李鵬飛， 劉 源， 趙煥芬， 于亞萍

(天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院， 天津 300384)

我國是世界家禽產(chǎn)業(yè)大國，孵化是家禽養(yǎng)殖的重要環(huán)節(jié)。以養(yǎng)雞為例，生物學(xué)研究表明，在母體外孵化發(fā)育的雞蛋胚胎易受外界因素影響，其中主要包括溫度、濕度、光照強(qiáng)度等[1]，會直接影響雞蛋的孵化率和孵化質(zhì)量。若沒有孵化控制設(shè)備，僅憑人工經(jīng)驗進(jìn)行雞蛋孵化，費(fèi)時費(fèi)力，孵化率最多在60%～70%。根據(jù)雞蛋孵化過程要求，采用單片機(jī)和傳感器對孵化過程的主要環(huán)境參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)控和精確控制，能夠提高雛雞孵化率在90%以上[2]，同時保證雛雞成活率和質(zhì)量。隨著我國深入推進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展，積極探索物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在家禽養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用，有利于提高家禽養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)管理水平，促進(jìn)家禽養(yǎng)殖業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。以雞養(yǎng)殖為例，針對直接影響雞蛋孵化率和孵化質(zhì)量的主要環(huán)境參數(shù)，基于單片機(jī)和LABVIEW設(shè)計開發(fā)雞蛋孵化環(huán)境控制系統(tǒng)，探索實現(xiàn)雞蛋孵化環(huán)境智能精準(zhǔn)控制的技術(shù)手段。

1系統(tǒng)構(gòu)架和工作原理

系統(tǒng)由下位機(jī)Arduino單片機(jī)控制系統(tǒng)和上位機(jī)遠(yuǎn)程控制平臺組成(圖1)。下位機(jī)以單片機(jī)控制器為核心，其通過控制各采集模塊定時采集溫度、濕度和光照參數(shù)數(shù)據(jù)，同時將采集數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送/接收模塊傳送給遠(yuǎn)程控制平臺，后者接收后對其進(jìn)行處理、分析、儲存和顯示。控制平臺分析認(rèn)為采集的參數(shù)數(shù)據(jù)未達(dá)適宜孵化環(huán)境要求時，向控制系統(tǒng)下達(dá)相應(yīng)指令，后者調(diào)用相應(yīng)的控制模塊，啟動相應(yīng)的環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，實現(xiàn)對孵化環(huán)境參數(shù)的調(diào)控。

圖1孵化環(huán)境控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計

2系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)由控制器、溫濕度控制模塊、光照控制模塊、光照控制模塊、顯示控制模塊、報警模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊6個部分組成。電路連接如圖2所示。

圖2孵化環(huán)境控制系統(tǒng)電路

2.1控制器

系統(tǒng)控制器選用 Arduino UNO模塊，為基于ATmega328P單片機(jī)的開發(fā)板，晶體振蕩器頻率16 MHz，編程可通過Arduino IDE，無需使用額外編程器；有14個數(shù)字輸入/輸出引腳，其中6個可用于PWM輸出、6個模擬輸入引腳供用戶自定義使用；可通過USB接口與計算機(jī)連接。

2.2溫濕度控制模塊

溫濕度控制模塊選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊，以單總線數(shù)字格式傳輸數(shù)據(jù)。測量范圍：濕度20%～90% RH，溫度0～50℃。模塊供電電壓為 3.0～5.5 V，VCC、GND和DATA 3個端口分別連接Arduino控制板的VCC、GND和數(shù)字引腳8。系統(tǒng)控制器發(fā)出1次采集數(shù)據(jù)的開始信號后，其由低功耗待機(jī)模式轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚龠\(yùn)行模式，通過I2C總線進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)傳送[3]。當(dāng)檢測到溫度超過閾值，通過光電耦合器件控制電機(jī)開啟風(fēng)扇降溫；低于閾值時，開啟補(bǔ)溫?zé)暨M(jìn)行升溫。濕度高于閾值時，開啟風(fēng)扇通風(fēng)降濕；低于閾值時，開啟加濕器。

2.3光照控制模塊

光照控制模塊采用GY-30傳感器，測量范圍0～65 535 lx，供電電壓3～5 V，GND、ADR、SDA、SCL和VCC 5個引腳分別連接Arduino板的GND、懸空、SDA、SCL和5 V電源。實時采集光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，當(dāng)光照強(qiáng)度弱時，開啟補(bǔ)光燈進(jìn)行補(bǔ)光。

2.4顯示控制模塊

溫濕度和光強(qiáng)值數(shù)據(jù)顯示采用LCD1602顯示屏實現(xiàn)。其LCD驅(qū)動器型號為PCF8574T，GND、VCC、SDA、SCL 4個接口分別與Arduino板的GND、5 V電源、A5、A4接口相連。

2.5報警模塊

報警模塊由現(xiàn)場報警模塊與遠(yuǎn)程報警模塊兩組分部成。現(xiàn)場報警由蜂鳴器實現(xiàn)，在環(huán)境參數(shù)值超出警戒值時蜂鳴器收到高電平，進(jìn)而發(fā)出報警聲。遠(yuǎn)程報警采用9 V供電的F21模塊，其RX、TX接口分別與系統(tǒng)控制模塊的RX、TX連接，兩者間采用串口通訊。當(dāng)環(huán)境參數(shù)異常時，系統(tǒng)控制器向報警模塊發(fā)送AT(警報)指令，蜂鳴器現(xiàn)場報警，同時F21模塊通過自帶的GSM功能向管理員打電話報警。

2.6數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊選用NRF24L01主從機(jī)一體式藍(lán)牙無線傳輸模塊，其單片無線收發(fā)器芯片工作在2.4～2.5 GHz的ISM頻段，相應(yīng)的通訊協(xié)議和輸出功率頻道可通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1主程序

系統(tǒng)控制過程通過圖3所示的主程序流程實現(xiàn)，主要包括環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)采集、采集數(shù)據(jù)與警戒值及閾值的比較、環(huán)境控制模塊調(diào)用和數(shù)據(jù)輸出顯示。

3.2環(huán)境控制程序

根據(jù)雞蛋孵化過程中各階段對環(huán)境參數(shù)的要求，設(shè)置環(huán)境參數(shù)的閾值和警戒值。將定時采集的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)與所設(shè)閾值進(jìn)行比較，若溫度高于閾值，系統(tǒng)開啟風(fēng)扇進(jìn)行降溫；溫度低于閾值時，關(guān)閉風(fēng)扇，打開暖光燈升溫。同樣，濕度高于或低于閾值時，關(guān)閉或開啟加濕器。當(dāng)光照強(qiáng)度低于閾值時，控制冷光燈進(jìn)行補(bǔ)光。

圖3孵化環(huán)境控制系統(tǒng)主程序流程

3.3遠(yuǎn)程控制平臺

采用LABVIEW圖形化程序開發(fā)環(huán)境設(shè)計開發(fā)遠(yuǎn)程控制平臺程序(圖4)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、處理、分析、儲存和顯示，以及下達(dá)相應(yīng)控制指令等功能。前端界面如圖5所示。

圖4孵化環(huán)境控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制平臺的程序設(shè)計

圖5孵化環(huán)境控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制平臺前端主界面

4系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試在實驗室孵化箱中進(jìn)行。精選100個種蛋，孵化周期為21 d。按照孵化過程對環(huán)境參數(shù)要求，先設(shè)定不同階段的環(huán)境參數(shù)閾值，再啟動系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行正常，下位機(jī)和上位機(jī)配合，能夠?qū)崿F(xiàn)孵化環(huán)境自動調(diào)節(jié)，實時采集的現(xiàn)場溫度、光照強(qiáng)度和溫度正確顯示，數(shù)據(jù)以txt文本格式儲存(圖6)。當(dāng)超出閾值時，能實現(xiàn)及時觸發(fā)相應(yīng)報警，手機(jī)遠(yuǎn)程接收報警信息無誤。

圖6下位機(jī)采集數(shù)據(jù)顯示(左)和遠(yuǎn)程端存儲數(shù)據(jù)(右)

5結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用日趨成熟，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)集成各類環(huán)境傳感器、數(shù)據(jù)傳輸和顯示模塊，以LABVIEW為軟件開發(fā)環(huán)境，設(shè)計開發(fā)雞蛋孵化環(huán)境控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可定時采集溫度、濕度和光照參數(shù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)其與所設(shè)閾值的比較，自動控制溫度、濕度和光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行，并在環(huán)境參數(shù)值超出警戒值時自動進(jìn)行現(xiàn)場和遠(yuǎn)程報警。同時，具有建設(shè)成本低、易開發(fā)、使用簡便的優(yōu)點(diǎn)，特別適宜中小型孵化場的孵化環(huán)境控制。