分娩母豬舍仔豬智能保溫控制系統設計

摘要：為解決傳統仔豬加熱裝置難以滿足不同日齡仔豬體感溫度需求、能耗高等問題，設計一種分娩舍仔豬智能保溫控制系統。分娩舍仔豬智能保溫控制系統根據豬舍養殖環境因子如溫度、相對濕度和風速，推算仔豬當前的體感溫度，智能和集群調節保溫設備的輸出功率，以滿足不同階段日齡仔豬對體感溫度的需求。開展分娩母豬舍仔豬保溫控制系統試驗，試驗結果表明，該系統能夠將仔豬體感溫度控制在設定溫度區間內，體感溫度波動范圍在±0.75℃內。不同日齡下體感溫度數據計算出的變異系數均小于0.1，表現為弱變異性，說明體感溫度的離散程度較小，系統控制體感溫度效果相對穩定。該研究為分娩母豬舍環境調控提供參考。

關鍵詞：分娩舍；仔豬；智能保溫；嵌入式控制；集群控制

中圖分類號：S828; TP272

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 070054 07

Design of intelligent thermal insulation control system for piglets in delivery female piggery

Zeng Zhixiong1， 2， Wu Xiquan1， Dai Ye1， 3， Luo Zhijie1， Tu Xiang4， Lü Enli1， 5

（1. College of Engineering， South China Agricultural University， Guangzhou， 510642， China; 2. Key Laboratory of

Intelligent Equipment for Modern Agriculture in South China， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Guangzhou，

510630， China; 3. Guangzhou Ga’en Technology Co.， Ltd.， Guangzhou， 511363， China; 4. Guangdong Mechanical amp;

Electronical Polytechnic， Guangzhou， 510550， China; 5. Guangdong Provincial Laboratory of Modern Agricultural

Science and Technology， Maoming Branch Center， Maoming， 525000， China）

Abstract：

In order to solve the problem that the traditional heating device can not meet the somatosensory temperature requirements of piglets of different days of age and high energy consumption， the intelligent heat preservation control system for piglets in the delivery house was designed. According to the environmental factors such as temperature， relative humidity and wind speed in the piggery， the intelligent insulation control system was designed for piglets to calculate the appropriate range of somatosensory temperature and adjust the output power of the insulation equipment intellectively and in cluster to meet the demand of somatosensory temperature for piglets of different stages and days of age. The experiment of the piglet insulation control system in the delivery mother pig house was carried out， the experimental results indicated that the system could control the somatosensory temperature of piglets within the set temperature range， and the somatosensory temperature fluctuation range was within ±0.75℃. The coefficient of variation calculated from the somatosensory temperature data at different ages was less than 0.1， which showed weak variability， indicating that the dispersion degree of somatosensory temperature was small， and the effect of systematic control of somatosensory temperature was relatively stable. This study can provide reference for the environmental regulation of delivery sows.

Keywords：

birthing house; piglet; intelligent thermal insulation; embedded control; cluster control

0 引言

我國生豬養殖業呈規模化、集約化發展，PSY指標（Pigs Weaned/Sow/Year，每頭母豬每年所能提供的斷奶仔豬頭數）不斷增加［1， 2］。在分娩舍的仔豬養豬中，熱蠕變區的范圍尚未適應每窩仔豬數量的增加，仔豬的生長福利受影響［3， 4］。并且仔豬自身體溫調節機制不完善，也容易受到豬舍養殖環境因子的影響［5］。根據Vasdal等［6］的報道，日齡為7天前的仔豬傾向于相互擠挨，說明剛出生仔豬需要較高溫度的環境，對于哺乳母豬，適宜的環境溫度為16℃～27℃，該溫度范圍難以滿足出生1周的初生仔豬所需的溫度（28℃～34℃）［7］，在仔豬的非疫病死亡原因中，主要是環境溫度過低，仔豬靠近母豬取暖而被母豬壓死［8， 9］。在規模生豬養殖場中，哺乳母豬與仔豬處于同一分娩舍環境內，為了實現減少仔豬死亡率和提高日增質量，需要對仔豬進行局部供暖［10］，為不同日齡的仔豬提供適齡的體感溫度，需開發智能保溫燈溫度控制系統滿足仔豬在不同日齡內的體感溫度需求。

國內外學者對仔豬局部保溫設備進行了相關研究。Juliana等［11］開發了基于PID技術的溫度控制系統，結果表明能改善豬場仔豬的熱舒適性，PID控制器的節能效果和生產性能優于恒溫控制器。Karina等［12］使用通過監測仔豬皮膚溫度來控制加熱系統，實現精準溫控的同時能耗更低。Zhu等［13］提出了基于T-S模型的ANFIS自適應神經模糊控制模型，對豬舍環境溫度進行實時控制。張繼成等［14］設計了一種規模化養豬場仔豬小環境智能加熱保溫系統，通過預設仔豬生長各階段適宜溫度范圍，實現自主精準控溫，滿足仔豬生長對溫度的需求。李頎等［15］通過收集分娩舍環境因子信息并建立溫度動態模型系統，應用該模型系統控制器使得分娩舍溫度能夠追隨模型溫度。周曉容［16］、張葉茂［17］等設計的仔豬保溫箱智能控制系統，但保溫箱體積較小，能夠容納的仔豬數量少，且只針對單個分娩舍內仔豬的環境溫度控制。馮江［18］、張礦偉［19］等分別設計了基于自適應模糊PID控制算法和雙模糊自適應PID控制系統，都能夠滿足豬舍環境中溫濕度值需求。仔豬智能調節保溫控制系統取代傳統保溫設備輸出特定功率系統是分娩母豬舍仔豬養殖智能化發展的趨勢。

本文根據國內外的豬舍保溫控制系統研究現狀，設計了一種分娩母豬舍仔豬智能保溫集群控制系統。該系統具有檢測多路溫度、相對濕度、風速的傳感器和多路可控硅調壓輸出，結合環境因子，推算出體感溫度，智能和集群調節多個保溫燈的輸出功率，滿足不同日齡仔豬所需的環境參數。體感溫度相對于環境溫度更貼近仔豬舒適溫度，可為提供仔豬更佳的生長環境。

1 系統框架設計

分娩舍仔豬保溫智能控制系統主要由嵌入式主控系統，溫度、相對濕度和風速檢測模塊，無線通訊模塊以及保溫設備四個部分組成。結合溫度傳感器、相對濕度傳感器、風速傳感器的數據來推算出體感溫度，通過判斷體感溫度，分段式調節燈的加熱功率。關系框架如圖1所示。

其中體感溫度計算使用的是羅伯特·史特德曼發表《體感溫度的通用公式》［20］，公式為

AT=1.07T+0.2e－0.65V－2.7

（1）

e=RH100×6.105×exp17.27T237.7+T

（2）

式中：

AT——體感溫度，℃；

T——環境溫度，℃；

e——水氣壓，hPa；

V——風速，m/s；

RH——相對濕度，%。

1.1 系統硬件設計

硬件部分主要包括嵌入式控制芯片，溫度、相對濕度和風速檢測模塊，無線通信模塊，雙向可控硅驅動器以及保溫燈。

主控芯片采用STM32F103VCT6；

傳感器包含溫度傳感器DS18B20、相對濕度傳感器PR3005WS、風速傳感器WD4200。其中溫度傳感器的測溫范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃時，精度為±0.5℃，相對濕度傳感器的測濕度范圍為0%RH～100%RH，精度為±3%RH，輸出為0～20 mA信號，風速傳感器的測風速范圍為0～2 m/s，精度為FS0.02%，分辨率為0.01，輸出為0～20 mA信號；

通訊模塊包含4G網絡模塊L768HU、WIFI模塊ESP-07S；保溫設備包含雙向可控硅驅動器MT2AC-1-220V200A、保溫燈JM216L（功率250 W）。

1.1.1 環境溫度、相對濕度和風速檢測方法

1） 為監測分娩舍整體環境的溫度，溫度傳感器選用DS18B20，具有體積小、成本低、測溫精度高的特點［21］。為減少測溫成本，加強DS18B20的抗干擾能力，利用DS18B20特有的單總線系統，如圖2所示。在試驗中，將一根線纜接入多個DS18B20，經測試能夠實現可靠測溫，滿足規模化豬場分娩舍環境的測溫要求。所測試的環境溫度為多個DS18B20溫度傳感器所測出來的平均值。

2） 為了將相對濕度傳感器和風速傳感器輸出的4～20 mA電流信號模擬量轉換為0.6～3 V電壓信號模擬量，設計一種信號轉換電路，如圖3所示，轉換為0.6～3 V電壓信號可經單片機處理后進行后續的程序應用。圖3中，V1、V2、V3、V4、V5為電路1、2、3、4、5點的電壓值，V；Iin為電路AI_1接口的輸入電流，mA；R10為R10電阻的阻值，Ω。

接口AI_1為通過傳感器輸出的4～20 mA電流信號Iin輸入口，電流流過電阻R10，R10兩端的電壓表達式為

V1=R10×Iin

（3）

分析得R6沒有電流流過，所以得電壓關系

V2=V1

（4）

因為R7=R8=R11=R12，所以和TLC272CDR組成運算放大器減法電路，即

V4=V2-V3=V2

（5）

分析得R9沒有電流流過，所以得電壓關系

V4=V5

（6）

所以該電路輸入和輸出的關系為

V5=V1=Iin×R10×10－3

（7）

R10的阻值為150 Ω，當輸入電流信號為4～20 mA時，V5輸出的電壓范圍為0.6～3 V。

1.1.2 保溫燈功率調節方法

通過雙向可控硅交流調壓模塊調節保溫設備的輸出功率，該模塊的輸入信號為4～20 mA的電流信號，信號經過模塊內置處理器調制，將波形放大后經過變壓器驅動雙向可控硅，在一個電壓周期內移相觸發雙向可控硅的通斷，實現調節交流輸出功率，從而控制保溫設備為仔豬局部供熱提供所需溫度，模塊電路框架如圖4所示。

對于嵌入式溫控系統的主控芯片而言，無法直接輸出4～20 mA的電流信號，因此，設計一種信號轉換電路，將主控芯片輸出的PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調整）轉換為適合雙向可控硅交流調壓模塊的4～20 mA電流信號，通過程序設計改變PWM輸出的占空比，進而改變電流信號大小，實現保溫設備的輸出功率調節。基于PWM波的4～20 mA的電流信號轉換電路如圖5所示。圖5中，Iout為CN2接口的輸出電流，mA；V6、V7、V8、V9、V10為6、7、8、9、10點的電壓值，V；R314、R318、R319、R322為R314、R318、R319、R322電阻的阻值，Ω。

接口PWM1為主控芯片通過定時器PWM模式配置輸出0～3.3 V的PWM波，經過一組RC電路濾波過后接入以TLC272CDR運算放大器組成的電壓跟隨器U14A，提高了其帶負載的能力。該PWM波經過電阻R310后接入同相放大器U41A，該同相放大器由電阻R318、R319將運放組成閉環，閉環電壓增益AV計算如式（8）所示。

AV=1+R319R318=2

（8）

其中，R318=R319，閉環電壓增益AV為2，相當于將輸入端電壓放大1倍。輸出的電壓V9=2V8。接口CN2為4～20 mA電流信號輸出端，通過接口CN2接入雙向可控硅交流調壓模塊實現調節交流功率的目的。根據電路特性，接口CN2的電流輸出信號Iout計算如式（9）所示。

Iout=V9－V10R314×103

（9）

輸出端的電壓V10經過RC濾波電路后接入電壓跟隨器U41B，經由電壓跟隨器U41B反饋給上級運放電路，由兩個TLC272CDR運算放大器組成閉環。該電壓跟隨器起到隔離作用，將輸出端負載變化所引起的干擾隔離，保證上一級運放電路輸入端電壓V8的穩定。根據電路特性，V10與V8的關系如式（10）所示。

V7－V8R310=V8－V10R322

（10）

其中，R310=R322，所以輸出端電壓V10=2V8-V7，則

Iout=V9－V10R314=V7100×103

（11）

其中，電壓V7就是主控芯片輸出的PWM波，電壓大小由占空比決定，范圍為0～3.3 V，通過調節輸出的PWM波占空比大小為18%～91%，可以使得電流輸出信號Iout為4～20 mA。

1.1.3 數據的無線通訊

無線通信模塊主要為4G通訊模塊以及WiFi模塊。通過無線通信模塊將分娩母豬舍的環境因子數據傳輸至物聯網平臺以及上位機，使得溫度、相對濕度、風速、體感溫度和日齡信息數據更直觀地呈現在飼養員面前，實現分娩舍養殖環境日常監測與異常預警機制。

1.2 系統軟件設計

1.2.1 控制系統工作任務的設計

分娩舍仔豬智能保溫控制系統以μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統作為程序框架，如圖6所示。

在程序設計上，單片機能夠利用定時器配置通過I/O口輸出PWM，并調用函數改變PWM的占空比。在本系統中設計9個加熱等級。設置單片機定時器的自動重裝載值arr為719，預分頻系數psc為9，輸出極性為高，即PWM輸出函數的比較值越大，IO口輸出端PWM占空比越小，反之比較值越小，IO口輸出端PWM占空比越大。保溫燈加熱等級與PWM輸出函數所對應的比較值，如表1所示。

分娩舍仔豬控制系統核心任務是環境溫度采集任務，在其他任務運行的過程中，需要采用基于仔豬活動區環境溫度進行邏輯處理，通過WiFi任務以及4G任務與外界進行無線通信，因此在主程序中溫度采集任務優先級最高。

1.2.2 保溫燈功率控制邏輯

對于仔豬而言，其生長發育主要受體感溫度的影響。在程序設計上，通過讀取傳感器所測得的數據，反饋至嵌入式溫控系統，通過改變輸出PWM波占空比來調節保溫燈功率，達到調控仔豬活動區溫度的目的。

體感溫度控制邏輯方法如圖7所示。

設置初始化的加熱等級為第六級，單片機上電啟動后，輸出占空比為60%的PWM波，經過信號轉換電路后驅動交流調壓模塊控制保溫設備的輸出功率。每過30 s，通過單片機采集的仔豬活動區的環境溫度、相對濕度和風速，推算出體感溫度，與當前體感溫度的目標值進行對比，如果體感溫度較高，則將加熱等級降低一級，降低保溫燈輸出功率，否則將加熱等級提高一級。通過這種方法能將仔豬活動區體感溫度控制在合適的范圍之內，保證仔豬的正常生長發育環境。

2 試驗驗證及結果分析

2.1 試驗設計

為了驗證分娩舍智能保溫控制系統能夠對仔豬活動區環境因子進行采樣，通過智能保溫控制系統改變保溫燈輸出功率，控制仔豬活動區體感溫度保持在設定區間內，并隨著仔豬生長日齡的變化自動改變體感溫度設定值。

選用長度為300 mm、功率為250 W碳纖維紅外加熱管，并配合保溫燈罩使用。保溫燈架利用鋁型材進行架設，試驗時保溫設備離地面高度為80 cm，加熱輻射可控范圍是以保溫燈正下方為中心，長200 cm×寬200 cm的正方形區域。8個DS18B20溫度傳感器分布在框架周圍，設置在離地10 cm的輻射可控范圍內，其環境溫度為8個DS18B20溫度傳感器所采集到的仔豬活動區實際溫度的平均值。相對濕度傳感器用來測量仔豬活動區的相對濕度。風扇用來模擬輸出0.15～0.4 m/s的風。風速傳感器用來測量風速。最終搭建完成的實物模型試驗如圖8所示。

1） 選取不同生長日齡的仔豬適宜生長溫度作為目標溫度。根據中國國家標準化管理委員會發表的《規模豬場建設》，分娩仔豬豬舍4周齡內推薦空氣溫度的范圍為23℃～36℃，相對濕度的范圍為50%～85%，風速的范圍為0.15～0.4 m/s。根據式（7）和式（8）可算出不同日齡下仔豬所需的體感溫度。其不同日齡下的適宜體感溫度范圍如圖9所示。

2） 通過程序設定1日齡仔豬的活動區目標體感溫度，利用溫度傳感器、相對濕度傳感器和風速傳感器推算得到仔豬活動區的體感溫度，每隔10 min記錄體感溫度數據，共計采集時長為10 h的體感溫度數據。

3） 分別更改生長日齡為7、14、21、28的仔豬對應的活動區目標體感溫度，重復上述試驗。

2.2 試驗結果分析

智能保溫控制系統在設定特定的日齡里一天內體感溫度數據結果如圖10所示。從圖10可以看出，仔豬活動區的實際體感溫度隨仔豬日齡變化而變化，仔豬活動區實際的體感溫度受通風條件以及其他環境因子的影響而造成波動，具體的體感溫度1日齡為（40.86℃±0.72℃），7日齡為（36.15℃±0.54℃），14日齡為（30.00℃±0.53℃），21日齡為（27.52℃±0.52℃），28日齡為（25.01℃±0.57℃），整體溫度的波動區間均小于±0.75℃，并大部分各時間點的體感溫度處于系統所設定的溫度區間內。

從表2可見，生長日齡為1、7、14、21、28天的體感溫度數據的變異系數分別為0.0079、0.0068、0.0092、0.0089、0.0103，均小于0.1，表現出為弱變異性，說明在一天內在智能保溫控制系統作用下，體感溫度的離散程度較小，控制體感溫度效果相對穩定。

3 結論

1） 試驗中設定了系統在生長日齡為1、7、14、21、28日的目標體感溫度運行。試驗結果表明，分娩舍仔豬智能保溫控制系統能夠將仔豬活動區的環境溫度控制在目標體感溫度區間內，體感溫度波動區間均為±0.75℃內。說明保溫控制系統能夠智能響應，滿足不同日齡的仔豬的體感溫度需求。

2） 試驗數據分析結果表明，不同日齡下體感溫度數據計算出的變異系數最大值為0.0103，最小值為0.0068，變異系數均小于0.1，表現為弱變異性，說明體感溫度的離散程度較小，系統控制體感溫度效果相對穩定。

3） 本文設計一種適用于規模化豬場內分娩舍的仔豬智能保溫集群控制系統，分娩舍仔豬智能保溫控制系統能夠針對不同日齡的仔豬設定不同的目標體感溫度，結合各種傳感器測得的環境因子參數，推算出體感溫度，能夠智能和集群調節保溫設備的輸出功率，提供仔豬更適宜的生長環境，為仔豬智能保溫控制設備提供參考。

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