新型養殖場環境溫度控制系統的設計

竇偉山 段學習 吳增偉 劉永娟

摘要：本系統設計主要用于養殖業室內溫度控制。采用主控單元與功能控制模塊分離的方式，通過RS485接口進行級聯通訊，克服傳統溫控系統功能單一，不可擴展的缺點。采用劃區域定點溫度控制，解決以往控制系統控溫不均的問題。區域溫度支持多點無線溫度采集檢測，以實現對不同區域溫度的精細控制。

關鍵詞：溫度控制；單片機；養殖業

隨土地等不可再生資源的日益緊張，采用科學技術提高單位面積下的產出成為現代化養殖場經濟增長點的關鍵性指標。溫度在雞的生長過程中起著至關重要的作用。如果溫度過低，雛雞容易受涼導致拉稀或產生呼吸道疾病等；為了取暖容易造成扎堆，影響采食和活動，造成傷殘，嚴重時會造成大量死亡。雞舍的溫度需要隨雞齡的變化而改變。雞舍養殖期間忌諱發生忽冷忽熱，忽冷忽熱極易造成冷熱應激現象，從而引起用藥或免疫失敗。因此，適宜的溫度控制是養雞場必須解決的技術關鍵。

雞舍溫濕度監控系統調控雞舍溫度是利用溫濕度控制系統來監測和控制溫度，通常通過控制濕簾、空調、加熱器等來調節溫度，使溫度處于恒定狀態。另外雞舍內的空氣質量直接影響雞的健康。在進行換氣處理的時候對于進入雞舍的空氣做一些相應的除塵凈化及滅菌消毒處理能降低雞流感等疾病的發生概率。

1 京津冀地區村辦養殖場溫控系統現狀

京津冀周邊縣市郊區村辦養殖場原有室內溫度控制系統主要由熱風爐、水簾、負壓風機等設備組成用于維持室內溫度恒定。在養殖場廠房的一側集中安裝負壓風機，另一側設有進氣口并裝有熱風爐和水簾機，通過水簾機和負壓風機的配合達到通風換氣的效果。運用負壓風機來向外排出空氣從而使室內氣壓下降，形成負壓區，由于氣壓差空氣補償流入室內。在進氣口到負壓風機之間形成對流。在這期間，關閉靠近負壓風機附近的門窗，強迫空氣從進氣口一側門窗流入廠房。空氣由進氣口流入廠房，經廠房流過，由負壓風機排出廠房。這種方式換氣率可達99%，能夠解決通風不良問題。水簾風機又稱空氣冷卻器，由軸流式風機與冷卻排管等組成。水簾風機依靠風機強制空氣流經箱體內的冷卻排管進行熱交換，使空氣冷卻，從而達到降低室溫的目的。這種溫度調節方式節能減排，性價比較高。隨著養雞規模的不斷擴大，這套溫控系統的弊端就顯現出來。通過調查得知，該養殖場室內面積為43×23m2，分成兩個室，每個室內裝有3層雞籠，每層又分成若干小區域，每個小區域有3到6排小雞籠，每個小雞籠內裝有7～8只雞。在養殖場投產初期，養殖密度低，通過這套設備對各室進行溫度控制取得了良好的效果，但是隨著養殖規模的增大，溫度的控制已經力不從心，雞的生長環境惡化。據統計，目前該養殖場的養殖量達到1.7萬只時就會經常出現雞死亡大量的情況。

經分析發現以下幾點不足：

1）廠房面積的增大致使原有風機設備功率不足，室內溫度變化變得緩慢，時間增長，空氣流動變緩，通風效果明顯變差，不利于雞的生長。

2）由于雞的生長速度的原因，室內不同區域雞的大小分布不同，那么對于小區域溫度無法控制，也不利于雞的生長。

3）規模的增大致使室內溫度信號的采集難以控制，不能實時的有效的監測溫度，溫度的偏差大，不利于雞的生長。

為此，我們在原有的基礎上對溫度控制系統進行優化改造，極大的緩解了規模增大帶來的不利因素。

2 新型溫度控制系統的設計

考慮到不同區域養殖雞對溫度的需求不同，改造后的溫度控制系統采用主控單元與功能控制模塊分離的方式，通過RS485接口進行級聯通訊，解決了傳統溫控系統功能不可擴展的缺點。采用劃區域定點溫度控制，解決以往控制系統不能實現區域獨立控溫的問題。通過對區域內多個溫度采集點的溫度采集值確定本區域溫度控制送風量，以實現對不同區域溫度的精細控制。同時用戶可以根據自己的規模需求進行增減采購，提高了產品的適應性，也為用戶節省開支。

對廠房室內布局進行改造如圖1 室內設備安裝示意圖。

圖1為改造后的室內設備布局圖的俯視圖。由于我們將室溫進行劃區域控制，因此首先將溫室通過中間設計的風墻一分為二，為了降低成本將風墻設計為密封中空的，利于室內氣體的排出；其次，將每個大室有分成若干個小的區域，可以分為10個小區域，總共20組，這樣有利于區域溫度的采集。然后，我們將換氣通道設置為頂部通氣，每個區域頂部管道距離頂層雞籠留有適當的距離，同時相鄰區域留有一定的空間，以防管道直吹到雞上，造成雞的不適。為了實時采集準確的溫度信號，我們在出風口周邊設置多個采集點進行溫度檢測，提高溫度的準確均衡。為了達到良好的降溫效果，我們將水簾機換成大功率的制冷機設備。

采用主控單元與功能控制模塊分離的方式，如圖2 功能模塊通訊示意圖所示，系統通過RS485接口進行級聯通訊，克服傳統溫控系統不可擴展的缺點。實現控制系統“集中管理區域控制”的集散控制方式。不同的控制單元實現分離控制，不互相制約影響，這樣能夠實現針對不同區域不同溫度要求進行獨立控制，從而滿足不同區域中不同種類的雞對溫度的適應，大大提高了雞的生長效率，解決了原有系統溫度一刀切的問題。同時，用戶可以根據自己的養殖規模來確定區域溫度控制單元的數量，從而解決用戶成本。

部分養殖場采集溫度監控點的溫度采用無線多點溫度采集系統[2]，運用無線數據通訊方式與主控制器通訊傳輸溫度數據，不僅減少了布線難度，更易于測溫點的安裝、調試和擴展。下位機和上位機組成了無線溫度采集裝置。下位機由無線收發模塊、溫度采集模塊、液晶顯示模塊、微處理器單元和電源模塊組成，其系統組成示意圖如圖3所示。

電源模塊包括電池、充電模塊、穩壓模塊。用通用鋰電池充電器給充電模塊充電。當外部電源供電時，充電器為鋰電池供電并通過LM11173.3穩壓模塊穩壓輸出DC3.3V供給系統；當外部電源停電時， LM11173.3穩壓模塊將鋰電池DC4.2V電壓變為DC3.3V供給系統，鋰電池電壓經電阻分壓直接供微處理器外部低壓檢測中斷比較器進行比對，當電池電壓降為3.8V時，報警提示。

為降低顯示功耗，顯示模塊采用LCD 1602A。LCD1602A內置字符發生器ROM，可提供160種工業標準字符，可據微處理器供電電壓選擇DC3.3V或DC5V供電方式。DC5V供電時工作電流2mA。

溫度采集模塊采用溫度傳感器18B20[1]。18B20抗干擾性強，適合于惡劣環境的現場溫度測量，支持3V～5.5V的電壓范圍。測量溫度范圍為55℃～125℃，精度為±0.5℃。

無線模塊采用NRF24L01。NRF24L01是一款新型單片射頻收發器件， DC1.9V～3.6V為其供電電壓，工作頻段為2.4GHz～2.5GHz ISM，頻道總數有125個。內置晶體振蕩器、頻率合成器、調制器、功率放大器等功能模塊。NRF24L01功耗低，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節能設計更方便。RS485通過工業用RS232轉RS485接口實現。原理圖如圖4所示。

上位機與下位機硬件電路類似，去掉溫度傳感器DS18B20的接口電路，MAX3232CPE增添擴展接口RS232C。PC機的通訊就是運用RS232C接口。

通過電動風閥對風道閘口的控制實現對進氣量的控制，從而實現對溫度的控制。電動風閥在五金、建材、化工、養殖、電站等行業中的環保、通風工程的含塵熱風或冷風氣體管道中，作為氣體介質切斷裝置或調節流量。電動風閥由電動機帶動驅動執行機構，使閘板在相應角度范圍內自由轉動以達到啟閉或調節介質流量的目的。我們在每個區域的風道口設置一個電動風閥，對不同的區域設置一個溫度標準。當檢測裝置檢測到區域溫度高于或低于標準溫度時，溫度控制系統可以根據實際情況給出相應的信號來驅動電機帶動執行機構調節風閥的開度，來調節進氣量。我們可以設定一個溫度范圍，比如設置3℃，當區域溫度上升或下降標準溫度的±3℃，我們可以設置風閥加大或減小一個角度控制進氣量，來實現對區域溫度的調節。

3 結論

通過對原有養殖溫控系統的優化改造，實現了對室溫的局部區域獨立自動控制，形成了“集中管理局部控制”的集散控制系統，為室內不同種類雞的成長提供了更為有利的成長環境。采用無線多點溫度采集，使溫度的檢測控制更精確。通過此方式用戶可以根據自己需求進行采購，提高了產品的適應性，也為用戶節省開支，提高了營收效益。

參考文獻：

[1]張佳偉，劉成忠.基于STC89C52RC的養殖區溫控系統設計.甘肅農業大學學報，2014（2）：161165.

[2]查方勇.基于DC18B20的多點溫度采集系統設計與實現.黃岡師范學院學報，2011（12）.