畜禽规模养殖环境智能调控系统的研制

畜禽规模养殖环境智能调控系统的研制

0环境调控装备落后动物品种、饲料、疾病和环境是影响动物育种的四个因素。其中，养殖环境是动物活动的主要场所，也是影响动物育种、生长、发育、健康和虾产量的重要因素。随着现代畜禽养殖规模化、集约化程度的不断提高,环境因素所起的制约作用也越来越大。畜禽养殖环境的优劣除与建筑结构等因素有关外,主要取决于环境调控装备的性能。与发达国家相比,我国畜禽规模养殖环境调控设备还相对落后,突出表现为:使用装备落后,能耗高,自动化程度低,环境调控效果差,难以适应现代畜禽规模养殖自动化管理的需要。为提高畜禽规模养殖环境调控水平,促进畜禽规模养殖的进一步发展,研制适合我国国情的性价比高、技术先进且便于普及推广的环境智能调控装备是非常必要的。1智能调控装备在畜禽规模养殖活动中,影响畜禽饲养的环境因素可分为三类:(1)物理因素:如温度、相对湿度、气流速度、光线、尘埃、气压、噪音等;(2)化学因素:包括空气中的氨气及各种有害气体与有味、挥发性化合物等,如CO2、NH3、H2S等;(3)生物因素:指各种微生物、病原体等。所有这些物理、化学及生物因素构成了畜禽舍内的复杂小气候。在这复杂小气候中,随季节、畜禽种类及生长期的变化,调控重点也随之而变。智能控制装备的功能就是通过调节综合因素中的关键因子,为畜禽提供不受季节等因素局限的适合畜禽生长的最佳环境,从而实现优质、高效、低耗的畜禽工厂化生产。对影响畜禽规模养殖小气候中的诸因素进行综合分析,则可将调控装备按功能化分为降温装置、加热装置、通风装置、补光装置及消毒装置等几部分。常用的降温系统有湿帘、喷淋及雾化三种方式,其中雾化方式是应用较为广泛的一种方式。在雾化降温技术中,超低量雾化是效果最为显著的一种方式,其工作原理为:水通过特殊的雾化器雾化成<30μm的可以在空气中悬浮的雾滴,通过蒸发而降温。雾化降温的显著特点是降温快,特别适于夏季高温场所。另外雾化法还可有效降低粉尘浓度;畜禽舍加温设备有畜禽舍燃煤热风炉、燃油热风炉、燃气热风炉、集中热水供暖系统、电热地板等,但加热装备主要用于幼畜幼禽时期,用于畜禽育成时期的较少;通风装置有正压通风和负压通风两种工作方式,其中负压通风适用于养殖环境密闭性较好的场所。补光装置主要用于调节、促进某些畜禽的生长发育及畜产品的增加,可根据畜禽生理及季节特点采用定时补光的方式;常用的消毒方法包括机械性消毒、物理性消毒、化学消毒、生物热消毒等方法,其中化学消毒是最直接、最有效的方法。常用于畜禽消毒的设备多采用气力辅助低量喷雾消毒机,通过采用辅助气流使雾化器产生的雾滴通过气流进行二次雾化,形成10～20μm的弥雾,并被风机吹出的气流吹向远处,以迅速弥漫达到快速消毒的目的。分析畜禽规模养殖环境特点并结合我国畜禽养殖实际状况,设计畜禽养殖环境智能调控系统如图1所示。根据畜禽舍分栋结构特点,采用了功能单元结构形式。每栋畜禽舍可布置一智能结构单元,所需功能单元数目可由畜禽舍总栋数而定。测控部分由上位机和现场智能终端组成,其中智能终端是整个系统的核心,由其接收上位机命令或根据设定参数自动完成各项调控任务。除智能终端外,每个功能单元还包括雾化装置、通风装置、喷药装置、补光及加热等装置。雾化装置中采用了超低量雾化技术以解决夏季降温难问题,并用助力风扇使微小雾粒二次雾化,以进一步提高降温效果。为便于温湿度调节和除尘并结合畜禽舍实际结构,采用了正压通风技术。补光照明装置选用了价格低廉的白炽灯,可通过设定参数及工作模式自动完成补光功能。喷药消毒装置选用了具有气力辅助功能的低喷量消毒机,通过设置可完成环境定期消毒任务。2新型构设计智能终端是整个测控系统的核心,设计智能终端结构如图2所示。由图2可以看出,终端由微处理器、人机交互模块、环境信息检测模块、时钟及存储模块、输入输出控制模块及无线RF模块等组成。2.1msp330f149简介微处理器选用了MSP430系列CPU。MSP430系列CPU有多个系列和型号,它们分别由一些基本功能模块和适于不同应用目标的相应模块组合而成。结合本系统的功能要求,选用了MSP430F149。MSP430F149是由美国德州仪器TI公司开发的16位微处理器,其突出特点是强大的处理能力以及超低功耗,具体特点包括:微处理器具有丰富的寻址能力,众多的片内寄存器及有效的查表处理方法,可以简便地编制出高效的程序;超低功耗:在正常的工作状态下,如果工作电压为2.2V,其典型消耗电流仅为200uA,而待机模式下工作电流更降至1uA以下;丰富的片上外设,微处理器上集成了较多的片上外围模块,包含:12位A/D,精密模拟比较器,硬件乘法器,看门狗及众多的输入输出接口;执行速度快,执行速度可达8MIPS。非常适合于性能要求高、功耗低的场合。2.2风速测量的选用传感检测装置主要完成各项指标的检测任务。为便于按需搭配,采用了模块化结构。设计模块包括温湿度检测模块、粉尘浓度检测模块、光照强度检测模块、风速及气体浓度检测模块等。温湿度是养殖环境调控中的重要参数,温湿度检测模块设计中选用了精度高、可靠性好的SHT71传感器。SHT71是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技术的新型温湿度传感器,该传感器将温度、湿度传感器、信号调理、数字变换、串行数字通讯口及数字校准等都集成在了一起,具有免外围元件,长期稳定等特点。该传感器具有两种测量精度,默认测量精度是温度14bit,湿度12bit,还可通过设置分别降至12bit和8bit。粉尘浓度是用PPD20V来测量的。该传感器是通过检测单位体积内粒子的绝对个数来计算粉尘浓度的。检测粒子直径在1μm以上,内藏气流发生器,可以自行吸收外部大气。输出模拟信号电压范围为0～3.8V,对输出信号进行A/D转换后即可转换成相应粉尘浓度。光照强度是采用光敏感元件硅光电池测量的。首先通过光敏感元件进行光照强度采样,然后对输出信号进行调理,再经A/D转换成为数字量。系统选用了TI公司生产的TSL230B传感器来测量光照强度。风速测量的方法多种多样,这要根据风速检测范围、测量精度及使用技术要求等进行选择。按照风速传感器工作原理的不同可分为机械式、动压式、热式等风速传感器。本系统中选用了TSI8455风速传感器。该传感器采用热风力测定技术来测量风速,输出信号分别为0～5V,0～10V,0～20mA等,可根据实际需要灵活地设定。对输出模拟信号进行A/D转换,即可转换成相应风速。选用了TGS826半导体传感器测量氨气浓度。本传感器采用陶瓷基底,对氨气有很高的灵敏度,响应速度快,传感器测量范围为5～100PPM;输出信号是可变电阻值,经调理后再经过A/D转换,最后换算成对应氨气浓度值。该传感器还具有抵抗恶劣环境,寿命较长的特点。2.3u3000夯实了lsd-rfc110a无线数传模块为方便信息传输,采用了无线通讯技术。近年来无线通讯技术发展迅速,出现了WiFi、ZigBee、RF等,比较各种通讯方式的特点,采用了通用RF技术,并选用了Lierda公司生产的LSD-RFC1100A无线数传模块。本模块采用MSP430单片机与CC1100通讯芯片相结合,工作在全球开放的ISM频段,最大发射功率为10dBm,最大接收灵敏度-110dBm,发射电流为29mA,接收电流为15mA,睡眠功耗小于5uA,空地视距发射距离大于300m。时钟芯片可为系统自动控制及信息采集提供准确计时。本系统选用了具有内置晶振、两线式串行接口的SD2303高精度时钟芯片。存储器选用了AT24C08,可方便采集信息及系统设置参数的存储。3环境参数自动调控畜禽舍内部环境具有多重复杂性。具体表现在畜禽舍内部是一个非线性系统,内部气候处于热平衡混沌状态;是一个大滞后系统,对于外界所施加的作用,响应较为缓慢;是一个多变量耦合系统,而且各变量之间紧密联系,彼此耦合,对系统任一变量的控制,都会影响其它状态的变化;是一个时变系统,采用传统方法很难实现畜禽舍环境的自动调控。为实现对温度等关键参数的自动调控采用了模糊控制算法。其它如湿度、灰尘浓度、NH3浓度等的调整则采用范围设定的办法。环境参数的自动调控制可通过上位机或将终端设置为自动工作模式实现。调控流程图如图3所示。3.1模糊控制原理模糊控制的过程:计算机通过不断取样获得被控制量精确值,并将精确值与给定值进行比较得到误差信号,将误差信号作为输入量并进行模糊化处理,模糊化后的输入量与控制规则合成得到模糊输出量,再经去模糊化处理得到实际控制信息。基于模糊控制工作原理及构建步骤,并提高模糊控制系统的效率及可靠性,设计了模糊控制系统原型。在模糊控制系统原型基础上,根据实际情况选择相应参数即可实现模糊控制系统的构建。3.1.1风机转速随温度变化的规律本系统中,雾化装置及风扇是调控温湿度的主要设备。温度过高时,可通过开启雾化快速降温,快速降温后结合排风扇维持设定温湿度值;若温度在风机所能调整范围内则通过风机进行调控。风机通过变频器驱动,智能终端运用模糊控制算法通过D/A接口实现对风机转速的调整。风机转速模糊控制的实现需经过以下三个环节:(1)模糊集论域的选择根据畜禽环境测控特点,本系统选用单变量二维模糊控制器。输入信息选择温度偏差值e及温度偏差变化率Δe,输出信息是液泵电机转速u。假设各输入变量e、Δe及u的基本论域分别为[-xe,+xe]、[-x’e,+x’e]和[-yu,+yu],且各自对应的模糊集论域分别为[-n,-n+1,…,0,…,n-1,n],[-m,-m+1,…,0,…,m-1,m]及[-h,-h+1,…,0,…,h-1,h],选择确定各模糊集论域分别为:温度偏差论域E={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}温度偏差变化率论域ΔE={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}输出控制量模糊化为7个等级,即:输出控制量论域U={0,1,2,3,4,5,6}(2)两个人的搭建结构根据输入变量及控制规则计算得到输出控制结果,并填入事先定义好的查询表中。查询表是体现模糊控制算法的最终形式。得到的模糊控制查询表如表1所示。将表1模糊控制表看作一个二维模糊数组填充在事先定义好的TWO-IN-ONE-OUTFUZZY-DATAS二维数组中。二维数组的存储形式为:TWO-IN-ONE-OUTFUZZY-DATAS:DB06H,06H,06H,06H,06H,05H,05H,04H,04H,02H,00H,00H,00HDB06H,06H,06H,06H,06H,05H,05H,04H,04H,02H,00H,00H,00H…DB0H,00H,00H,12H,14H,14H,15H,16H,16H,16H,16H,16H,16HDB00H,00H,00H,12H,14H,14H,15H,16H,16H,16H,16H,16H,16H(3)输出量的大小输出模糊变量去模糊化需通过乘比例因子KU实现,KU的大小影响着控制器的输出量的大小,也影也影响着模糊控制系统的特性。KU选择过小会使系统动态响应变长,过大会导致系统振荡加剧,KU值可经现场反复实验确定。3.1.2畜禽舍系统环境调的控制效果在夏季高温季节,温度是影响畜禽舍环境的主要因素,将系统安装于养牛场进行了大量降温实验,实验结果如图5所示。实验结果表明,畜禽舍温度从34.5调控到29℃仅用5min左右,温度波动小,系统工作稳定,环境调控制效果明显。这为进一