基于單片機和LABVIEW的雞蛋孵化環境控制系統開發

李鵬飛， 劉 源， 趙煥芬， 于亞萍

(天津農學院 工程技術學院， 天津 300384)

我國是世界家禽產業大國，孵化是家禽養殖的重要環節。以養雞為例，生物學研究表明，在母體外孵化發育的雞蛋胚胎易受外界因素影響，其中主要包括溫度、濕度、光照強度等[1]，會直接影響雞蛋的孵化率和孵化質量。若沒有孵化控制設備，僅憑人工經驗進行雞蛋孵化，費時費力，孵化率最多在60%～70%。根據雞蛋孵化過程要求，采用單片機和傳感器對孵化過程的主要環境參數進行遠程實時監控和精確控制，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量。隨著我國深入推進智慧農業發展，積極探索物聯網技術在家禽養殖業中的應用，有利于提高家禽養殖業生產管理水平，促進家禽養殖業高質量發展。以雞養殖為例，針對直接影響雞蛋孵化率和孵化質量的主要環境參數，基于單片機和LABVIEW設計開發雞蛋孵化環境控制系統，探索實現雞蛋孵化環境智能精準控制的技術手段。

1系統構架和工作原理

系統由下位機Arduino單片機控制系統和上位機遠程控制平臺組成(圖1)。下位機以單片機控制器為核心，其通過控制各采集模塊定時采集溫度、濕度和光照參數數據，同時將采集數據通過無線發送/接收模塊傳送給遠程控制平臺，后者接收后對其進行處理、分析、儲存和顯示?？刂破脚_分析認為采集的參數數據未達適宜孵化環境要求時，向控制系統下達相應指令，后者調用相應的控制模塊，啟動相應的環境調節設備，實現對孵化環境參數的調控。

圖1孵化環境控制系統的模塊化設計

2系統硬件組成

系統由控制器、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、報警模塊和數據傳輸模塊6個部分組成。電路連接如圖2所示。

圖2孵化環境控制系統電路

2.1控制器

系統控制器選用 Arduino UNO模塊，為基于ATmega328P單片機的開發板，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接口與計算機連接。

2.2溫濕度控制模塊

溫濕度控制模塊選用DHT11數字溫濕度傳感器模塊，以單總線數字格式傳輸數據。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和數字引腳8。系統控制器發出1次采集數據的開始信號后，其由低功耗待機模式轉變為高速運行模式，通過I2C總線進行溫濕度數據傳送[3]。當檢測到溫度超過閾值，通過光電耦合器件控制電機開啟風扇降溫；低于閾值時，開啟補溫燈進行升溫。濕度高于閾值時，開啟風扇通風降濕；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。實時采集光照強度數據，當光照強度弱時，開啟補光燈進行補光。

2.4顯示控制模塊

溫濕度和光強值數據顯示采用LCD1602顯示屏實現。其LCD驅動器型號為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

報警模塊由現場報警模塊與遠程報警模塊兩組分部成?，F場報警由蜂鳴器實現，在環境參數值超出警戒值時蜂鳴器收到高電平，進而發出報警聲。遠程報警采用9 V供電的F21模塊，其RX、TX接口分別與系統控制模塊的RX、TX連接，兩者間采用串口通訊。當環境參數異常時，系統控制器向報警模塊發送AT(警報)指令，蜂鳴器現場報警，同時F21模塊通過自帶的GSM功能向管理員打電話報警。

2.6數據傳輸模塊

數據傳輸模塊選用NRF24L01主從機一體式藍牙無線傳輸模塊，其單片無線收發器芯片工作在2.4～2.5 GHz的ISM頻段，相應的通訊協議和輸出功率頻道可通過SPI接口進行設置。

3系統軟件設計

3.1主程序

系統控制過程通過圖3所示的主程序流程實現，主要包括環境參數數據采集、采集數據與警戒值及閾值的比較、環境控制模塊調用和數據輸出顯示。

3.2環境控制程序

根據雞蛋孵化過程中各階段對環境參數的要求，設置環境參數的閾值和警戒值。將定時采集的環境參數數據與所設閾值進行比較，若溫度高于閾值，系統開啟風扇進行降溫；溫度低于閾值時，關閉風扇，打開暖光燈升溫。同樣，濕度高于或低于閾值時，關閉或開啟加濕器。當光照強度低于閾值時，控制冷光燈進行補光。

圖3孵化環境控制系統主程序流程

3.3遠程控制平臺

采用LABVIEW圖形化程序開發環境設計開發遠程控制平臺程序(圖4)，實現數據接收、處理、分析、儲存和顯示，以及下達相應控制指令等功能。前端界面如圖5所示。

圖4孵化環境控制系統遠程控制平臺的程序設計

圖5孵化環境控制系統遠程控制平臺前端主界面

4系統測試

系統測試在實驗室孵化箱中進行。精選100個種蛋，孵化周期為21 d。按照孵化過程對環境參數要求，先設定不同階段的環境參數閾值，再啟動系統。測試結果表明，系統運行正常，下位機和上位機配合，能夠實現孵化環境自動調節，實時采集的現場溫度、光照強度和溫度正確顯示，數據以txt文本格式儲存(圖6)。當超出閾值時，能實現及時觸發相應報警，手機遠程接收報警信息無誤。

圖6下位機采集數據顯示(左)和遠程端存儲數據(右)

5結語

隨著物聯網技術在農業中的應用日趨成熟，運用物聯網技術，系統集成各類環境傳感器、數據傳輸和顯示模塊，以LABVIEW為軟件開發環境，設計開發雞蛋孵化環境控制系統。系統可定時采集溫度、濕度和光照參數數據，并根據其與所設閾值的比較，自動控制溫度、濕度和光照強度調節設備運行，并在環境參數值超出警戒值時自動進行現場和遠程報警。同時，具有建設成本低、易開發、使用簡便的優點，特別適宜中小型孵化場的孵化環境控制。