■柴 鈺 王沙沙 賈曉勱 王 瀟

（西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安710054）

改革開放以來，我國的畜牧業(yè)得到了快速的發(fā)展，畜禽舍的環(huán)境控制對于畜禽養(yǎng)殖業(yè)有著重要意義，因此對養(yǎng)殖環(huán)境特別是畜禽舍的環(huán)境方面提出了更高的要求。但從畜禽舍的管理角度看，控制系統(tǒng)自動化程度低，許多還必須由管理員手動操作，很難適應畜牧業(yè)現(xiàn)代化的要求[1]。針對畜禽養(yǎng)殖業(yè)現(xiàn)代化的要求，以及目前我國的發(fā)展現(xiàn)狀，研究并建立了基于TMS320F28027的畜禽環(huán)境控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)溫度、濕度的自動調(diào)節(jié)，能夠自動控制進風窗系統(tǒng)和幕簾系統(tǒng)。兩組模擬輸出可以進行燈光和調(diào)速風機的控制，改善畜禽舍的局部小氣候環(huán)境，使畜禽舍的環(huán)境達到最優(yōu)，提高畜禽的生長指標，解決畜禽環(huán)境調(diào)節(jié)問題。系統(tǒng)外接無線通信模塊，可以實現(xiàn)環(huán)境的實時監(jiān)測和控制。

1 總體方案的設計

本文提出并建立了基于TMS320F28027的畜禽環(huán)境控制系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。其中，硬件系統(tǒng)主要用于完成現(xiàn)場環(huán)境信息的采集以及和上位機的通信，從而實現(xiàn)對畜禽舍環(huán)境的現(xiàn)代化自動控制管理，它由主控模塊、環(huán)境參數(shù)采集模塊、指令執(zhí)行模塊和無線通信模塊等幾部分組成；軟件系統(tǒng)主要用于完成環(huán)境信息的處理，它包括系統(tǒng)主程序的編寫、后臺上位機管理系統(tǒng)的制作以及基于模糊控制算法的數(shù)據(jù)庫的錄入，這三大部分軟件共同支撐著整個系統(tǒng)的運行?？刂葡到y(tǒng)運行時，利用傳感器實時采集畜禽舍的各環(huán)境參數(shù)的含量，方便實時的進行環(huán)境控制，以便滿足畜禽不同生長階段對環(huán)境的不同需求。本控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)各環(huán)境參數(shù)含量的實時自動調(diào)節(jié)，用來改善畜禽舍的局部環(huán)境，降低畜禽的發(fā)病率，提高生長性能。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，本監(jiān)控系統(tǒng)能夠控制8組風機（包括1組最小通風系統(tǒng)）、1組照明、1組料線、1組噴霧、1組加熱器、1組冷卻水泵（濕簾水泵）和1組用于報警輸出的繼電器。能夠自動控制1組進風窗系統(tǒng)和1組幕簾系統(tǒng)。2組模擬輸出（0～10 V），進行燈光和調(diào)速風機的控制。系統(tǒng)含有1張溫度自動下降表和1張用于最小通風的體重自動增加表。主要根據(jù)畜禽舍的現(xiàn)場溫度偏差和濕度偏差，通過對風機和水泵的控制，使畜禽舍的環(huán)境達到最優(yōu)。

圖1 畜禽環(huán)境控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)主體模塊的設計

本畜禽環(huán)境控制系統(tǒng)測試精度高，操作靈活方便，完成了監(jiān)測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的電路設計，搭建了測試平臺，使用C語言完成了控制系統(tǒng)和下位機環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的程序編寫，可以進行環(huán)境控制的試驗；上位機和下位機之間的通信通過無線通信模塊來實現(xiàn)。控制系統(tǒng)在雞舍現(xiàn)場進行了試運行，對測試結(jié)果分析，控制效果良好，表明該系統(tǒng)能夠可靠有效地工作。

2.1 主控模塊

主控單元CPU采用TMS320F28027高性能處理芯片，它比以前控制系統(tǒng)所使用的單片機處理速度更快，效果更好。它一方面通過傳感器采集數(shù)據(jù)，然后匯總后傳到上位PC機；另一方面上位機發(fā)送給主控模塊命令，再由它發(fā)送給每個執(zhí)行模塊，從而完成整個系統(tǒng)的模塊化管理。CPU通過控制程序?qū)ν鈬娐愤M行控制。將預先設定好的溫度、濕度和有害氣體等環(huán)境參數(shù)含量值進行處理掃描并通過LCM16032顯示。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

保持畜禽舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)的適宜有利于畜禽的生長。當畜禽舍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)含量高于設定的最高環(huán)境參數(shù)值時，CPU通過檢測元件SHT11溫濕度傳感器[2-3]和OEM6004有害氣體傳感器[4]，發(fā)出指令啟動執(zhí)行機構(gòu)，將傳感器采集的數(shù)據(jù)與預定值進行比較，再送入CPU進行分析處理。

本系統(tǒng)對監(jiān)測元件的測量范圍和精度要求如下，溫度測量范圍0～60℃，濕度測量范圍0～100%，有害氣體測量范圍0～2 000 mg/kg;溫度測量精度0.5℃，濕度測量精度2%，有害氣體測量精度5%。

2.3 無線通信模塊

本控制系統(tǒng)，結(jié)合實際情況控制模式采用RS485總線。RS485通信方式具有傳播距離遠的優(yōu)點，允許創(chuàng)建多達32個節(jié)點的網(wǎng)絡，支持多點連接，最大傳輸距離能達到1.2 km，可以滿足一些大型畜禽舍需要進行遠距離信號采集的要求，并且其可靠性高、分布范圍較大、成本低廉[5]。

2.4 實時溫度顯示

由于本系統(tǒng)在實際的雞舍環(huán)境中進行了測試，結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境的需求，為了方便鍋爐工的操作，特設置了一個溫度顯示模塊，通過一個簡單的MCU控制器，可以將系統(tǒng)上顯示的實時溫度實時傳輸?shù)藉仩t房。由于距離只有5 m，所以采用有線傳輸形式，提高信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.5 風機及其保護模塊

風機工作模式分橫向通風和縱向通風兩種模式，風機啟動時風機組設置點是一個高于目標溫度的溫度差值，當室內(nèi)溫度高于此設定點溫度加目標溫度時，風機組將會以降溫方式工作（不停的運行）；一旦測得的室內(nèi)溫度低于目標溫度加上風機組設置點的溫度，風機組將以最小通風方式工作（時間控制間歇工作）。出于安全和穩(wěn)定性的考慮，在每個風機后面都加一個延時電路，當風機關閉指令下達時風機依次關閉，可以有效的避免風機故障或操作失誤而導致畜禽舍溫度變化太快，從而造成不必要的損失，起到保護的作用。

3 系統(tǒng)軟件的設計

軟件設計主要內(nèi)容包括：主程序、各環(huán)境參數(shù)檢測和顯示子程序、各環(huán)境參數(shù)控制子程序、按鍵處理子程序和通信子程序等。主程序通過循環(huán)方式進行定時器初始化，環(huán)境參數(shù)處理和控制以及顯示子程序的循環(huán)調(diào)用。系統(tǒng)主程序和數(shù)據(jù)采集程序流程圖分別如圖2和圖3所示。

3.1 系統(tǒng)主流程圖

圖2 主程序流程

3.2 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

圖3 數(shù)據(jù)采集子程序流程

4 控制算法及其實現(xiàn)

本監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)含有1張溫度自動下降表和1張用于最小通風的體重自動增加表。通過模糊控制算法對溫度和體重進行自動調(diào)節(jié)，可以更加精確高效的達到對畜禽舍環(huán)境控制的要求。

模糊控制算法是模糊理論在工業(yè)中的應用。其基本思想是用總結(jié)管理者的控制策略，運用模糊集合理論和語言變量形成控制算法。模糊控制算法的實現(xiàn)包括3個基本過程:模糊化—模糊推理—反模[6]。以溫度為例，說明模糊控制的具體過程：

①e的模糊化（e為溫度偏差）

e:用R(t)表示設定溫度，用T(t)表示實際溫度，則e=T(t)-R(t)。偏差范圍為±6℃，在此范圍內(nèi)進行模糊化設計。取模糊量“主大”(PB) 、“主中”(PM)、“小”(PS)、“ 零 ”(ZO)、“ 次 小 ”(NS)、“ 次 中 ”(NM)、“ 次 大 ”(NB)。e的模糊量化如表1所示。當|e|＜0.5℃時，系統(tǒng)無變化。

表1 e的模糊量化

②η的模糊化（η為偏差變化率）

η:用T(k)表示采樣溫度，則η=T(k)-T(k-1)。偏差變化率的范圍為±1.0℃。分別取模糊量“主大”(PB)、“ 主 中 ”(PM)、“ 主 小 ”(PS)、“ 零 ”(ZO)、“ 次 小 ”(NS)、“次中”(NM)、“次大”(NB)。η的模糊量化如表 2所示。

表2 η的模糊量化

③u的模糊化（u為輸出控制量）

本系統(tǒng)在畜禽舍的通風控制中采用了變頻調(diào)速的控制方法，u首先對變頻調(diào)速器進行控制，然后通過變頻調(diào)速器對風機轉(zhuǎn)速進行控制。溫度控制信號并不是一個連續(xù)變化的量，而是跟風機轉(zhuǎn)速相對應。所以，u的論域定為：

取模糊量“主大”(PB)、“主中”(PM)、“主較小”(PS)、“主小”(PL)、“零”(ZO)。其中：ZO——風機低速；PL——中低速；PS——中速；PM——中高速；PB——高速。

u的模糊量化如表3所示。

表3 u的模糊量化

④模糊控制規(guī)則

管理員依據(jù)自己的經(jīng)驗定出的一組模糊條件語句的集合即為模糊控制規(guī)則。本系統(tǒng)中，兩個輸入變量，分別為e和η；一個輸出量u。對風機的控制語句如下：

此條件語句表明，模糊推理機可根據(jù)溫度偏差和偏差變化率來調(diào)整鍋爐的加熱溫度和風機的轉(zhuǎn)速，準確高效的進行加熱升溫和通風降溫。通過對控制規(guī)則進行歸納處理，可以得到和e、η、u三者之間的關系，如表4所示。

表4 模糊控制規(guī)則

⑤模糊控制算法實現(xiàn)

本系統(tǒng)在雞舍進行現(xiàn)場測試，以雞舍溫度為例，用模糊控制算法實現(xiàn)的溫度下降曲線及加熱曲線如圖4所示。

圖4 雞舍溫度下降曲線及加熱曲線

5 現(xiàn)場測試

本控制系統(tǒng)在附近的雞舍進行了測試，觀察了其在現(xiàn)場的使用情況，與沒有外加設備時舍內(nèi)的環(huán)境情況進行了比較，重點觀察了溫度和有害氣體的含量變化。由于濕度容易受別的因素的干擾，可以在以后的實驗中安裝相應的除濕設備，本文暫時沒有做相關的比較。現(xiàn)場測試效果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)現(xiàn)場測試效果

具體測試步驟為：先測試沒有外加設備時雞舍內(nèi)外的溫度、濕度和有害氣體含量，然后在雞舍內(nèi)安裝好本控制系統(tǒng)，開啟1 h后，再一次測量舍內(nèi)外的各環(huán)境參數(shù)的含量，這樣多測量幾次，以使測試結(jié)果準確可靠，看本控制系統(tǒng)能否達到改善環(huán)境的效果。并且可以在不同的天氣再進行幾次測量，其中一天的測試結(jié)果如下，溫度測試結(jié)果如圖6所示，有害氣體（主要是二氧化碳）測試結(jié)果如圖7所示。

圖6 溫度對比

由圖6可知，系統(tǒng)開啟后比未開啟時有了比較明顯的改變，溫度基本可以達到溫度曲線在對應時間段設置的數(shù)值，能夠較好地緩和畜禽舍溫度過高或者過低的情況。

圖7 二氧化碳含量對比

由圖7可知，系統(tǒng)開啟后1個小時，舍內(nèi)的二氧化碳的濃度有了很明顯的下降，在系統(tǒng)開啟的時間段，舍內(nèi)的二氧化碳的濃度基本上控制在500～700 mg/kg之間。系統(tǒng)開啟后，舍內(nèi)外的二氧化碳含量差有較明顯的縮小，較好地緩和了畜禽舍內(nèi)有害氣體濃度過高給畜禽帶來的影響。

為了驗證控制系統(tǒng)的控制效果，采用對比分析的方法，對本控制系統(tǒng)進行了試運行試驗，并對控制的效果做出了相應的分析和評價。結(jié)果表明，系統(tǒng)基本穩(wěn)定，工作正常。系統(tǒng)開啟后，舍內(nèi)的有害氣體含量差、溫度差都較開啟前有了明顯的縮小，風機、鍋爐和冷卻水泵都能協(xié)調(diào)工作，維持雞舍內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，較好地緩和了畜禽舍內(nèi)有害氣體含量過高和溫濕度過高給畜禽帶來的不利影響。

6 結(jié)語

本文闡述了一種可以對畜禽舍環(huán)境進行實時控制的系統(tǒng)。系統(tǒng)測試精度高，功能多，使用靈活方便；無線通信模塊以及上位機的制作可以方便管理者進行遠程操控；模糊控制算法數(shù)據(jù)庫的錄入使得控制精度更高，畜禽的生長性能更好。本系統(tǒng)的研制成功為畜禽養(yǎng)殖業(yè)的現(xiàn)代化生產(chǎn)提供了良好的技術(shù)支持。