仔豬保育箱智能環(huán)境控制系統(tǒng)

李嘉熙，仝志民，謝秋菊，趙乃辰，孫浩楠，康燁

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)電氣與信息學(xué)院，大慶 163319；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院）

“動物福利”和“動物保護”這兩個概念截然不同。前者所針對的是從動物出生直至死亡的整個過程當(dāng)中應(yīng)當(dāng)免除負面情緒，同時要展現(xiàn)出進化而來的天性行為，其范圍泛指一切哺乳動物；而后者所針對的是對于一些瀕危物種，通過人為的保護措施來避免該物種消失或大量死亡，其范圍相比動物福利的范圍要小得多[1]。

隨著養(yǎng)殖行業(yè)的快速發(fā)展，人們對于畜禽養(yǎng)殖環(huán)境愈發(fā)重視，然而國內(nèi)目前對于“福利養(yǎng)殖”的概念理解不夠深入[2]，動物福利養(yǎng)殖相關(guān)法律不夠健全，畜禽舍基礎(chǔ)設(shè)施也相對不夠完善，許多養(yǎng)殖場缺少夏季避暑和冬季御寒的相關(guān)設(shè)施[3]，同時普遍認為仔豬的福利養(yǎng)殖的成本過高，這也是我國在該領(lǐng)域發(fā)展較為緩慢的主要原因[4]。環(huán)境適宜的生長條件可以提高仔豬的生長潛力，不適宜的生活環(huán)境則會抑制仔豬生長。解決該問題的關(guān)鍵在于既要達到仔豬福利養(yǎng)殖的標準，同時還要降低養(yǎng)殖成本[5]。

為實現(xiàn)以上兩點目標，需滿足以下幾點條件：（1）以“日”為單位，對仔豬內(nèi)環(huán)境參數(shù)進行修改；（2）采用智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)全自動化管理；（3）在系統(tǒng)測試階段，時刻關(guān)注仔豬對系統(tǒng)的應(yīng)激反應(yīng)[6]。保育箱內(nèi)的溫度、濕度、有害氣體濃度的水平都會對仔豬的生長產(chǎn)生影響，當(dāng)環(huán)境溫度過低時，仔豬會通過增加進食來獲取熱量，但體內(nèi)的甲狀腺激素分泌增加，消化率降低，導(dǎo)致仔豬增重減少且造成飼料浪費；當(dāng)溫度過高時，仔豬的進食量會大大減少，持續(xù)的高溫會使仔豬體內(nèi)熱量堆積，引發(fā)腸胃疾病。氨氣、硫化氫等有害氣體會導(dǎo)致溫度上升，同時導(dǎo)致仔豬免疫力下降，高濃度的氨氣被仔豬吸收之后會引起中樞系統(tǒng)麻痹、粘膜出血、結(jié)膜炎、呼吸道炎癥等嚴重后果[7]。目前國內(nèi)外對該項技術(shù)也開展了大量的研究，為減少疫病的產(chǎn)生和流行，同時也為增加仔豬成活量，國內(nèi)外專家逐漸開始重視養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)測與控制[8]。在該過程中，涌現(xiàn)出了多種環(huán)境控制措施，例如換氣、加濕、烘干、加溫等。隨著微處理器的成本逐漸降低，同時福利養(yǎng)殖對精度的要求也越來越高，以微處理器為核心的智能控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。但目前國內(nèi)對于仔豬保育設(shè)備的研究還僅僅停留在恒溫，影響仔豬生長的環(huán)境因子包括溫度、濕度、氨氣濃度、二氧化碳濃度、硫化氫濃度等[9-10]，表1 為仔豬生長期對環(huán)境參數(shù)要求?；贗AP15W4K58S4 單片機，多種傳感器實時采集內(nèi)環(huán)境參數(shù)，通過外部環(huán)境因子與預(yù)設(shè)標準之間的差值作為條件，使處理器向繼電器發(fā)出觸發(fā)信號，最終實現(xiàn)保育箱內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的目標[11]。

表1 仔豬保育期環(huán)境參數(shù)表（氣體質(zhì)量/mg·m-3）Table 1 Environmental parameters of piglets during piglet conservation period

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

仔豬保育箱智能控制系統(tǒng)主要依靠溫度傳感器、氣體濃度傳感器對數(shù)據(jù)的采集，觀測保育箱內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)的信息，并通過微處理器對驅(qū)動電路進行控制，最終實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)對保育箱的環(huán)境進行調(diào)控，以滿足仔豬的需要，從而降低仔豬發(fā)病率，提高仔豬保育期存活數(shù)。

系統(tǒng)可分為控制模塊、檢測模塊、顯示模塊、執(zhí)行模塊及顯示模塊?？刂颇K采用增強型8051 內(nèi)核單片機IAP15W4K58S4；環(huán)境參數(shù)采集選用DS18B20溫度傳感器、MQ-135 氣體傳感器，系統(tǒng)同時還應(yīng)用繼電器、74HC595 驅(qū)動器、數(shù)碼管以及各種用電設(shè)備。傳感器將采集到的環(huán)境信息經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后傳給單片機，單片機處理后向繼電器發(fā)送觸發(fā)信號，同時單片機也會將處理后的信息通過74HC595 驅(qū)動器發(fā)送至數(shù)碼管上[12-13]。系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。

1.1 環(huán)境因子的數(shù)據(jù)采集

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall block diagram of the system

對于保育箱內(nèi)溫度、濕度、氨氣濃度、二氧化碳濃度的采集，分別是采用DS18B20、MQ-135，考慮到保育箱內(nèi)濕度幾乎不會發(fā)生變化，所以只需采集溫度信息即可。DS18B20 是全球目前唯一一款支持單總線接口的溫度傳感器，即可遠端引入電源，也可采用寄生電源，其中集成了傳感器件和轉(zhuǎn)換電路，內(nèi)部具有低溫度系數(shù)振蕩器及高溫度系數(shù)振蕩器，測溫過程中頻率會存在非線性，DS18B20 內(nèi)部設(shè)置為斜率累加器用于補償頻率的非線性，該機制提高了傳感器對溫度檢測的精確性。該傳感器可將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后向單片機發(fā)送串行數(shù)字信號[14-15]，可實現(xiàn)9～12 位讀數(shù)；MQ-135 氣體傳感器通過微型AI2O3陶瓷管、氣敏材料SnO2、測量電極和加熱器構(gòu)成。封裝好的MQ-135 傳感器只有四個管腳，AOUT和DOUT 分別作為模擬量和數(shù)字量輸入，另外兩只作為電源。該材料在清潔空氣中電導(dǎo)率極低，但當(dāng)空氣中進入污染成分時，氣敏材料的電導(dǎo)率會隨污染物濃度增加而增大，尤其對氨氣、苯系蒸汽、硫化氫等敏感度較高。通過簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出[16]。如圖2 所示，給MQ-135 施加兩個電壓，既加熱器電壓VH和測試電壓VC，MQ-135 的工作溫度主要由VH提供（該傳感器上電后在響應(yīng)時間內(nèi)會發(fā)熱約20S），與MQ-135 串聯(lián)的負載電阻RL上的電壓VRL用VC來測定。

其中敏感體功耗PS值根據(jù)公式：PS=VC2×RS/（RS+RL）2

傳感器電阻RS根據(jù)公式：RS=（VC/VRL-1）×RL

根據(jù)公式：

式中，C 為有害氣體濃度，單位為ppm；22.4 是1 mol 的空氣質(zhì)量；X 為單位體積內(nèi)有害氣體的質(zhì)量，由表1 可知，保育箱內(nèi)氨氣濃度最大不可超過20 mg·m-3；M 為有害氣體的相對分子質(zhì)量，氨氣相對分子質(zhì)量約為17 g·mol-1。根據(jù)計算可以得到保育箱內(nèi)氨氣濃度換算成ppm 值應(yīng)為9.48 ppm，同理，二氧化碳濃度應(yīng)為238 ppm[17]。由此可知，當(dāng)傳感器檢測內(nèi)環(huán)境中有害氣體濃度達到報警值時，即可觸發(fā)繼電器工作[18-19]。表2 為各傳感器工作參數(shù)。

圖2 MQ-135 工作電路圖Fig.2 MQ-135 working circuit diagram

表2 傳感器工作參數(shù)Table 2 Sensor operating parameters

1.1 多路繼電器工作模式

設(shè)計采用四路繼電器模塊，電路原理圖如圖2所示。其中三路已配置好用電設(shè)備，剩余一路作為備用。第一路負載端接加熱設(shè)備，與DS18B20 共同作用起到恒溫作用；第二路負載端接負壓風(fēng)機；第三路接照明設(shè)備，可通過對程序的修改決定照明時間。考慮到保育箱整體密閉性較好，同時照明設(shè)備在工作時可發(fā)熱，故第一路繼電器為常閉狀態(tài)；當(dāng)MQ-135 監(jiān)測到內(nèi)環(huán)境污染氣體濃度達到預(yù)設(shè)值時，負壓風(fēng)機才會開始工作，故第二路繼電器為常開狀態(tài)；該系統(tǒng)選用的照明設(shè)備可為保育箱內(nèi)部提供垂直溫度，研究發(fā)現(xiàn)，在18 h 的光照下，光照強度由10 Lux 增至60 Lux再增至100 Lux，仔豬發(fā)病率下降24.8%～28.6%，成活率提高19.7%～31.0%，日窩增重增加0.9 kg～1.8 kg[20]，故第三路繼電器為常閉狀態(tài)。

圖3 繼電器電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of relay circuit

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該控制系統(tǒng)工作流程如下：單片機模塊上電后自動進行初始化，隨后通過按鍵S1 進入報警值修改界面，如果不需要重新設(shè)置溫度報警值，系統(tǒng)將自動開始檢測環(huán)境內(nèi)的參數(shù)；如果需要重新設(shè)置，可通過按鍵S2、S3 來調(diào)節(jié)報警值的上下限（初始溫度報警上限為32 ℃，下限為28 ℃），調(diào)節(jié)報警值后可通過按鍵S1 重新返回參數(shù)檢測界面；按鍵S4 可直接進入有害氣體濃度檢測界面。各傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸給單片機，然后通過74HC595 驅(qū)動器驅(qū)動數(shù)碼管顯示[20]。若傳感器檢測到參數(shù)達到報警值時，繼電器斷開，用電設(shè)備自動關(guān)閉，但單片機模塊繼續(xù)工作；若傳感器所檢測到的參數(shù)始終沒有達到報警值的上下限時，用電設(shè)備將維持之前的狀態(tài)[22]。程序流程圖如圖3 所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

3 系統(tǒng)性能測試

實驗在已經(jīng)搭建好的保育箱內(nèi)進行，保育箱整體大小約為0.36 m3，頂端為拆卸，便于用電設(shè)備的線路排布。目前生豬養(yǎng)殖中多采用相對簡易的紅外加熱或普通電熱板作為加熱設(shè)備，這樣會造成大量的熱量流失。該實驗加熱部分采用遠紅外碳纖維加熱膜，該設(shè)備可以為仔豬生長提供舒適的環(huán)境，具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、強度大等特點，遠紅外光譜波形較長，不會對仔豬表皮產(chǎn)生刺激，加熱效果明顯且溫度上升速度較快，利于實驗高效進行[23]。同時該設(shè)計還在加熱膜與保育箱之間放置了一層海綿及反射膜，便于減少溫度散失[24]。

3.1 測試材料及步驟

通過在保育箱內(nèi)進行化學(xué)反應(yīng)，模擬保育箱內(nèi)環(huán)境實際情況，隨后通過內(nèi)環(huán)境自動調(diào)節(jié)和控制器調(diào)節(jié)來做對照試驗，判斷控制器及各用電設(shè)備工作效率。其化學(xué)反應(yīng)式如下：

保育箱體積約為0.36 m3，若模擬內(nèi)環(huán)境氨氣濃度達到20 mg·m-3，需通過反應(yīng)產(chǎn)生7.2 mg 氨氣，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式可得，共需要約33 mg 碳酸氫銨，但反應(yīng)過程中同時會產(chǎn)生18.6 mg 的CO2，所以此時將有害氣體濃度報警值設(shè)置為30 ppm（空氣中CO2濃度約為12 ppm）。由于碳酸氫銨在30 ℃時會大量分解，故當(dāng)內(nèi)環(huán)境溫度達到報警值時，反應(yīng)自動開始。

3.2 實驗方法與結(jié)果分析

分別按照用電設(shè)備搭配，自動化程度設(shè)置3 組照實驗。

實驗組：

在保育箱底部放置約33 mg 碳酸氫銨試劑，連接好各用電設(shè)備和繼電器，將溫度報警值設(shè)置為28～32 ℃，氨氣濃度報警值設(shè)置為30 ppm。當(dāng)溫度達到上限時，第一路繼電器自動斷開，該系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，同時當(dāng)溫度30 ℃時，碳酸氫銨開始大量分解，隨即第二路繼電器吸合，觀察氨氣濃度及溫度變化情況，同時記錄各階段所需時間。

對照組1：

連接好用電設(shè)備后給第一路、第二路繼電器上電，將繼電器模塊中公共端與高電平短接，既單片機無法向繼電器發(fā)送觸發(fā)信號，待環(huán)境溫度達到32 ℃且試劑充分反應(yīng)后對加熱設(shè)備及負壓風(fēng)機斷電，觀察溫度及有害氣體濃度變化情況。

對照組2：

連接好用電設(shè)備后使溫度達到32 ℃、有害氣體濃度達到30 ppm 后斷開加熱設(shè)備，負壓風(fēng)機正常工作，觀察溫度及有害氣體濃度變化情況。

對照組3：

連接好各用電設(shè)備后，將單片機與繼電器間的接線斷開，當(dāng)溫度達到30 ℃時開啟分壓風(fēng)機，同時不斷開加熱設(shè)備，使兩者同時工作，觀察溫度及有害氣體濃度變化情況。實驗結(jié)果如表3 所示。

表3 各組實驗記錄表Table 3 Experimental records of each group

圖5 保育箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)變化折線圖Fig.5 Polyline diagram of environmental parameters in the incubator

實驗結(jié)果表明，當(dāng)溫度達到預(yù)設(shè)值且兩組用電設(shè)備均不工作時，保育箱可在有效溫度內(nèi)保持6～8 min。負壓風(fēng)機工作時可在2 min 之內(nèi)迅速將箱內(nèi)有害氣體排出，且噪音較低，不會對仔豬產(chǎn)生刺激，防止仔豬因吸入過量的有害氣體而出現(xiàn)危險。該智能控制系統(tǒng)可以將溫度恒定在0.5 ℃以內(nèi)，同時負壓風(fēng)機的工作效率要大于加熱設(shè)備的工作效率，如圖4 所示，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，無法自動化調(diào)節(jié)，溫度也會逐漸回到室溫，不會因為溫度過高而才發(fā)生意外。

4 結(jié)論

仔豬自身對于溫度調(diào)節(jié)的機制還不健全，對空氣質(zhì)量要求較高，尤其在我國北方寒冷地區(qū)，仔豬生長受外界環(huán)境因子影響較強?；贗AP15W4K58S4單片機設(shè)計了仔豬保育智能控制系統(tǒng)，多種傳感器內(nèi)環(huán)境參數(shù)進行采集，各傳感器響應(yīng)時間較短，對參數(shù)的監(jiān)控做到了實時、準確。同時，當(dāng)內(nèi)環(huán)境參數(shù)超過或低于預(yù)設(shè)的標準值時，系統(tǒng)可以快速做出反應(yīng)。

研究工作主要得出以下結(jié)論：

（1）實現(xiàn)了多種傳感器與單片機之間的通信，經(jīng)實驗證明，多種傳感器與該型號微處理器之間可以有效兼容，一種傳感器的使用不會對其他傳感器的使用造成影響。

（2）該智能控制系統(tǒng)體積小，操作便捷，可用于除仔豬保育箱之外的多種工作環(huán)境，整體布線方式靈活，可以通過傳感器對箱體內(nèi)任意一點的參數(shù)進行監(jiān)測。

（3）該系統(tǒng)智能控制部分采用獨立供電，上電方式靈活多變，配置USB 接口，可外接移動電源，也可通過電源適配器接7～12 V 直流電（處理器外部已設(shè)置好電壓轉(zhuǎn)換元件）。

（4）通過實驗發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)雖然在參數(shù)滿足調(diào)節(jié)條件時的響應(yīng)速度較快，但是整體調(diào)節(jié)速率還有待提高。由于負壓風(fēng)機的工作效率要大于加熱設(shè)備，故應(yīng)當(dāng)在負壓風(fēng)機的工作頻率上進行改進，以防止風(fēng)機工作時間過長導(dǎo)致其他環(huán)境因子無法平衡。