李嘉熙，仝志民，謝秋菊，趙乃辰，孫浩楠，康燁

（1.黑龍江八一農墾大學電氣與信息學院，大慶 163319；2.東北農業(yè)大學電氣與信息學院）

“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中應當免除負面情緒，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)殖相關法律不夠健全，畜禽舍基礎設施也相對不夠完善，許多養(yǎng)殖場缺少夏季避暑和冬季御寒的相關設施[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，時刻關注仔豬對系統(tǒng)的應激反應[6]。保育箱內的溫度、濕度、有害氣體濃度的水平都會對仔豬的生長產生影響，當環(huán)境溫度過低時，仔豬會通過增加進食來獲取熱量，但體內的甲狀腺激素分泌增加，消化率降低，導致仔豬增重減少且造成飼料浪費；當溫度過高時，仔豬的進食量會大大減少，持續(xù)的高溫會使仔豬體內熱量堆積，引發(fā)腸胃疾病。氨氣、硫化氫等有害氣體會導致溫度上升，同時導致仔豬免疫力下降，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、結膜炎、呼吸道炎癥等嚴重后果[7]。目前國內外對該項技術也開展了大量的研究，為減少疫病的產生和流行，同時也為增加仔豬成活量，國內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)得到了廣泛的應用。但目前國內對于仔豬保育設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環(huán)境參數(shù)，通過外部環(huán)境因子與預設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（氣體質量/mg·m-3）Table 1 Environmental parameters of piglets during piglet conservation period

1 系統(tǒng)總體設計

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)據的采集，觀測保育箱內各種環(huán)境參數(shù)的信息，并通過微處理器對驅動電路進行控制，最終實現(xiàn)執(zhí)行機構對保育箱的環(huán)境進行調控，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)同時還應用繼電器、74HC595 驅動器、數(shù)碼管以及各種用電設備。傳感器將采集到的環(huán)境信息經A/D 轉換后傳給單片機，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換電路，內部具有低溫度系數(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 內部設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)據經A/D 轉換后向單片機發(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率極低，但當空氣中進入污染成分時，氣敏材料的電導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率的變化轉換為電信號輸出[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時間內會發(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值根據公式：PS=VC2×RS/（RS+RL）2

傳感器電阻RS根據公式：RS=（VC/VRL-1）×RL

根據公式：

式中，C 為有害氣體濃度，單位為ppm；22.4 是1 mol 的空氣質量；X 為單位體積內有害氣體的質量，由表1 可知，保育箱內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量，氨氣相對分子質量約為17 g·mol-1。根據計算可以得到保育箱內氨氣濃度換算成ppm 值應為9.48 ppm，同理，二氧化碳濃度應為238 ppm[17]。由此可知，當傳感器檢測內環(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備，剩余一路作為備用。第一路負載端接加熱設備，與DS18B20 共同作用起到恒溫作用；第二路負載端接負壓風機；第三路接照明設備，可通過對程序的修改決定照明時間?？紤]到保育箱整體密閉性較好，同時照明設備在工作時可發(fā)熱，故第一路繼電器為常閉狀態(tài)；當MQ-135 監(jiān)測到內環(huán)境污染氣體濃度達到預設值時，負壓風機才會開始工作，故第二路繼電器為常開狀態(tài)；該系統(tǒng)選用的照明設備可為保育箱內部提供垂直溫度，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，如果不需要重新設置溫度報警值，系統(tǒng)將自動開始檢測環(huán)境內的參數(shù)；如果需要重新設置，可通過按鍵S2、S3 來調節(jié)報警值的上下限（初始溫度報警上限為32 ℃，下限為28 ℃），調節(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)據傳輸給單片機，然后通過74HC595 驅動器驅動數(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，用電設備自動關閉，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

實驗在已經搭建好的保育箱內進行，保育箱整體大小約為0.36 m3，頂端為拆卸，便于用電設備的線路排布。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，該設備可以為仔豬生長提供舒適的環(huán)境，具有質量輕、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

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

保育箱體積約為0.36 m3，若模擬內環(huán)境氨氣濃度達到20 mg·m-3，需通過反應產生7.2 mg 氨氣，根據化學反應方程式可得，共需要約33 mg 碳酸氫銨，但反應過程中同時會產生18.6 mg 的CO2，所以此時將有害氣體濃度報警值設置為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，故當內環(huán)境溫度達到報警值時，反應自動開始。

3.2 實驗方法與結果分析

分別按照用電設備搭配，自動化程度設置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，連接好各用電設備和繼電器，將溫度報警值設置為28～32 ℃，氨氣濃度報警值設置為30 ppm。當溫度達到上限時，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 ℃且試劑充分反應后對加熱設備及負壓風機斷電，觀察溫度及有害氣體濃度變化情況。

對照組2：

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

對照組3：

連接好各用電設備后，將單片機與繼電器間的接線斷開，當溫度達到30 ℃時開啟分壓風機，同時不斷開加熱設備，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 保育箱內環(huán)境參數(shù)變化折線圖Fig.5 Polyline diagram of environmental parameters in the incubator

實驗結果表明，當溫度達到預設值且兩組用電設備均不工作時，保育箱可在有效溫度內保持6～8 min。負壓風機工作時可在2 min 之內迅速將箱內有害氣體排出，且噪音較低，不會對仔豬產生刺激，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，同時負壓風機的工作效率要大于加熱設備的工作效率，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 結論

仔豬自身對于溫度調節(jié)的機制還不健全，對空氣質量要求較高，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單片機設計了仔豬保育智能控制系統(tǒng)，多種傳感器內環(huán)境參數(shù)進行采集，各傳感器響應時間較短，對參數(shù)的監(jiān)控做到了實時、準確。同時，當內環(huán)境參數(shù)超過或低于預設的標準值時，系統(tǒng)可以快速做出反應。

研究工作主要得出以下結論：

（1）實現(xiàn)了多種傳感器與單片機之間的通信，經實驗證明，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（處理器外部已設置好電壓轉換元件）。

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