作用于雛雞養殖的雞舍設計方案研究

溫東源，黃培強，林展鵬，彭俊杰，鐘沈偉，李焱坭

（湛江科技學院，廣東 湛江 524094）

0 引言

目前，國內對于育雛雞舍進行了大量的研究。劉暢[1]研究了如何用導軌式洗濾芯小車清洗雞舍空氣濾芯；王友君[2]研究了用CFD（Computational Fluid Dynamics）技術分析超長雞舍內空氣流動、濕簾窗進風分布情況和溫度分布情況；鄭煒超[3]研究了禽舍環境智能化監測及評估技術、家禽生理行為信息感知及健康預警技術、環境精準調控技術、家禽養殖智能裝備及管控平臺等技術裝備；李保明[4]分析了畜禽舍裝配式建筑與熱環境耦合調控技術，畜禽舍環境因子智能化監測與自動化調控技術，畜禽智能化飼喂、飲水裝備，畜禽舍清糞工藝及自動化清糞裝備，以及畜禽生產信息實時采集與智能管理技術。本設計方案基于雛雞生長所需的條件，把育雛雞舍進行自動化和聯網化，完成了雞舍結構框架設計方案、育雛雞舍的控制方案和環境數據檢測方案。

1 雞舍結構框架設計方案

本設計以長60 cm，寬60 cm，高50 cm 的拼接式網格鐵籠為主體，底部鐵網為橫條式鐵網；喂食器裝置于鐵籠頂部偏右，喂食槽裝置于喂食器正下方，通過垂直管道傳送飼料到喂食槽；傳送帶式糞便清理器裝置于鐵籠正下方，在傳送帶末端設置糞便烘干收集盒；升溫裝置安裝于籠子頂部中央，以無光形式升溫；雞舍控制面板固定在雞舍前門，并且前門開設可視窗口，方便操作和觀察；雞舍整體用0.5 mm 鋁膜珍珠棉保溫鋁箔密封封裝，盡量減少熱量流失。雞舍結構框架實物如圖1 所示。

圖1 雞舍結構框架實物圖

2 整體功能方案及整體方案設計

基于雞舍結構，整體功能方案概況有8 點：（1）恒溫監測與調節；（2）濕度檢測與調節；（3）氨氣濃度檢測與降低；（4）按生長周期自動喂食；（5）自動清理糞便與烘干；（6）養殖方案的推薦與選擇；（7）小程序遠程檢測與控制；（8）飼養環境異常，小程序彈窗警告。

筆者提出的智慧育雛雞舍由雞舍控制面板、數據收集中轉器，微信小程序3 部分構成。

雞舍控制面板以IAP15W4K61S4（后稱IAP15）為主控芯片，負責雞舍內各傳感器的數據收集、處理、發送和控制喂食器，升溫裝置，換氣裝置，糞便自動清理裝置，散熱裝置的運行，通過ZigBee 無線通訊技術把實時數據傳輸到數據收集中轉器。

數據收集中轉器以ESP32-32E（后稱ESP32）為主控芯片，負責接收雞舍控制面板傳輸過來的實時數據，然后把各個雞舍的實時數據實時顯示在電容屏上，對雞舍控制面板進行反向控制，并把各雞舍的實時數據通過ESP32 芯片輸送到云服務器。

2.1 雞舍控制面板

在雞舍控制面板中，IAP15 芯片收集DHT11 溫濕度傳感器、MQ135 有害氣體傳感器、壓力傳感器的數據，通過ZigBee 局域網通訊電路發送到數據收集中轉器，并且判斷各項參數是否超過設定值，進而判斷是否需要運行升溫、降溫電路，以及換氣裝置。通過軟件定期控制自動喂食電路、自動清理糞便電路、自動加濕電路的運行。通過ZigBee 通信協議，實現雞舍控制面板與數據收集中轉器的數據雙向傳輸，并接受數據收集中轉器和小程序的反向控制養殖設備。雞舍控制面板硬件框圖如圖2 所示。

圖2 雞舍控制面板硬件框圖

IAP15 芯片獲取并處理傳感器數據，然后判斷是否要啟動各個外設裝置調節各個雞舍的生長環境。

以單個雞舍為例，雞舍控制面板上電，系統初始化，啟動換氣裝置30 秒、開啟升溫裝置使雞舍內溫度逐步上升至設定溫度，且持續光照24 h 以上避免幼雛出現啄肛癖，啄趾癖，啄羽癖，食蛋癖和異食癖等。DHT11 溫濕度傳感器實時檢測雞舍內溫濕度，IAP15芯片判斷當前溫濕度是否在閾值范圍內。若溫度高于閾值，開啟降溫裝置同時通過減小PWM（Pulse-width modulation）的占空比控制降低升溫裝置的輸出功率，3 秒后再次判斷是否低于溫度上限，若仍高于則重復執行上述循環；若溫度低于閾值，增大PWM 的占空比，進而提高升溫裝置的輸出功率，工作3 秒后再次判斷是否高于溫度下限，若仍低于則重復執行上述操作。

MQ135 有害氣體傳感器實時檢測氨氣濃度，經過模、數轉換，得到MQ135 有害氣體傳感器輸出電壓，結合0.15×MQ135 有害氣體傳感器輸出電壓/1024×1000 公式，計算氨氣的實際濃度值。IAP15 芯片判斷當前濃度是否在閾值范圍內，若處于正常范圍內，則不啟動換氣裝置；若超出閾值，則開啟換氣裝置進行換氣，同時啟動傳送帶清理糞便，傳送帶旋轉完畢5 秒后，再次檢測氨氣濃度是否在閾值范圍內。若仍超出閾值，則繼續開啟換氣裝置20 秒，若仍超出閾值，則繼續重復上述動作。

雛雞入籠，按下雞舍控制面板的育雛周期開始按鈕，向數據收集中轉器發送開始育雛的標記信號，數據收集中轉器記錄當前日期，并通過體重測量系統測量雛雞整體重量，IAP15 芯片把此數據對比于數據庫的重量等級，進而判斷投喂量，然后IAP15 芯片控制投喂系統的運作時間，實現飼料投喂量的控制；并開啟糞便清理系統完成糞便清理。雞舍控制面板功能邏輯框圖如圖3 所示，雞舍控制面板實物如圖4 所示。

圖3 雞舍控制面板功能邏輯框圖

圖4 雞舍控制面板實物圖

2.2 數據收集中轉器

數據收集中轉器以ESP32 為核心，利用ZigBee局域網通訊電路接收雞舍控制面板發送的數據，并在電容屏上進行實時顯示，且可以反向調節育雛雞舍環境參數。在數據收集中轉器中，ZigBee 局域網通訊電路用于接收各雞舍控制面板發送的數據，實現數據收集中轉器與多個雞舍控制面板進行數據交互，然后由ESP32 芯片進行處理后在電容屏上顯示各個育雛雞舍的數據，并由ESP32 芯片把數據發送到云服務器，通過MQTT 協議實現服務器與手機終端進行數據交互，手機端可以反向調節養殖設備內部環境參數；且利用電容屏可觸控的特性，通過數據顯示窗口的按鈕對雞舍控制面板進行反向控制，進而控制雞舍各裝置的運行。

數據收集中轉器的ZigBee 模塊接收到雞舍控制面板發送的各項數據，ESP32 芯片把數據轉化成JSON（JavaScript Object Notation）格式，然后通過MQTT 通訊協議上傳至云服務器上，并在電容屏上進行實時顯示各項數據（如各個雞舍的生長周期、實時溫度、濕度、氨氣是否超標），若有參數超出閾值30秒，ESP32 芯片將會驅動蜂鳴器報警電路發出警報；且可以在電容屏上實時調節參數，進而反向控制育雛雞舍各裝置的運行。數據收集中轉器實物如圖5所示。

圖5 數據收集中轉器實物圖

3 軟件整體方案

啟動控制器和主控臺硬件，利用MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）協議將數據轉化成JSON的格式并發送到MQTT 服務器中，小程序通過域名、id、密鑰等連接云服務器，同時獲取各傳感器的參數并進行處理，通過不同的函數處理不同的數據。如，獲取氨氣濃度數據判斷是否超出閾值，若濃度過高，小程序上彈窗提醒，若濃度處于正常值，小程序顯示不超標；獲取溫度數據，在主界面中顯示實時溫度。開始育雛時啟動喂食定時器和照明定時器，并且小程序記錄當前的時刻，獲取傳感器的標志位，判斷兩個定時器是否完成計數；若計數完成則小程序會記錄當前標志位，同時發送wx.request 請求到云服務器中，控制器可從MQTT 服務器中獲取定時結果。還可以通過小程序反向的控制雞舍各種開關模塊，小程序開發時根據硬件開發約定的指令設置邏輯代碼發送對應的指令到服務器上，硬件設備通過云服務器獲取特定的指令后，根據特定的指令來開啟對應的功能模塊。小程序根據數據庫記錄設備的啟動時間以及雛雞種類的記錄，利用調查所得的數據和軟件模擬計算出的喂食函數和生長函數，最終定時向設備發送喂養的指令。

4 測試驗證與結果分析

4.1 溫濕度檢測與控制功能測試結果分析

在控制器系統中，保溫裝置功率的可調范圍為35 ～270 W，雞舍內最高溫度可升至50 ℃。根據測試計算得出，當每升溫1 ℃需要增加10 W 的功率，而每一個單位時間PWM 正半周期所對應的能量是30 W。每升溫1 ℃時，需要調節PWM 占空比增加1/3。當DHT11 傳感器檢測到當前溫度超出閾值后，雞舍控制面板獲取當前溫度數據并計算出超溫度差值，控制MOS（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）管導通使散熱裝置工作，同時減小PWM 的占空比，降低保溫裝置的保溫功率，使雞舍溫度處于動態平衡下。經過測驗，在室溫22 ℃情況下，保溫裝置每降低10W 輸出功率，雞舍內溫度在8 ～11 s 內可降低1 ℃。當DHT11 傳感器檢測到當前溫度低于閾值時，雞舍控制面板獲取當前溫度數據并計算出低溫度差值，調節PWM 占空比來控制調壓器的輸出功率，增大升溫裝置的發熱功率。使雞舍內溫度提高到適合育雛生長的范圍內，并控制雞舍內溫度恒定在合適范圍內。經過測驗，在室溫22 ℃情況下，保溫裝置的輸出功率每提升10 W，28 ～33 秒后可將雞舍內溫度提高1 ℃。

4.2 氨氣濃度檢測和干燥器的控制功能測試結果分析

當MQ135 有害氣體傳感器檢測到氨氣值超過閾值時，雞舍控制系統的排氣MOS 導通，使排氣裝置進行工作，同時控制系統的干燥三極管導通使干燥裝置工作。經過測驗，排氣裝置工作13 ～16 s 可降低1ppm，干燥器在600 W 功率工作狀態下，如果雞糞便含水量為50% ～60%，在0.5 h 內，能干燥60 ～100 g的雞糞便；傳送帶的旋轉速度1.50 cm/s。

5 結語

本研究提出設計參考方案，主要研究智慧育雛雞舍的溫度、濕度自動及手動調節、自動喂食，自動清糞，氨氣濃度的監控方案，嘗試通過ZigBee 無線通訊技術，實現區域化控制以及手機端遠程監控等功能。在不同生長階段、不同季節和氣候條件下，為雛雞的生長提供科學的、可控的飼養環境，并在微信小程序提供養殖參考方案。最終設計出以雞舍控制面板、數據收集中轉器，微信小程序為一體的雛雞養殖系統方案，該方案下的雛雞養殖設備可提升雛雞養殖環境的科學性，養殖模式的多樣性，可移動性和獨立保溫性。