MIC系列固定式氣體檢測(cè)變送器，檢測(cè)空氣中氨氣的百分含量（%LEL）濃度，并將濃度按正比關(guān)系轉(zhuǎn)換成4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出[12]。其技術(shù)特點(diǎn)為：完全實(shí)現(xiàn)了三線制氣體變送器的數(shù)字化、智能化；4-20mA信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)RS485數(shù)字信號(hào)輸出，可實(shí)時(shí)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。

2.5 二氧化碳?xì)怏w傳感器 二氧化碳是由禽體呼吸而產(chǎn)生的，在通風(fēng)良好的情況下，不至于危害家禽的健康。常用的二氧化碳傳感器類型有半導(dǎo)體傳感器、電化學(xué)式、絕緣體傳感器和非分紅外型傳感器。

刁統(tǒng)山選用CEA-800型號(hào)的紅外二氧化碳分析儀，利用比爾定律和氣體對(duì)紅外線的選擇性吸收原理進(jìn)行二氧化碳的測(cè)定；黃偉鋒選用Figaro公司的固體電可測(cè)型二氧化碳?xì)怏w傳感器TGS4160，與處理模塊AM-4配合使用，與二氧化碳濃度值呈線性關(guān)系，開發(fā)了畜禽環(huán)境監(jiān)控設(shè)備；姜榮昌選用國(guó)產(chǎn)藍(lán)月科技的B-530二氧化碳傳感器模塊，設(shè)計(jì)了禽舍養(yǎng)殖環(huán)境二氧化碳監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；邵林選用由藍(lán)月科技研究開發(fā)的擁有世界上最輕、最小的NDIR技術(shù)的紅外二氧化碳傳感器S100，使用壽命在10年以上；從希選用鄭州煒盛科技公司生產(chǎn)的MH-Z14作為監(jiān)測(cè)CO2的傳感器，利用非色散紅外（NDIR）原理對(duì)空氣中存在的二氧化碳進(jìn)行探測(cè)，具有很好的選擇性，無氧氣依賴性，壽命長(zhǎng)。

2.6 粉塵濃度傳感器 粉塵是由無數(shù)形狀不規(guī)則、大小不一的顆粒組成，主要包括灰塵、糞塵、飼料粉末、皮屑、羽毛屑、墊料碎末等易于懸浮于空氣中的顆粒物。粉塵微粒易沉降在肺泡內(nèi)，并可攜帶病原微生物，傳染疾病。按照我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一般禽舍中粉塵濃度最高允許值為4.2mg/m3。孫凱等選用光學(xué)式粉塵濃度檢測(cè)變送器，型號(hào)為DS200[12]。其特點(diǎn)為可作為測(cè)試環(huán)境灰塵的參考，適用范圍0～50mg/m3，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)采樣，可長(zhǎng)期使用；友好型設(shè)計(jì)，使維護(hù)更簡(jiǎn)單；滿足國(guó)家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和WHO對(duì)于顆粒物的空氣質(zhì)量準(zhǔn)則值所規(guī)定的數(shù)值范圍測(cè)試要求。

3 智能控制的算法

建立家禽舍環(huán)境智能控制系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)被控對(duì)象的特點(diǎn)和所要達(dá)到的控制精度，選擇恰當(dāng)?shù)目刂扑惴ǎㄟ^合理的控制技術(shù)，達(dá)到環(huán)境自動(dòng)控制的要求。劉金華采用模糊控制算法開發(fā)溫度控制系統(tǒng)，以達(dá)到禽舍環(huán)境中參數(shù)變量的優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)環(huán)境控制的自動(dòng)化、智能化；錢東平等利用模糊控制算法建立禽舍環(huán)境溫度的數(shù)學(xué)模型，對(duì)禽舍環(huán)境溫度狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，增加了測(cè)控過程的穩(wěn)定性，提高了環(huán)境溫度測(cè)控的精度和效率，適應(yīng)了現(xiàn)代化家禽業(yè)科學(xué)生產(chǎn)和自動(dòng)化管理的要求；楊軍等基于控制邏輯算法設(shè)計(jì)了雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，并提出一種基于專家系統(tǒng)的遠(yuǎn)程視頻診斷雞病的方法[13]；針對(duì)禽舍飼養(yǎng)環(huán)境具有多變量耦合的特點(diǎn)，邵林提出了一種多測(cè)點(diǎn)傳感器監(jiān)測(cè)方案以適應(yīng)其復(fù)雜的飼養(yǎng)環(huán)境，應(yīng)用最優(yōu)加權(quán)算法對(duì)單一環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行局部融合，應(yīng)用改進(jìn)后的D-S證據(jù)理論算法對(duì)4種環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行整體融合，并根據(jù)整合結(jié)果對(duì)舍內(nèi)環(huán)境狀況做出準(zhǔn)確判斷，為家禽營(yíng)造舒適、健康的成長(zhǎng)與生活環(huán)境。

4 展望

4.1 環(huán)境控制是家禽生長(zhǎng)發(fā)育和生產(chǎn)性能優(yōu)勢(shì)發(fā)揮的關(guān)鍵性因素，受到業(yè)內(nèi)科研工作者和企業(yè)生產(chǎn)管理人員的高度重視。近年來，盡管在智能化、自動(dòng)化環(huán)境控制系統(tǒng)方面研究與應(yīng)用較多，但該項(xiàng)技術(shù)還不夠完善，不夠成熟，期盼加大該領(lǐng)域的研究、開發(fā)和實(shí)踐應(yīng)用。同時(shí)，加大氨氣、粉塵傳感器的開發(fā)力度，早日研發(fā)出靈敏度高、穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的傳感器。

4.2 在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，4G/5G網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展，智能手機(jī)、平板電腦等已為家禽生產(chǎn)與管理者普遍使用的通訊工具。研發(fā)基于移動(dòng)終端的家禽智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通過諸如智能手機(jī)等設(shè)備來遠(yuǎn)程監(jiān)控、操縱禽舍環(huán)境控制系統(tǒng)，也是一個(gè)重要的研究方向。

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S831.4+5

A

1673-1085（2016）10-0047-04

2016-08-22

山東省科技發(fā)展計(jì)劃“肉雞安全生產(chǎn)技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)（項(xiàng)目編號(hào)：2014GGH210001）”和山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年科研基金項(xiàng)目 “基于智能手機(jī)的商品蛋雞舍環(huán)境指標(biāo)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究”。

**通訊作者。