多環(huán)境參數(shù)控制的豬養(yǎng)殖箱設(shè)計(jì)及箱內(nèi)氣流場(chǎng)分析

高 云，陳震撼，王 瑜，李小平，郭繼亮

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多環(huán)境參數(shù)控制的豬養(yǎng)殖箱設(shè)計(jì)及箱內(nèi)氣流場(chǎng)分析

高 云1,2，陳震撼1,4，王 瑜1，李小平3，郭繼亮1

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070； 2. 生豬健康養(yǎng)殖協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070； 3. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，武漢 430070； 4.江西奧斯盾農(nóng)牧設(shè)備有限公司，南昌 330115）

在規(guī)模化養(yǎng)殖中豬舍環(huán)境日益重要的背景下，為了便于研究豬舍內(nèi)不同環(huán)境對(duì)豬健康的影響，該文設(shè)計(jì)了基于多環(huán)境參數(shù)控制的豬養(yǎng)殖箱。養(yǎng)殖箱采用氣流自循環(huán)的通風(fēng)模式，通過(guò)ANSYS對(duì)該養(yǎng)殖試驗(yàn)箱的氣流場(chǎng)走向、模式以及風(fēng)速適宜性進(jìn)行模擬仿真。該養(yǎng)殖箱利用環(huán)境因子檢測(cè)模塊中的傳感器集成節(jié)點(diǎn)和激光NH3傳感器實(shí)時(shí)獲取養(yǎng)殖箱內(nèi)的溫度、相對(duì)濕度、NH3濃度、CO2濃度、風(fēng)速等環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過(guò)通信中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)STM32發(fā)送至主控制器可編程邏輯控制器（programmable logical controller，PLC），PLC對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)已處理的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行環(huán)境調(diào)控，實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)環(huán)境的自動(dòng)控制。與此同時(shí)，PLC將環(huán)境數(shù)據(jù)上發(fā)至上位機(jī)PC，通過(guò)WinCC監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示，通過(guò)VB腳本實(shí)現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)自動(dòng)定時(shí)導(dǎo)出至Excel文件功能。養(yǎng)殖箱氣流煙霧試驗(yàn)、空箱試驗(yàn)以及保育豬養(yǎng)殖試驗(yàn)結(jié)果表明：養(yǎng)殖箱內(nèi)氣流走向形成大循環(huán)，且通風(fēng)無(wú)死角，養(yǎng)殖箱環(huán)境控制系統(tǒng)的溫度控制精度為±1℃，相對(duì)濕度可以控制在50%～80%的適宜范圍內(nèi)，NH3濃度控制精度小于±3í10-6，CO2濃度可以控制在1540í10-6以下，養(yǎng)殖箱能夠在較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了箱內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、NH3濃度、CO2濃度等環(huán)境因子精確控制，為不同環(huán)境的養(yǎng)殖試驗(yàn)提供試驗(yàn)平臺(tái)。

環(huán)境控制；溫度；風(fēng)速；豬舍環(huán)境；ANSYS流場(chǎng)仿真

0 引 言

近年來(lái)，隨著中國(guó)生豬養(yǎng)殖向規(guī)?；?、集約化的方向發(fā)展，豬舍環(huán)境控制在養(yǎng)豬生產(chǎn)過(guò)程中的重要性更加凸顯，豬舍環(huán)境狀況將直接影響豬的存活率、健康狀況、生產(chǎn)性能，進(jìn)而影響豬肉產(chǎn)量和品質(zhì)[1-3]。豬舍內(nèi)環(huán)境溫度過(guò)高不僅會(huì)引起豬的熱應(yīng)激反應(yīng)，且會(huì)降低豬的進(jìn)食量，增加料肉比[4-6]。溫度過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致母豬生產(chǎn)成績(jī)下降，豬群抵抗力降低，并且降低飼料轉(zhuǎn)化率[7-9]。豬只為了維持自身恒定的體溫會(huì)不斷和周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換，其機(jī)體產(chǎn)生的熱量分為潛熱和顯熱。外界環(huán)境溫度越高，顯熱散失越少，機(jī)體更多通過(guò)潛熱即呼吸蒸發(fā)散熱。然而當(dāng)外界環(huán)境為高溫高濕狀態(tài)時(shí)，環(huán)境濕度接近或已達(dá)到飽和狀態(tài)，呼吸蒸發(fā)受阻，豬核心體溫上升從而引發(fā)豬的熱應(yīng)激反應(yīng)，進(jìn)而降低日增質(zhì)量指標(biāo)，影響豬的健康[10-13]。豬舍內(nèi)有害氣體如NH3、CO2對(duì)豬的生長(zhǎng)與健康有顯著影響[14-16]。仔豬舍內(nèi)的NH3濃度高于50í10-6時(shí)，其日增質(zhì)量降低10%以上[17]。NH3濃度由21.9í10-6增加到65.1í10-6時(shí)，豬呼吸病和萎縮性鼻炎的發(fā)病率大幅升高[17]。在高密度養(yǎng)殖環(huán)境下，豬舍內(nèi)CO2濃度較高[18]，出于對(duì)豬的健康考慮，其生活環(huán)境中的CO2濃度應(yīng)低于1540í10-6[19-20]。

國(guó)外眾多專家學(xué)者在豬舍環(huán)境控制方面開(kāi)展了大量研究，如美國(guó)研究者Stinn[21]在美國(guó)中西部進(jìn)行了育肥豬舍環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制試驗(yàn)，為進(jìn)一步研究豬舍環(huán)境控制提供了環(huán)境數(shù)據(jù)資料與環(huán)境控制方案。Seo等[22]建立了商品豬豬舍內(nèi)溫度場(chǎng)、氣流場(chǎng)的計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）模型，為不同季節(jié)通風(fēng)模式的選擇提供最優(yōu)方案。德國(guó)Big Dutchman公司研發(fā)的集環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感裝置、微型控制器和環(huán)境調(diào)控設(shè)備于一體的綜合性環(huán)境控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)豬舍環(huán)境的完全自動(dòng)化控制。瑞典Munters公司研發(fā)的MX2 Plus溫濕度控制器可過(guò)濾豬舍內(nèi)的污濁空氣，在為豬舍提供更清新的空氣的同時(shí)，有效地調(diào)節(jié)舍內(nèi)溫濕度，為豬提供更舒適的生活環(huán)境。

國(guó)內(nèi)在豬舍環(huán)境控制的研究開(kāi)發(fā)起步較晚，但近年來(lái)發(fā)展迅速。賀城等[23-24]將CFD技術(shù)應(yīng)用于豬舍氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的模擬研究，為豬舍內(nèi)氣流控制和溫度控制提供了科學(xué)的理論支撐。賴國(guó)洪[25]在墊料式發(fā)酵床封閉式豬舍中建立了集環(huán)境因子采集、PLC控制、TD400文本顯示的一整套豬舍環(huán)境自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)，通過(guò)傳感器檢測(cè)舍內(nèi)環(huán)境溫度與濕度，墊料溫度以及NH3濃度等數(shù)據(jù)，并由S7-200 PLC控制濕簾-風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)、噴淋設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)了南方密閉式豬舍內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、NH3濃度的自動(dòng)控制。范留偉[26]設(shè)計(jì)了基于STM32單片機(jī)的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以控制器局域網(wǎng)（controll area network，CAN）總線通信方式建立了檢測(cè)模塊與控制模塊之間的聯(lián)系，可實(shí)現(xiàn)舍內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、光照及有害氣體的檢測(cè)與控制，并且通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)與上位機(jī)數(shù)據(jù)交互，便于豬場(chǎng)管理人員對(duì)舍內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控和環(huán)境參數(shù)設(shè)定。

豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)的研究盡管有些成果，但這些研究成果主要實(shí)現(xiàn)了豬舍環(huán)境適宜度的提升，而應(yīng)用于環(huán)境多變量控制試驗(yàn)的控制系統(tǒng)還鮮有涉及。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于不同環(huán)境因子對(duì)豬生長(zhǎng)影響的研究多為人工控制或半自動(dòng)化控制模式，存在控制精度差、人工成本高等缺點(diǎn)，為了提高環(huán)境因子的控制精度，降低人工成本，需要為這些研究提供工作性能優(yōu)良的環(huán)境多變量自動(dòng)控制試驗(yàn)平臺(tái)。

針對(duì)應(yīng)用于豬舍多環(huán)境因子自動(dòng)控制試驗(yàn)平臺(tái)缺乏的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于氣參數(shù)的環(huán)境控制養(yǎng)殖箱，該養(yǎng)殖箱采用自循環(huán)的通風(fēng)模式，利用環(huán)境因子檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)獲取養(yǎng)殖試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度、相對(duì)濕度、NH3濃度、CO2濃度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，發(fā)送至主控制器PLC，一方面實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)多環(huán)境因子的自動(dòng)控制，另一方面將環(huán)境數(shù)據(jù)上發(fā)至上位機(jī)，通過(guò)WinCC監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示和自動(dòng)定時(shí)存儲(chǔ)至Excel文件，該養(yǎng)殖試驗(yàn)箱不僅可滿足不同的環(huán)境控制試驗(yàn)需求，而且實(shí)現(xiàn)了環(huán)境控制自動(dòng)化。

1 材料與方法

1.1 養(yǎng)殖試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)

養(yǎng)殖箱內(nèi)部空間以飼養(yǎng)6頭保育豬或4頭生長(zhǎng)豬為準(zhǔn)，長(zhǎng)×寬×高設(shè)計(jì)為2 m×1.5 m×2 m。糞槽深度以4頭生長(zhǎng)豬每周排糞量為準(zhǔn)，其深度設(shè)計(jì)為0.45 m，因此整體內(nèi)部尺寸為2 m×1.5 m×2.45 m。大門(mén)位于正面墻壁外側(cè)中間部位，小門(mén)位于大門(mén)內(nèi)側(cè)。正面墻壁上部靠左位置有3個(gè)半徑為0.063 m，圓心距為0.5 m的進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口對(duì)面墻壁的右下角有1個(gè)半徑為0.11 m的出風(fēng)口，并在出風(fēng)口處安裝1號(hào)風(fēng)機(jī)，在靠近1號(hào)風(fēng)機(jī)的內(nèi)墻壁上安裝鍍鋅欄桿網(wǎng)，在鍍鋅欄桿網(wǎng)上放置1號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)和激光NH3傳感器，在進(jìn)風(fēng)口處放置2號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)。在門(mén)的對(duì)面墻角固定安裝飼料槽和飲水碗。養(yǎng)殖試驗(yàn)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1a所示。養(yǎng)殖箱由主箱體、氣體混合箱、通風(fēng)系統(tǒng)、環(huán)境調(diào)控設(shè)備等組成，外部結(jié)構(gòu)如圖1b所示。

通風(fēng)系統(tǒng)由1號(hào)風(fēng)機(jī)、2號(hào)風(fēng)機(jī)、通風(fēng)管道組成。1號(hào)風(fēng)機(jī)與2號(hào)風(fēng)機(jī)同時(shí)工作，將養(yǎng)殖箱內(nèi)的空氣抽入通風(fēng)主管道，流經(jīng)氣體混合箱，通過(guò)3個(gè)進(jìn)風(fēng)口吹入養(yǎng)殖箱內(nèi)，在養(yǎng)殖箱內(nèi)形成渦流后再次被抽入主管道，以此方式持續(xù)循環(huán)通風(fēng)。

1. 1號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn) 2.鍍鋅欄桿網(wǎng) 3.出風(fēng)口 4.飼料槽 5.飲水碗 6.糞槽出口 7.漏縫地板 8.小門(mén) 9. 2號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn) 10.進(jìn)風(fēng)口11.制冷壓縮機(jī) 12.氣體混合箱 13. NH3電磁閥 14. 1號(hào)風(fēng)機(jī) 15.通風(fēng)主管道風(fēng)閥 16.廢氣風(fēng)閥 17.抽糞泵 18.新鮮空氣風(fēng)閥 19. 2號(hào)風(fēng)機(jī)

環(huán)境調(diào)控設(shè)備由制冷機(jī)組、空氣加熱管、NH3電磁閥、風(fēng)量調(diào)節(jié)閥等組成。空氣混合箱內(nèi)的制冷機(jī)組銅管用以降低進(jìn)入箱體的空氣溫度，空氣加熱管用來(lái)提升進(jìn)入箱體的空氣溫度，如用制冷機(jī)組將空氣溫度降低至露點(diǎn)溫度以下，再輔以加熱管進(jìn)行加熱，則可降低空氣中水份含量，從而在某種程度下降低進(jìn)入箱體空氣的相對(duì)濕度。為了使養(yǎng)殖箱內(nèi)的NH3維持在某設(shè)定濃度值，需根據(jù)NH3傳感器測(cè)得的濃度來(lái)控制NH3的進(jìn)氣和排放，如果箱內(nèi)NH3濃度大于設(shè)定濃度則控制廢氣風(fēng)閥和新鮮空氣風(fēng)閥，加大廢氣排放，增加新空氣進(jìn)氣，降低NH3濃度，如NH3濃度小于設(shè)定濃度則開(kāi)啟空氣混合箱上的NH3電磁閥，提升NH3濃度。

1.2 ANSYS氣流場(chǎng)模擬驗(yàn)證

該文使用ANSYS 12.0軟件對(duì)該養(yǎng)殖試驗(yàn)箱的氣流場(chǎng)走向和模式以及風(fēng)速適宜性進(jìn)行模擬仿真。試驗(yàn)箱通風(fēng)模式為負(fù)壓通風(fēng)，入口邊界條件設(shè)為速度入口，風(fēng)速為夏季最高通風(fēng)模式2 m/s，出口邊界條件設(shè)為壓力出口[27-32]。按照6頭保育豬或4頭生長(zhǎng)豬夏季最大通風(fēng)量設(shè)計(jì)，進(jìn)風(fēng)口面積為0.0375 m2[33]，使進(jìn)氣口總面積與出風(fēng)口總面積相等，進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)為3個(gè)圓孔，出風(fēng)口為單圓孔，得到進(jìn)風(fēng)口半徑為0.063 m，出風(fēng)口半徑為0.11 m。流場(chǎng)模擬效果如圖2所示。

圖2 養(yǎng)殖試驗(yàn)箱流場(chǎng)模擬效果圖

由圖2 a可知，氣流循環(huán)覆蓋整個(gè)養(yǎng)殖箱空間，豬生活區(qū)無(wú)通風(fēng)死角。按照保育豬或生長(zhǎng)豬站立高度取0.3 m，躺臥高度取0.1 m，由圖2b和圖2c可知，養(yǎng)殖箱內(nèi)除去靠近出風(fēng)口的位置外，距地板0.1 m高度和0.3 m高度平面上風(fēng)速不高于0.4 m/s，風(fēng)速基本處于豬只的耐受范圍。實(shí)際養(yǎng)殖箱在靠近出風(fēng)口位置安裝有圍欄，防止豬只靠近，且控制系統(tǒng)可通過(guò)降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)精確調(diào)節(jié)豬的過(guò)體風(fēng)速。

在養(yǎng)殖箱內(nèi)在0.1 m和0.3 m 2個(gè)水平高度上，距離箱壁為0.5 m水平均勻布置4個(gè)自制全向風(fēng)速傳感器對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，風(fēng)速傳感器布置方法參照文獻(xiàn)[34]，全向風(fēng)速傳感器為設(shè)計(jì)者前期的研制成品，傳感器參數(shù)及測(cè)量值的不確定性分析見(jiàn)文獻(xiàn)[35]。實(shí)地測(cè)量0.1 m高度風(fēng)速約為0.25±0.02m/s，0.3 m高度豬活動(dòng)區(qū)域風(fēng)速約為0.31±0.11 m/s。2個(gè)水平高度的風(fēng)速近似且4個(gè)點(diǎn)風(fēng)速相近與仿真結(jié)果類似，實(shí)地測(cè)量通風(fēng)無(wú)死角。由于該風(fēng)速模擬為夏季最高通風(fēng)模式下，實(shí)際在養(yǎng)殖試驗(yàn)時(shí)，適宜溫度下控制進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速低于仿真試驗(yàn)中設(shè)置。

1.3 養(yǎng)殖試驗(yàn)箱控制系統(tǒng)

1.3.1 控制系統(tǒng)組成

養(yǎng)殖試驗(yàn)箱控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。系統(tǒng)由主控制器S7-200 PLC、環(huán)境因子檢測(cè)模塊、PC機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，主要完成多環(huán)境因子自動(dòng)檢測(cè)與控制，以及環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控和自動(dòng)定時(shí)保存。S7-200 PLC與環(huán)境因子檢測(cè)模塊和PC機(jī)建立數(shù)據(jù)傳輸通道，與模擬量輸出擴(kuò)展模塊EM232和繼電器組建立控制輸出通道。環(huán)境因子檢測(cè)模塊中的STM32F1作為通信中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，將1號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)、2號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)、激光NH3傳感器檢測(cè)的溫度、相對(duì)濕度、NH3濃度、CO2濃度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)整理為數(shù)據(jù)包并通過(guò)串口發(fā)送至S7-200 PLC的RS-485通信端口Port 2，PLC程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將已處理的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)通信端口Port 1實(shí)時(shí)上傳至PC機(jī)的WinCC監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示和自動(dòng)定時(shí)存儲(chǔ)。與此同時(shí)，PLC向模擬量輸出擴(kuò)展模塊EM232發(fā)出模擬量控制信號(hào)，進(jìn)而調(diào)控2個(gè)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和3個(gè)風(fēng)閥的開(kāi)合角度，向繼電器組發(fā)出數(shù)字量控制信號(hào)，進(jìn)而控制制冷壓縮機(jī)、空氣加熱管、NH3電磁閥、抽糞泵和照明燈的開(kāi)啟與關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)環(huán)境控制。

圖3 環(huán)境控制養(yǎng)殖試驗(yàn)箱控制系統(tǒng)框圖

該文選用SIEMENS公司旗下S7-200系列中的CPU224XP繼電器輸出型PLC作為控制系統(tǒng)的主控制器；STM32F103ZET6為核心控制器的開(kāi)發(fā)板作為通信中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)使用課題組現(xiàn)有的集成有溫濕度傳感器、CO2傳感器和風(fēng)速傳感器的集成節(jié)點(diǎn)；選用武漢弘光億源技術(shù)有限公司研制的激光NH3傳感器。執(zhí)行設(shè)備包括制冷壓縮機(jī)、空氣加熱管、NH3電磁閥、抽糞泵、風(fēng)機(jī)和風(fēng)量調(diào)節(jié)閥等。執(zhí)行設(shè)備參數(shù)如表1所示。

1.3.2 通信中轉(zhuǎn)程序設(shè)計(jì)

通信中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)STM32芯片的串口1（USART1）用于讀取1號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；串口2（USART2）用于讀取2號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；串口4（UART4）用于讀取激光NH3傳感器的數(shù)據(jù)；串口3（USART3）用于與PLC通訊。

表1 執(zhí)行設(shè)備參數(shù)

1號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)與2號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)分別與通信中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)STM32的USART1和USART2進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。2個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采樣周期為每2 s采集1個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)每2 s檢測(cè)1次溫度、相對(duì)濕度、CO2濃度和風(fēng)速，并分別發(fā)送至STM32的USART1和USART2。傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為“起始字符+溫度字符+相對(duì)濕度字符+CO2字符+風(fēng)速字符+校驗(yàn)字符”，其中起始字符為2個(gè)字節(jié)的“FF 05”。溫度字符、相對(duì)濕度字符、CO2字符和風(fēng)速字符均由高位字節(jié)和低位字節(jié)組成，高位字節(jié)可轉(zhuǎn)換為環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)數(shù)部分，低位字節(jié)可轉(zhuǎn)換為小數(shù)部分，校驗(yàn)字符為10個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。因此2個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)均為長(zhǎng)度為20字節(jié)的字符串。

激光NH3傳感器通信方式為RS485通信，STM32串口的電平標(biāo)準(zhǔn)為T(mén)TL電平，因此激光NH3傳感器與STM32的通信端口之間連接TTL-RS485電平轉(zhuǎn)換模塊。STM32讀取NH3濃度的通信協(xié)議為STM32向激光NH3傳感器發(fā)送“:09NH0100C0 ”，傳感器檢測(cè)NH3濃度后應(yīng)答“:09NH0104+ NH3濃度+校驗(yàn)字符+ ”。其中應(yīng)答語(yǔ)句中的NH3濃度為4位十六進(jìn)制數(shù)。校驗(yàn)字符共2字節(jié)，除去首端“:”和尾端“ ”的所有字符的ASCII碼之和對(duì)256.0取模。激光NH3傳感器的NH3濃度數(shù)據(jù)共17個(gè)字節(jié)。

控制系統(tǒng)依據(jù)激光NH3傳感器和1號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行環(huán)境控制，2號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)起參照作用。在STM32接收到1號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，NH3讀數(shù)標(biāo)志位NH3_Flag置1，STM32向激光NH3傳感器發(fā)送NH3濃度讀取指令，并隨即接收到NH3濃度讀取應(yīng)答。為了便于PLC識(shí)別3個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，STM32在1號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的字符串前增加“16#41”，即字符“A”；在2號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的字符串前增加“16#42”，即字符“B”。在激光NH3傳感器發(fā)送的字符串前增加“16#43”，即字符“C”。因此環(huán)境因子檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)共有60字節(jié)。STM32與PLC通信的USART3波特率設(shè)置為9 600 Bd，在數(shù)據(jù)讀取完畢后統(tǒng)一由USART3發(fā)送至PLC的通信端口Port 0。

1.3.3 PLC程序設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)PLC與STM32之間的通信，首先設(shè)置通信端口Port 0的通信模式與接收模式。設(shè)定通信端口的通信模式為自由口通信，通信波特率為9 600 Bd，每個(gè)字符的數(shù)據(jù)位為8位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。設(shè)定接收模式應(yīng)先設(shè)置特殊寄存器SMB87中的接收消息控制字節(jié)，再設(shè)置具體的消息接收條件。設(shè)置使用消息起始檢測(cè)功能，起始字符為“FF 05”；使用空閑線檢測(cè)功能，空閑線檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)為5 ms；設(shè)置最大接收字符數(shù)為60。

PLC接收到的3組環(huán)境數(shù)據(jù)需要進(jìn)行字節(jié)調(diào)序和數(shù)值轉(zhuǎn)換以得到溫度、相對(duì)濕度、NH3濃度、CO2濃度、風(fēng)速的實(shí)數(shù)值。對(duì)于1號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，使用For-Next循環(huán)語(yǔ)句建立1個(gè)最大循環(huán)次數(shù)為20次的循環(huán)判斷語(yǔ)句，其判斷字符是首端2個(gè)字節(jié)為“FF 05”。若判斷結(jié)果為假，則將首端1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)移動(dòng)至尾端，并使用塊傳送指令BLKMOV_B將數(shù)據(jù)整體向前移動(dòng)1個(gè)字節(jié)，繼續(xù)進(jìn)行判斷。若判斷結(jié)果為真，則跳出循環(huán)，并將“FF 05”之后8個(gè)字節(jié)的有效數(shù)據(jù)提取出來(lái)存儲(chǔ)到VB50～VB57的存儲(chǔ)地址中。對(duì)于2號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將“FF 05”之的8個(gè)字節(jié)的有效數(shù)據(jù)提取出來(lái)存儲(chǔ)到VB60～VB67的存儲(chǔ)地址中。對(duì)于激光NH3傳感器的數(shù)據(jù)，其循環(huán)判斷語(yǔ)句的判斷字符為“3A 30”，最大循環(huán)次數(shù)為17次。若判斷結(jié)果為真，則將“3A 30”之后的4個(gè)字節(jié)有效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至VB30～VB33中。字節(jié)調(diào)序模式如圖5所示。

注：1～20每個(gè)框?yàn)?個(gè)字節(jié)。

PLC通過(guò)數(shù)值轉(zhuǎn)換程序?qū)⒂行Лh(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)數(shù)化處理。1號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至VB50～VB57中。溫度數(shù)值整數(shù)部分存儲(chǔ)于VB50中，小數(shù)部分存儲(chǔ)于VB51中；相對(duì)濕度數(shù)值整數(shù)部分存儲(chǔ)于VB52中，小數(shù)部分存儲(chǔ)于VB53中；風(fēng)速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于VB54～VB55中；CO2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于VB56～VB57中。對(duì)VB50～VB57中的數(shù)據(jù)依次執(zhí)行字節(jié)轉(zhuǎn)整數(shù)、整數(shù)轉(zhuǎn)雙整數(shù)、雙整數(shù)轉(zhuǎn)實(shí)數(shù)等指令轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)值。其中溫度小數(shù)部分?jǐn)?shù)值除以10之后與整數(shù)部分?jǐn)?shù)值相加，得到1號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)溫度，存入變量存儲(chǔ)區(qū)VD320中。相對(duì)濕度小數(shù)部分?jǐn)?shù)值除以10之后與整數(shù)部分?jǐn)?shù)值相加，得到1號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)相對(duì)濕度，存入變量存儲(chǔ)區(qū)VD370中。風(fēng)速數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)值轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)于VD406和VD416中，VD406中的數(shù)值與實(shí)數(shù)256.0相乘，再與VD416中的數(shù)值相加，最后將相加的和除以1000.0得到風(fēng)速，并存入VD420中。CO2數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)值轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)于VD456和VD466中。VD456中的數(shù)值與256.0相乘后與VD466中的數(shù)值相加，最終得到CO2濃度，并存入VD470中。NH3濃度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)為VB30～VB33，數(shù)據(jù)類型為ASCII碼。對(duì)VB30～VB33中的數(shù)據(jù)依次執(zhí)行ASCII碼轉(zhuǎn)十六進(jìn)制數(shù)、整數(shù)轉(zhuǎn)雙整數(shù)、雙整數(shù)轉(zhuǎn)實(shí)數(shù)等指令轉(zhuǎn)換為NH3濃度實(shí)數(shù)值，并存儲(chǔ)于VD80中。

PLC程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)數(shù)化處理后進(jìn)入控制子程序，進(jìn)行溫度、相對(duì)濕度、NH3濃度、CO2濃度等環(huán)境變量的控制。4周至8周日齡保育豬適宜環(huán)境溫度范圍為22～30 ℃，每周下降2 ℃。生長(zhǎng)豬適宜環(huán)境溫度為18～22 ℃[33]。保育豬和生長(zhǎng)豬生活環(huán)境相對(duì)濕度適宜范圍是50%～80%。

養(yǎng)殖箱控制系統(tǒng)通過(guò)控制制冷壓縮機(jī)和空氣加熱管的開(kāi)啟與停機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度和相對(duì)濕度，控制流程如圖5所示。

圖5 溫濕度控制流程圖

PLC程序開(kāi)始運(yùn)行后，首先進(jìn)行通信初始化設(shè)置，包括設(shè)置通信方式為自由口通信，波特率為9 600 Bd，起始檢測(cè)字符為“FF 05”，空閑線檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)5 ms，最大接收字符數(shù)60，并啟動(dòng)接收模式。當(dāng)數(shù)據(jù)接收完成時(shí)，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理中斷，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行字節(jié)調(diào)序和實(shí)數(shù)化處理，由此開(kāi)始溫濕度控制。首先判斷溫度或濕度是否在設(shè)定范圍內(nèi)，若溫度過(guò)低，則開(kāi)啟空氣加熱管使環(huán)境溫度上升；若溫度過(guò)高，且制冷壓縮機(jī)停機(jī)超過(guò)3 min，則開(kāi)啟制冷壓縮機(jī)使環(huán)境溫度下降；養(yǎng)殖箱為封閉空間，豬呼吸作用和糞槽中的水產(chǎn)生較多濕氣，因此若濕度過(guò)高，則同時(shí)開(kāi)啟制冷壓縮機(jī)和空氣加熱管進(jìn)行除濕。

養(yǎng)殖箱控制系統(tǒng)通過(guò)控制通風(fēng)閥門(mén)的打開(kāi)角度和NH3補(bǔ)氣電磁閥的開(kāi)閉控制養(yǎng)殖箱內(nèi)的NH3濃度水平，通過(guò)控制通風(fēng)閥門(mén)的打開(kāi)角度降低CO2濃度，控制流程如圖6所示。

圖6 NH3、CO2濃度控制流程圖

出于對(duì)豬的健康考慮，其生活環(huán)境中的CO2濃度應(yīng)低于1 540×10-6。使用接通延時(shí)定時(shí)器T33建立1個(gè)周期為60 s，占空比可變的PWM波控制NH3補(bǔ)充程序。若養(yǎng)殖箱內(nèi)需維持10×10-6的NH3濃度，當(dāng)補(bǔ)NH3程序的60 s定時(shí)結(jié)束時(shí)，如果NH3濃度介于7×10-6～9×10-6之間，則PWM波的占空比為1/120，NH3電磁閥開(kāi)啟0.5 s。如果濃度介于5×10-6～7×10-6之間，則PWM波占空比為1/80，NH3電磁閥開(kāi)啟0.75 s。如果濃度低于5×10-6，則PWM波占空比為1/60，NH3電磁閥開(kāi)啟1 s。當(dāng)NH3濃度介于11×10-6～13×10-6之間或CO2濃度介于1 540×10-6～1 740×10-6之間時(shí)，控制系統(tǒng)控制廢氣風(fēng)閥和新鮮空氣風(fēng)閥的調(diào)風(fēng)板打開(kāi)角度為30°，控制主管道風(fēng)閥調(diào)風(fēng)板打開(kāi)角度為60°。當(dāng)NH3濃度介于13×10-6～15×10-6之間或CO2濃度介于1 740×10-6～1 940×10-6之間時(shí)，控制系統(tǒng)控制廢氣風(fēng)閥和新鮮空氣風(fēng)閥的調(diào)風(fēng)板打開(kāi)角度為60°，控制主管道風(fēng)閥調(diào)風(fēng)板打開(kāi)角度為30°。當(dāng)NH3濃度高于15×10-6或CO2濃度高于1 940×10-6之間時(shí)，控制系統(tǒng)控制廢氣風(fēng)閥和新鮮空氣風(fēng)閥的調(diào)風(fēng)板打開(kāi)角度為90°，控制主管道風(fēng)閥調(diào)風(fēng)板打開(kāi)角度為0°。

定時(shí)照明功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)指令READ_RTC讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘，設(shè)定開(kāi)燈與關(guān)燈時(shí)間點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)定時(shí)照明。特殊寄存器SMB0的狀態(tài)位SM0.5提供了1個(gè)周期為1 s，占空比為50%的時(shí)鐘脈沖，使用上升沿觸發(fā)READ_RTC指令讀取PC機(jī)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并以十六進(jìn)制數(shù)的形式存儲(chǔ)至以VB1010為首地址的8個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)區(qū)中。地址VB1013存儲(chǔ)小時(shí)數(shù)值，可自主設(shè)置每天的開(kāi)燈與關(guān)燈時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

4頭生長(zhǎng)豬每天排糞量為1.6×10-2m3，每周排糞量為0.112 m3，因此糞槽液面高度每周上升0.037 m，考慮加上落入糞槽的水和飼料，按豬浪費(fèi)水和飼料占消耗量的5%估算[33]，糞槽液面高度每周總共上升約0.05 m，加上水泡糞模式下水深為0.2 m，則每周需抽出0.75 m3糞水混合物。抽糞泵的流量為45 L/min，工作16.7 min可將0.75 m3的糞污抽出糞槽。設(shè)計(jì)抽糞泵每周工作1次，工作時(shí)長(zhǎng)為15 min。定時(shí)抽糞以READ_RTC指令讀取的PC機(jī)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的星期數(shù)為準(zhǔn)。

1.3.4 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

養(yǎng)殖箱控制系統(tǒng)監(jiān)控界面由標(biāo)題欄板塊、環(huán)境數(shù)據(jù)顯示板塊、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示板塊和報(bào)警指示燈顯示板塊組成，控制系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖7所示。

注：為運(yùn)行狀態(tài)，為停止?fàn)顟B(tài)

標(biāo)題欄板塊中的日期窗口、星期窗口和時(shí)間窗口分別與系統(tǒng)變量Sysinfo_Date、Sysinfo_Week、Sysinfo_Time相關(guān)聯(lián)，設(shè)置I/O域類型為輸出類型，更新周期為1 s，即可顯示系統(tǒng)時(shí)鐘信息。環(huán)境數(shù)據(jù)板塊中的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)窗口分別與相對(duì)應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)所在的存儲(chǔ)地址關(guān)聯(lián)起來(lái)，設(shè)置I/O域類型為輸入/輸出類型，實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)窗口即可實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)化顯示。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示板塊實(shí)時(shí)顯示執(zhí)行設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于依靠模擬量信號(hào)控制的風(fēng)機(jī)和風(fēng)閥，則設(shè)置其電壓控制信號(hào)高于0時(shí)顯示運(yùn)行狀態(tài)，等于0顯示停止?fàn)顟B(tài)。報(bào)警指示燈顯示板塊將溫度上限、溫度下限、NH3濃度上限、NH3濃度下限與報(bào)警指示燈關(guān)聯(lián)起來(lái)，如果實(shí)際環(huán)境數(shù)據(jù)超出設(shè)定范圍，則報(bào)警指示燈閃爍，并有語(yǔ)音報(bào)警。

為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)收集，在WinCC組態(tài)軟件中設(shè)計(jì)了基于VB腳本的歷史數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)出功能，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖箱溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、CO2濃度和NH3濃度數(shù)據(jù)以設(shè)定的周期定時(shí)自動(dòng)導(dǎo)出至指定的Excel文件中，其VB腳本包括四大板塊，分別為打開(kāi)Excel模板、設(shè)置查詢條件、創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)連接并查詢數(shù)據(jù)、填充數(shù)據(jù)至Excel文件。

2 結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)殖箱氣流煙霧試驗(yàn)

2.1.1 氣流試驗(yàn)步驟

氣流煙霧試驗(yàn)材料包括GoPro Hero 5攝像機(jī)，煙霧餅，黑卡紙，壁掛燈。GoPro Hero 5攝像機(jī)為美國(guó)GoPro公司生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)，用來(lái)拍攝煙霧在箱內(nèi)的流動(dòng)效果圖片。煙霧餅在燃燒時(shí)可產(chǎn)生較濃的煙霧，養(yǎng)殖箱通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)煙霧在箱內(nèi)流動(dòng)，可通過(guò)觀察煙霧的流通路徑檢驗(yàn)實(shí)際情況與ANSYS氣流場(chǎng)走向和模式是否一致。黑卡紙用以覆蓋淺色墻壁，便于觀察煙霧的準(zhǔn)確流通路徑。壁掛燈用來(lái)提供觀察煙霧流通路徑必要的光照。

試驗(yàn)?zāi)康脑谟隍?yàn)證實(shí)際情況與ANSYS模擬的氣流場(chǎng)走向和模式相同。氣流煙霧試驗(yàn)方法的制定主要應(yīng)考慮煙霧通過(guò)何種方式進(jìn)入箱內(nèi)可使進(jìn)入箱內(nèi)的煙霧較濃以便觀察，并且箱內(nèi)背景如何布置可以更清晰地表現(xiàn)出煙霧流通路徑。為了使進(jìn)入箱內(nèi)的煙霧較濃，首先應(yīng)使風(fēng)機(jī)處于停止工作狀態(tài)，在空氣混合箱中點(diǎn)燃煙霧餅，等待煙霧餅充分燃燒并產(chǎn)生大量濃煙后再開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，此時(shí)集中于空氣混合箱內(nèi)的大量濃煙在風(fēng)機(jī)推動(dòng)下統(tǒng)一流過(guò)通風(fēng)管道，并通過(guò)3個(gè)進(jìn)風(fēng)口流入箱內(nèi)。為了使GoPro Hero 5攝像機(jī)能夠拍攝到清晰的煙霧流通路徑，攝像機(jī)固定在攝像機(jī)支架上，并緊靠養(yǎng)殖箱內(nèi)一側(cè)墻壁，高度為1 m。另外應(yīng)在攝像機(jī)拍攝的主要背景墻壁上貼滿黑卡紙，在進(jìn)風(fēng)口對(duì)面墻壁上安裝一個(gè)照明燈，在地板上也安裝一個(gè)照明燈，黑色背景與白色煙霧可形成較大的顏色反差，并且借助壁掛燈的光照，攝像機(jī)可以拍攝到清晰的煙霧流通路徑圖片。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照制定的試驗(yàn)方法進(jìn)行氣流煙霧試驗(yàn)，試驗(yàn)效果如圖8所示。圖8中，煙霧進(jìn)入箱的動(dòng)作依按圖片間的箭頭順序，煙霧通過(guò)3個(gè)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入養(yǎng)殖箱后，先到達(dá)對(duì)面墻壁，然后沿著墻壁向下到箱底，從箱底沿地面回轉(zhuǎn)，最后彌散到整個(gè)箱體內(nèi)，形成氣流循環(huán)。由此可知，氣流在風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入養(yǎng)殖箱內(nèi)，緊貼箱體天花板流向?qū)γ鎵Ρ?，并在天花板的阻擋和風(fēng)力推動(dòng)下沿著墻壁向下流動(dòng)，隨后沿著地面向進(jìn)風(fēng)口所在墻壁流動(dòng)，此時(shí)氣流的動(dòng)壓減小彌散到整個(gè)箱體空間，形成整個(gè)箱體內(nèi)的氣流循環(huán)。因此，此煙霧試驗(yàn)驗(yàn)證了實(shí)際情況與ANSYS氣流場(chǎng)走向和模式相同。

圖8 養(yǎng)殖箱流場(chǎng)煙霧試驗(yàn)

2.2 養(yǎng)殖箱空箱試驗(yàn)

為了在動(dòng)物養(yǎng)殖試驗(yàn)之前檢驗(yàn)養(yǎng)殖箱的使用性能，對(duì)養(yǎng)殖箱進(jìn)行空箱試驗(yàn)。溫度傳感器的工作范圍為-10～135 ℃，精度為±0.1 ℃。濕度傳感器的測(cè)量范圍為0～100%，精度為±3%；NH3傳感器的測(cè)量范圍為0～100×10-6，精度為±1×10-6；CO2傳感器的測(cè)量范圍為0～10 000×10-6，精度為±1×10-6。

空箱試驗(yàn)起止時(shí)間為2017年8月31日18時(shí)至9月1日18時(shí)，溫度控制設(shè)定范圍為22～24 ℃，NH3濃度設(shè)置為10×10-6，試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖9所示。

圖9 空箱試驗(yàn)環(huán)境數(shù)據(jù)曲線圖

養(yǎng)殖箱內(nèi)的起始溫度為29 ℃，已超過(guò)設(shè)定的最高溫度值24 ℃，控制系統(tǒng)控制制冷壓縮機(jī)開(kāi)始工作，降低箱內(nèi)環(huán)境溫度。當(dāng)溫度降低至23.5 ℃時(shí)，制冷壓縮機(jī)停止工作，但由于氣體混合箱中的制冷銅管在壓縮機(jī)停止工作后仍有制冷效果，養(yǎng)殖箱內(nèi)的溫度繼續(xù)下降。當(dāng)溫度低于設(shè)定的最低溫度值22 ℃時(shí)，控制系統(tǒng)控制空氣加熱管開(kāi)始工作，提高箱內(nèi)環(huán)境溫度。當(dāng)溫度升高至22.5 ℃時(shí)，空氣加熱管停止工作，養(yǎng)殖箱內(nèi)的環(huán)境溫度即可維持在22～24 ℃之間。由于進(jìn)行空箱試驗(yàn)時(shí)的天氣較干燥，箱內(nèi)未養(yǎng)豬，因此不產(chǎn)生濕氣，且制冷壓縮機(jī)和空氣加熱管具有除濕作用，養(yǎng)殖箱內(nèi)的相對(duì)濕度維持在30%～50%之間。圖10a中，養(yǎng)殖箱內(nèi)的溫度介于22～24 ℃之間，去掉開(kāi)機(jī)后前30 min的數(shù)據(jù)后，溫度值為（23.10±0.76） ℃；相對(duì)濕度介于30%～50%之間，去掉開(kāi)機(jī)后前30 min的數(shù)據(jù)后，濕度值為42.98%±8.72%。

養(yǎng)殖箱內(nèi)的起始NH3濃度為0，控制系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，PLC根據(jù)NH3傳感器檢測(cè)的實(shí)時(shí)NH3濃度控制NH3電磁閥，將NH3注入箱內(nèi)，NH3濃度上升并在8～12×10-6范圍內(nèi)波動(dòng)。空箱內(nèi)無(wú)CO2產(chǎn)生源，因此CO2濃度未超過(guò)設(shè)置的最高值1 540×10-6，而是處于500×10-6左右之間。在圖10b中，養(yǎng)殖箱內(nèi)的NH3濃度介于8～12×10-6之間，去掉開(kāi)機(jī)后前30 min的數(shù)據(jù)后，均值為11×10-6±2.50×10-6；CO2濃度在500×10-6左右，去掉開(kāi)機(jī)后前30 min的數(shù)據(jù)后，均值為492.11×10-6±4.09×10-6。

根據(jù)空箱試驗(yàn)的結(jié)果可知，養(yǎng)殖箱控制系統(tǒng)對(duì)溫度的控制精度為±1 ℃，對(duì)NH3濃度的最佳控制精度可達(dá) ±2.50×10-6，養(yǎng)殖箱控制系統(tǒng)的控制性能良好。

2.3 保育豬養(yǎng)殖試驗(yàn)

此次保育豬養(yǎng)殖試驗(yàn)的試驗(yàn)對(duì)象為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)精品豬場(chǎng)預(yù)定的6只大白保育豬，出生日期為2018年1月30日，日齡40 d左右，質(zhì)量為10±1.5 kg。飼喂方式為自由采食自由飲水，上午九點(diǎn)喂料，飼料為教槽料。喂料量為每天每頭1 kg，即每天向飼料槽中添加6 kg教槽料。清糞方式為每周1次。

本次養(yǎng)殖試驗(yàn)時(shí)間為2018年3月12日至2018年4月2日，共3周。由于試驗(yàn)豬日齡未到6周，按保育豬生長(zhǎng)最佳適宜溫度隨日齡增加溫度降低，因此設(shè)定養(yǎng)殖箱溫度由27±1 ℃開(kāi)始每周下降2 ℃，即第1周的溫度控制范圍為26～28 ℃，第2周為24～26 ℃，第3周為22～24 ℃。相對(duì)濕度控制范圍為50%～80%，CO2濃度控制在1 540×10-6以下，為了研究NH3對(duì)豬肺纖維化的影響，NH3濃度控制在50×10-6左右，養(yǎng)殖試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖10所示。

圖10a中，第2周的養(yǎng)殖箱內(nèi)溫度介于24～26℃之間，去除掉開(kāi)機(jī)后30 min及第2周至第3周溫度切換30 min數(shù)據(jù)后，平均值為（24.81±0.84）℃，第3周的溫度介于22～24 ℃之間，去除掉第2周至第3周溫度切換30 min數(shù)據(jù)后平均值為（23.76±0.50） ℃，相對(duì)濕度介于60%～80%之間，平均值為74.05%±6.64%。根據(jù)武漢市歷史天氣記錄，3月20日前后最低氣溫為2 ℃，4月1日前后最高氣溫達(dá)到28 ℃，且經(jīng)過(guò)實(shí)地測(cè)量，養(yǎng)殖箱周圍最高氣溫達(dá)到31.2 ℃。因此本次試驗(yàn)期間的箱外環(huán)境溫度變化較大，但根據(jù)圖10a中的溫度曲線可知，雖然外界環(huán)境溫度過(guò)低或過(guò)高會(huì)導(dǎo)致箱內(nèi)溫度有下降或上升的趨勢(shì)，但養(yǎng)殖箱控制系統(tǒng)穩(wěn)定地控制箱內(nèi)的溫度使溫始終保持在設(shè)定值范圍內(nèi)，且溫度較為穩(wěn)定控制精度小于±1 ℃。

在圖10b中，NH3濃度數(shù)值整體介于47×10-6～53×10-6之間，平均值為50.18×10-6±2.85×10-6，CO2濃度大部分低于1 540×10-6，平均值為1 338.5×10-6±150.3×10-6。NH3濃度控制精度小于±3×10-6，CO2濃度基本可以控制在1 540×10-6以下。

圖10 養(yǎng)殖試驗(yàn)環(huán)境數(shù)據(jù)曲線圖

綜合以上空箱及保育豬養(yǎng)殖試驗(yàn)結(jié)果可知，養(yǎng)殖箱環(huán)境控制系統(tǒng)的可對(duì)箱內(nèi)空氣溫度進(jìn)行精度控制，控制精度為±1℃，相對(duì)濕度可以控制在50%～80%的適宜范圍內(nèi)，NH3濃度控制精度小于±3×10-6，CO2濃度基本可以控制在1 540×10-6以下。國(guó)內(nèi)外的環(huán)境控制養(yǎng)殖試驗(yàn)大部分都是對(duì)現(xiàn)有的豬舍進(jìn)行環(huán)境控制改造，密封性差，控制精度遠(yuǎn)大于該文養(yǎng)殖箱控制精度，且很難做到穩(wěn)定的有害氣體的控制[36-38]。該文中養(yǎng)殖箱控制系統(tǒng)能夠在長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了箱內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、NH3濃度、CO2濃度等環(huán)境因子精確控制。

3 結(jié) 論

本文以PLC控制技術(shù)為核心，設(shè)計(jì)了多環(huán)境參數(shù)控制的豬養(yǎng)殖箱，實(shí)現(xiàn)了箱內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、NH3濃度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)與控制。

1）用ANSYS對(duì)該養(yǎng)殖試驗(yàn)箱的氣流場(chǎng)走向和模式以及風(fēng)速適宜性進(jìn)行模擬仿真，養(yǎng)殖箱內(nèi)除去靠近出風(fēng)口的位置外，距地板0.1 m高度和0.3 m高度平面上風(fēng)速不高于0.4 m/s，風(fēng)速基本處于豬只的耐受范圍，且與實(shí)測(cè)風(fēng)速基本相符。

2）基于主控制器S7-200 PLC、環(huán)境因子檢測(cè)模塊、PC機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)可以滿足整個(gè)養(yǎng)殖試驗(yàn)環(huán)境控制要求，并實(shí)現(xiàn)了環(huán)境因子監(jiān)測(cè)和控制流程和監(jiān)控組態(tài)的數(shù)據(jù)記錄及顯示。

3）空箱及動(dòng)物養(yǎng)殖試驗(yàn)結(jié)果表明，養(yǎng)殖箱環(huán)境控制系統(tǒng)的溫度控制精度為±1 ℃，相對(duì)濕度可以控制在30%～80%的適宜范圍內(nèi)，NH3濃度控制精度小于±3×10-6，CO2濃度可以控制在1 540×10-6以下，養(yǎng)殖箱環(huán)境控制系統(tǒng)能夠在長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了箱內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、NH3濃度、CO2濃度等環(huán)境因子精確控制。

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Design for pig breeding chamber under multiple environment variable control and analysis of internal flow field

Gao Yun1,2, Chen Zhenhan1,4, Wang Yu1, Li Xiaoping3, Guo Jiliang1

(1.,,430070,;2.,430070,;3430070,; 4.330115,)

In the context of the increasing importance on environmental control in large-scale pig farming operations, more attention is being given to the research on different environmental impacts on pig health. In order to conduct variable environments for pig health experiments, a pig breeding chamber under multiple environment variable control was designed in this paper for more precise environmental control experiments. The pig breeding chamber was composed of 4 parts, the main chamber, the air mixing box, the environmental regulation executing devices, and the environmental control system. The main chamber was the living space for experimental animals. The air mixing box was used to regulate the air variables, such as temperature, relative humidity, NH3and CO2concentration, before the air entering the main chamber. The environmental regulation executing devices involved the fans, the air valves, the air conditioning compressor, the air heating pipe, the electromagnetic valve for NH3. Then the environmental control system read environment variables through sensors and controlled the working of all the environmental regulation executing devices to limit the environment variables in the main chamber in a setting range. Main ventilation mode of the pig breeding chamber was self-circulated. A fan working at the outlet built a negative pressure to exhaust the airflow entering the main chamber through the air mixing box and the ventilation pipe. The air flow entered the main chamber through three air inlets, dissipated in the chamber and then was exhausted from the outlet, thereby forming the air circulation. The air conditioning compressor and air heating pipe in the air mixing box could cool down or heat up the airflow respectively, and the electromagnetic valve for NH3gas could increase NH3concentration of the airflow. The exhaust air valve was working with the fresh air valve to reduce NH3concentration or CO2concentration in the chamber. The airflow in the main chamber was optimized previously by ANSYS flow field simulation. The environmental control system of the chamber was composed of environmental variable detection module, S7-200 PLC (Programmable Logical Controller), and host computer. The environment variable detection module sampled all the environmental data, such as temperature, relative humidity, air velocity, NH3concentration, and CO2concentration, and sent to a STM32 microcontroller every 2 seconds. The program embedded in STM32 integrated these data into one data packet and sent them to the S7-200 PLC through a serial port. The S7-200 PLC transferred the data to the host computer and simultaneously calculated out control instructions to control environmental regulation executing devices, limited the chamber’s internal environments to a setting range. Besides, the manure pump and LED lights were also controlled by the PLC to realize automatic manure cleaning and lighting timing. The host computer realized dynamic and real-time display and storage of environmental data. The running states of the executing devices were showed on the screen through WinCC monitoring software. Three tests for the pig breeding chamber were conducted, including the smoke test for air flow field, an empty chamber test and a full-loaded chamber test. The smoke test of air flow field verified the airflow pattern, which was simulated by ANSYS previously. Result showed the smoke formed a circle in the main chamber and dissipated all through the chamber without leaving any dead space. The test in the empty chamber verified the function and performance of the control system. The results of the environmental test with animals loaded showed that the control precision of temperature was limited within ±1℃, the relative humidity could be controlled within the pig comfortable range of 50%-80%, theoscillations of NH3concentration were limited less than ±3×10-6when the setting value of NH3concentration was 10×10-6, and the concentration of CO2could be controlled below 1 540×10-6basically, which was a standard for animal health. During the full-loaded experiment, which lasted for almost 3 weeks, temperature, relative humidity, NH3and CO2concentrations variables inside the chamber were accurately controlled. This shows the pig breeding chamber can provide an effective platform for more precise pig, especially nurseries, breeding experiments under variable environments and potentially helps improve the research method to reveal the relationship between pigs and their environments.

environmental control; temperature; air velocity; pig building environment; ANSYS flow field simulation

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.026

S223.2+5

A

1002-6819(2019)-02-0203-10

2018-09-01

2019-01-03

“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0500506）；國(guó)家自然科學(xué)基金（31872402）；中央高校自主創(chuàng)新基金（2662018JC003）

高 云，副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)智能檢測(cè)與控制方面的研究。Email：angelclouder@mail.hzau.edu.cn

中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員：高 云（E041700006M）

高 云，陳震撼，王 瑜，李小平，郭繼亮. 多環(huán)境參數(shù)控制的豬養(yǎng)殖箱設(shè)計(jì)及箱內(nèi)氣流場(chǎng)分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(2)：203－212. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.026 http://www.tcsae.org

Gao Yun, Chen Zhenhan, Wang Yu, Li Xiaoping, Guo Jiliang. Design for pig breeding chamber under multiple environment variable control and analysis of internal flow field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(2): 203－212. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.026 http://www.tcsae.org