密閉式豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展研究

王榮華 張燕斌

摘要

控制系統(tǒng)是密閉式豬舍環(huán)境調控的關鍵組成部分。該研究系統(tǒng)歸納分析了應用于密閉式豬舍環(huán)境調控的4 種控制系統(tǒng)，包括基于單片機控制系統(tǒng)、基于PLC 控制系統(tǒng)、基于CAN 總線的分布式控制系統(tǒng)和基于物聯(lián)網的監(jiān)控系統(tǒng)，總結出了各自的結構特點。結合工業(yè)控制技術、計算機技術和網絡通訊技術的發(fā)展，提出了密閉式豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，對密閉式豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)的設計具有一定的參考價值。

關鍵詞密閉豬舍；環(huán)境監(jiān)控；控制系統(tǒng)

中圖分類號S126文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）24-276-03

密閉式養(yǎng)殖是我國北方地區(qū)生豬集約養(yǎng)殖最主要的方式。我國北方地區(qū)具有降水量少而不勻、寒暑變化劇烈的顯著特點，冬季漫長而寒冷，在這樣的地區(qū)建造豬舍，要重點考慮豬舍的保溫、防寒，防濕[1]。豬舍環(huán)境參數(shù)控制屬于多輸入參數(shù)控制系統(tǒng)，為使豬的生長環(huán)境達到最佳范圍，需要采集相對濕度、溫度與有害氣體濃度等多種參數(shù)，控制增溫、通風等多種調節(jié)設備，對控制系統(tǒng)的要求較高。筆者對密閉式豬舍環(huán)境調控的主要控制系統(tǒng)類型進行了歸納分析，提出了密閉式豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，具有一定的現(xiàn)實意義。

1 密閉式豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析

20世紀90年代初，隨著測試技術的快速發(fā)展，國外畜禽舍的環(huán)境測控系統(tǒng)取得了迅速發(fā)展，然而我國豬舍環(huán)境控制

還基本處于相對落后的人工或半自動化程度，依靠人工對舍內環(huán)境的判斷調整熱濕簾、風爐、通風機等機械設備[2]。隨著科學技術的飛速發(fā)展，近年來養(yǎng)豬業(yè)逐步走向專業(yè)化、系統(tǒng)化、集約化，國內學者在引進國外先進技術的基礎上，在提高豬舍內環(huán)境調控系統(tǒng)自動化程度方向做了大量的研究，并融入模糊控制等控制技術開發(fā)了多種類型的智能控制系統(tǒng)[3]。

1.1基于單片機監(jiān)控系統(tǒng)

如圖1所示，基于單片機的監(jiān)控系統(tǒng)由傳感器組將豬舍內環(huán)境中待檢測的參數(shù)信息轉化為數(shù)字信號，單片機再對傳輸信號進行處理并輸出控制指令對執(zhí)行機構進行控制。集中監(jiān)測站與多臺單片機實現(xiàn)主站與從站通訊，形成分布式網絡控制，實現(xiàn)對不同豬舍進行監(jiān)測和控制管理。

鄭爭兵設計的基于AVR 單片機及多個溫濕度監(jiān)測點和中心控制點組成的監(jiān)測系統(tǒng)，采用SHT15 完成對豬舍不同位置的溫濕度采集和處理，再通過RS485 總線將數(shù)據(jù)輸送給中心控制點的ATmega16 處理器，處理器根據(jù)設定的溫濕度預警值控制風機和調溫設備工作[4]。田耘等設計了一種基于單片機AT89C52和DS18B20數(shù)字式溫度傳感器的哺乳仔豬舍溫濕度環(huán)境自動控制系統(tǒng)[5]。戴春霞設計研究的一種以上位PC機和C8051F020單片機為核心的豬舍環(huán)境因子測量監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程監(jiān)控，采用Modbus協(xié)議進行主從站點間網絡通信[6]。

1.2基于PLC 的監(jiān)控系統(tǒng)

PLC（Programmable Logic Controller） 控制系統(tǒng)主要包括下位機控制系統(tǒng)和上位機監(jiān)控管理軟件2部分。如圖2所示，下位機包括主控制器（PLC）、通風、加溫、降溫等執(zhí)行機構、各傳感器以及傳感器數(shù)據(jù)釆集、與上位機的數(shù)據(jù)傳輸和設備的控制程序等。上位機管理軟件部分主要包括與下位機的通訊、人機交互界面的設計等。系統(tǒng)由各種傳感器組對豬舍內的溫度、相對濕度、有害氣體濃度等主要環(huán)境因素進行信息采集，通過總線把采集到的信息傳輸?shù)娇刂破?（PLC）中進行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)經編程電纜傳送到上位機中，實現(xiàn)不同環(huán)境參數(shù)的顯示、存儲等，方便工作人員實時監(jiān)控，同時處理后的數(shù)據(jù)由上位機中的智能控制器進行解耦并生成控制信號，再經過PLC控制風機、水暖、濕簾等具體執(zhí)行設備。

李立峰以S7-200PLC為控制核心部分的分娩母豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)利用工業(yè)組態(tài)軟件 King View 為開發(fā)平臺，利用多種傳感器進行環(huán)境信息采集[7]。關銘潔研究設計了一套豬舍環(huán)境的智能監(jiān)控系統(tǒng)，采用 PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器邏輯電路，PLC對通風和噴淋降溫等系統(tǒng)自動調整，對豬舍內溫濕度等環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)控[8]。

1.3基于CAN總線的分布式監(jiān)控系統(tǒng)

如圖3所示，基于CAN總線分布式監(jiān)控系統(tǒng)的結構主要包括上位機、智能控制器和智能模塊組。系統(tǒng)工作過程是下位機將各類傳感器采集到的環(huán)境參數(shù)由總線傳輸給上位機，上位機通過比較運算后按一定的控制方案將控制參數(shù)經總線傳給下位機，并通過下位機來控制執(zhí)行機構調控環(huán)境參數(shù)。CAN總線的數(shù)據(jù)通信與一般的通信總線相比具有突出的可靠性、實時性和靈活性，它在汽車領域上的應用最為廣泛，在畜禽養(yǎng)殖中也開始使用。

張玉峰設計的一種基于CAN總線豬舍環(huán)境現(xiàn)場層監(jiān)控系統(tǒng)采用了模塊化思想，設計了3類CAN總線智能節(jié)點，豬舍現(xiàn)場層監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分由計算機、智能節(jié)點、CAN總線適配卡和各類環(huán)境因子傳感器組成，在幀結構的基礎上采用CAN2.0B技術規(guī)范，分析了CAN模塊的初始化、CAN報文發(fā)送及接收的過程，并對通訊模塊的軟件以及系統(tǒng)通訊協(xié)議進行了設計。計算機主動向智能節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)請求以及控制命令，并對采集的數(shù)據(jù)進行存儲、處理，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)對豬舍環(huán)境的監(jiān)控[9]。該豬舍環(huán)境現(xiàn)場層監(jiān)控系統(tǒng)具有界面友好、操作方便、功能完善、性能穩(wěn)定的優(yōu)點，不僅改善了豬舍環(huán)境中的狀況，增強了環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且降低了營運成本，具有很好的推廣應用前景。

1.4基于物聯(lián)網的監(jiān)控系統(tǒng)

物聯(lián)網包括互聯(lián)網及互聯(lián)網上所有的資源，兼容互聯(lián)網所有的應用，是互聯(lián)網的延伸，但物聯(lián)網中所有的設備、資源及通信等元素都是個性化和私有化的。基于物聯(lián)網技術的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要包括豬舍現(xiàn)場子系統(tǒng)、互聯(lián)網子系統(tǒng)和遠程控制中心子系統(tǒng)3部分，總體結構如圖4所示。根據(jù)需要通過無線溫濕度等傳感器、風機、溫度控制裝置、多軸云臺、無線數(shù)據(jù)接收發(fā)送裝置、嵌入式控制器等在豬舍現(xiàn)場內建立現(xiàn)場控制站，將現(xiàn)場實時采集監(jiān)測的豬舍內各種參數(shù)信號發(fā)送給終端節(jié)點，從而反饋指令實時調控現(xiàn)場設備[10]。互聯(lián)網子系統(tǒng)采用WiFi無線網絡技術節(jié)省了空間和安裝時間，遠程用戶可以通過登錄的方式在遠程控制中心登錄，對豬舍內環(huán)境進行實時、準確的監(jiān)控。

吳武豪以生豬養(yǎng)殖物聯(lián)網的3個核心層面為研究對象，對豬舍環(huán)境特點的傳感器選型和布置、數(shù)據(jù)傳輸和信息處理應用進行了研究，該研究成果為豬舍環(huán)境信息采集、安全可靠傳輸、智能化信息管理等提供了一套比較完整的解決方案[11]。朱偉興開發(fā)的基于物聯(lián)網技術的保育舍環(huán)境可視化調控系統(tǒng)采用了Zigbee 無線技術，該系統(tǒng)以ARM-Linux嵌入式服務器為現(xiàn)場控制中心，通過WiFi 無線技術將服務器與Internet無縫連接，將舍內各保育床及周圍設備組成一個無線網絡系統(tǒng)使用戶端延伸并擴展到豬舍及室內設備，從而實現(xiàn)環(huán)境與設備、人與設備之間的信息交換[12]。

2 豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)代工業(yè)控制技術、網絡通訊技術和計算機技術的飛速發(fā)展，豬舍環(huán)境監(jiān)控技術將會朝著高智能化、精準化和更加規(guī)范等方向發(fā)展。

2.1智能化

在控制理論的不斷發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)控制技術不斷進步的同時，豬舍環(huán)境中的強耦合性與非線性等問題會得到解決，豬舍環(huán)境監(jiān)控中控制技術的算法和控制過程將更加智能化，如故障的自診斷系統(tǒng)、報警提醒系統(tǒng)和數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)等。今后，環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)還將和給料系統(tǒng)等相關系統(tǒng)結合起來，實現(xiàn)“無人”管理。

2.2精準化

針對市場集約化養(yǎng)殖的需求，應用了各種新型傳感器技、無線通信等技術，今后豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)從參數(shù)獲取到控制設備將會更加精準化。系統(tǒng)不但監(jiān)控整個豬舍環(huán)境，而且實現(xiàn)按不同豬欄甚至每頭豬的個性化要求靈活調節(jié)豬舍內的小氣候環(huán)境，為豬只提供良好的生長環(huán)境，達到精準化、集約化養(yǎng)殖的目的。

2.3規(guī)范化

隨著養(yǎng)豬產業(yè)從分散的個體養(yǎng)豬發(fā)展到現(xiàn)代化集約化養(yǎng)豬，養(yǎng)豬的目的已經不單純是豬肉，還要求對糞便、污水等污染物進行合理處理。同時，隨著人們對綠色健康的關注，對豬肉品質的要求也越來越高。豬舍環(huán)境監(jiān)測將在智能化、精準化的同時使養(yǎng)豬過程規(guī)范化、透明化。豬舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)為廢物處理提供參數(shù)，將與糞便污水等處理系統(tǒng)結合實現(xiàn)無污染養(yǎng)豬。同時，豬舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)改善了舍內空氣質量，提高了豬的免疫力，減少了疫苗、藥物的使用，保證了豬肉的品質。

3 結語

該研究結合現(xiàn)代工業(yè)控制技術、計算機技術和網絡通訊等技術的發(fā)展，分析了先進的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的組成，各系統(tǒng)都具有各自的特點：普通單片機監(jiān)控系統(tǒng)價格最低，控制操作簡易，但運算能力較差，存儲性能薄弱，自動化程度較低；PLC控制系統(tǒng)具有較好的控制精度，可實現(xiàn)長時間無故障穩(wěn)定運行，控制與操作方便易行，自動化程度較高，但其控制成本比較高；基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)靈活、易于拓展，各個豬舍內的局部故障之間不相互影響、模塊之間相對獨立；基于物聯(lián)網的監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了豬舍環(huán)境的遠程實時監(jiān)控，更適用于自動化程度要求高的牲畜養(yǎng)殖系統(tǒng)。

隨著人民生活水平的不斷提高，消費者對豬肉的品質要求也越來越高。今后，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、控制精確及時、過程智能規(guī)范、維護方便的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)將更加適應市場需求。

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