基于大數據的溫濕度智能采集系統在禽苗孵化業的應用

【摘" 要】 在現代生活中，溫度和濕度不僅關系到人們的生產、生活，還是現代農業和化工生產的重要環境影響因素。比如在以農業為主的東北地區，糧食的儲存管理問題一直沒有得到根本性的解決。如何保證家禽養殖和家禽的管理、運輸，成為人們迫切需要解決的問題。傳統的濕度和溫度采集技術應用在農業生產中，無法真正滿足實際需要。目前需要解決的問題是能夠實時采集氣溫和濕度，分析有效數據，從而提高管理水平，防止孵化場所的溫濕度變化過大而影響出雛成功率。

【關鍵詞】 大數據;溫濕度;智能采集系統

一、濕度、溫度的測定原則

（一）濕度測定的基本原則

從物理量的角度而言，氣溫和濕度相互依存、相互影響。例如黑龍江的溫室作物生長條件亟須突破，必須達到溫濕度之間的平衡，以使作物達到最佳的生長比率。于是，就產生了一種能夠同時測量濕度和溫度的多功能傳感器。濕度與溫度傳感器是一種能夠將被測量的溫度、濕度轉化為易于處理的脈沖信息的儀器或設備。當前，市面上濕度和溫度傳感器的種類有很多，用途也很廣，但在實際中，這些傳感器只能作用于相對濕度。而電阻型濕度傳感器以電學性質為基礎，特征在于其阻值隨著濕度的改變而改變。

濕敏元件通常采用蒸鍍、涂敷等制作方法，將親水材料涂覆于絕緣材料的表面;在濕敏元件的濕氣被吸收和脫濕時，水分子的H+在導電時會發生正、負電子態的變化，使器件的電阻值也隨之發生變化，這就是濕度。電阻型濕度傳感器應用廣泛，應用于生產和生活的各個領域。以LiCl為例，它具有很高的穩定性、良好的耐溫性以及較長的使用壽命。

（二）測溫的基本原則

1. 集成式測溫系統的基本原理

輸出信號的脈沖信號，分為電壓式和電流式兩類，它們的輸出電壓和輸出電流都與絕對溫度成正比。三線制的電壓型測溫計，其溫升系數在10 mv/℃左右，使用了LM34/35、LMl35/235等元件;電流型集成式的測溫傳感器使用雙線測量，其溫度系數在1u～K，通常使用了LMl34/234、TMPl7等元件。電流式溫度傳感器，其輸出的數據脈沖信息在長距離傳輸中具有很大的優越性，并且不會產生任何衰減。

2. 溫度測量方法

（1）接觸測試。按照熱量平衡的原理，兩種不同溫度的物質，在經過一段時間的接觸后，會產生同樣的熱量，從而達到熱量的平衡。以體溫計為例，只要將其與物體接觸，就能測量出物體的溫度，這就是所謂的接觸測試。它的主要特征在于接觸，溫度計必須與被測對象保持良好的熱接觸，才能使其與被測物的溫度保持一致，從而達到測量的目的。因為是接觸型測量，所以對溫度計的精確性要求很高。在接觸式測量中，溫敏元件必須與被測對象直接接觸，因此兩者之間的溫度會此消彼長，而被測對象的熱平衡狀況勢必受到影響，甚至會受到被測對象的腐蝕。因此被測對象對溫敏元件的結構和性能有嚴格的要求。

（2）無接觸式測試。非接觸式溫度測量，是指具有熱輻射能力的對象，其工作原理是隨著外界溫度的改變，產生不同的熱輻射。它的特點是不與被測對象直接接觸，因此不會影響被測對象的熱平衡，且熱慣性較低。由無接觸式的測溫原理可知，該方法能測得較高的溫度，通常，在1000℃以上的運轉、轉動或快速反應的對象的表面溫度，都可以被測定。

二、溫室內溫濕度智能采集系統的應用

（一）測試場所

試驗場地為某市，該市屬于典型的亞熱帶季風氣候區，夏天的時間較長，冬季的時間較短，日照比較充足，降水量較多，年平均日照時間為1700～1980h;年平均溫度在20～25℃，1—2月份的最低溫度為6～10℃;7月至8月的平均溫度為33～37℃。本實驗孵化場為該市現代大型孵化場所內的一座帶水簾散熱裝置的智能孵化大棚，主體為熱浸鋅骨架，大棚的長度和寬度分別為43.5 m和25 m，頂高6.5 m，溫室拱跨距9.6 m。該復合塑料大棚可以很好地解決夏季和冬季溫差過大的問題，而且具有較大的空間，是南方最適合高出苗率的大棚。

（二）溫度和濕度數據采集系統的設計和實現

本設計實現了對溫度、濕度的實時采集、實時顯示、自動保存和遠程觀測。本課題研制的溫室溫度、濕度自動采集系統，實現了室內外溫度和濕度的有效監測，并且能夠很好地下載和儲存數據。

溫、濕度傳感器實時采集到的數據，經過GPRS（Global Package Service，GPRS）發送模塊，通過Modbus協議發送至數據采集和監測控制（SCADA）主機，并在網絡上進行遠程監測。溫、濕度的采集采用了RS485型百葉箱式溫度、濕度傳感器，測量精度可達±0.5℃。GPRSDTu是一種通過公共GPRS網絡實現遠程數據傳輸的物聯網無線數據終端。本產品以工業級32位通信處理器及工業無線通信模組為基礎，以嵌入式實時操作系統作為軟件支持，并可以與串口裝置直接相連，具有透明的數據傳送功能;低功率設計，在最小功率消耗時，電流不超過1 mA;該系統具有5個 L/0（輸入/輸出），能夠很好地實現數字的輸入輸出以及計數等。SCADA是一種監測和控制現場各種設備的新技術，能夠有效地采集和控制設備的數據，除此之外，它還能夠很好地調節參數以及接受各種信號的報警等。

本設計的傳感器采用的是LH-TH20系列溫濕度傳感器，該傳感器廣泛適用于農業大棚/花卉培養等需要溫濕度監測的場合。傳感器內，輸入電源、感應探頭和信號輸出3部分完全隔離，安全可靠，外觀美觀。傳感器的規格參數如表1所示。

（三）數據的采集與處理

室內的溫度和濕度傳感器分別設置在大棚中間、在室外無遮擋的地方。數據采集系統界面設定了月平均溫度和濕度，并將有關的趨勢圖表輸出為Excel數據，然后用Excel軟件進行繪圖。數據通信的基本參數如表2所示。

1.數據幀格式定義

數據幀采用Modbus-RTU通詢規約，格式如下：

地址碼=1字節;功能碼=1字節;數據區=N字節;錯誤校驗=16位CRC碼;結束結構≥4字節的時間;地址碼為設備的地址，在通信網絡中是唯一的;功能碼是主機所發指令的功能提示;數據區：數據區是具體的通詢數區，應注意16 bits數據高字節在前;CRC碼：二字節的校驗碼。問詢與應答的格式如表3所示。

2. 特定用途

（1）室內氣溫變化的原因分析

①室內氣溫變化的分析是為了監控溫濕度的變化，使整個孵化過程中保持高出雛率的溫濕度。本實驗在該孵化大棚統計了不同品類的禽蛋高出雛率溫濕度，雞蛋孵化天數及參數如表4所示。鴨蛋孵化天數及參數表如表5所示。

②溫室和室外的夏季氣溫變化

在本區域，夏季（6～8月）氣溫較高，是影響孵化出雛率的重要因素，因此研究夏季大棚氣溫的變化具有重要的意義。根據夏季溫室的溫度變化規律可以看出，夏季的日平均最高溫度在13℃左右。正常工作期間，在極端高溫的環境下，室溫最高可達到45.24℃（最高溫度為43.05℃），在夏季，白天的最低溫度在晚上，室內的溫度基本不變，并且與室外的溫度很接近。

③冬季的日溫差

通過對冬季室內氣溫的變化分析可以看出，冬季可以實現較好的隔熱效果。在正常情況下，大棚內的氣溫在白天要高于室外1 ～ 4℃，中午12：00 ～ 13：00是室內的最高氣溫。室內的最高氣溫約為4℃，高于室外。日最低氣溫發生在19：00 ～ 07：00，這個時段的氣溫基本不變，通常，室內的溫度要高于室外的0 ～ 1℃。

（2）溫室內的水分狀況分析

①全年平均含水量分析

為了反映各月份的濕度差別，本研究以全年內的外濕度數據為樣本，得到了1～12月的月平均濕度和濕度差，以反映各月份的濕度差別。不同季節的月平均相對濕度在62.30%～78.38%，變化不明顯。由于室內裝有濕簾和吹風機，所以可以調節室內的濕度，以保證室內的濕度不超過植株的正常生長濕度。

②冬季濕度的日變化規律

就室內溫度的變化而言，室內的溫度變化是比較穩定的。以某日多云天氣為例，夜間的相對濕度達到了80%，白天的相對濕度基本低于室外。這是因為夜晚的房間比較封閉，所以室內的空氣濕度比較大，保持在80%左右;白天的時候，房間的溫度要高于室外，房間的濕度要低于室外。

（3）夏季開啟濕簾，風機對室內溫度和濕度的影響

本研究選取多云的氣候條件，觀察不同的濕簾、風機對溫室內溫度和濕度的影響。當6：30～8：30時，由于室外的氣溫上升，室內沒有開啟風機等降溫裝置，因此室內的濕度也隨之下降。8：30打開空調后，溫室急劇下降，在0.5h后，室內氣溫達到1～5℃;在0.5h內，濕度突然升高，室內外的濕度差異趨于平穩，通常，室內濕度高于室外的20%～35%。

基于大數據的溫濕度智能采集系統的應用，得到了溫室內外1～12月的平均氣溫和溫差。為了適應各月份氣溫的差異，結合不同的禽蛋需求，實現了孵化生產區域基本達到了夏季降溫、冬季保溫的目的，為孵化場的禽蛋高出雛率生產提供了良好的保障。

三、結語

文章詳細論述了溫/濕度智能采集、溫/濕度的檢測原理，以及溫室內溫濕度智能采集系統的設計，并在落地案例中得到了良好的應用。同時分析了基于大數據采集的溫/濕度數據，給出了孵化生產區域夏季降溫、冬季保暖的溫/濕差參數建議，希望能為國內的孵化行業高出雛率生產作業提供參考。

參考文獻：

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