奶牛养殖场全自动无线智能环境采控器研发

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论文摘要

  引言

  黑龙江省地处世界公认的奶牛、玉米生产带,畜牧业是黑龙江省经济发展的主导产业。截至 2012 年初,黑龙江省奶牛存栏数已突破 260 万头余,成为奶牛养殖大省,现已形成以奶牛产业链条为主的畜牧业基本格局和框架,基本上实现了“主辅换位”。随着黑龙江省奶牛业的迅速发展,在奶牛养殖过程中逐渐出现了一些问题,生产效益不仅取决于奶牛的品种和科学的饲养管理,还取决于奶牛的饲养环境。对于大型集约化奶牛养殖场的封闭式牛舍内环境,在奶牛个体周围存在小气候,包括温度、湿度、有害气体浓度、通风、光照等因素。若小气候条件恶劣,将使奶牛的生产能力下降,发病率和死亡率上升。研究表明,冬夏季舍内环境的不利会使奶牛生产性能下降 10% ~20% ,严重影响到奶牛的健康与生产力。规模化奶牛场的舍内环境控制已成为我国在奶牛养殖过程中亟待解决的重要问题,而对处于冬季较为寒冷的东北地区,其奶牛生产就显得更为必要和紧迫。现奶牛养殖场舍内环境采控器的管理多数采用手动或半自动方式,需要大量人力完成监测及控制工作,难以保证舍内环境因素时时达标,影响奶牛的生产性能。同时,已有的奶牛养殖场舍内环境自动采控器的数据采集过程相对比较简单,数据存储功能较弱,远程通信距离较近,已经不能跟上现代化畜牧业发展的步伐。因此,研发奶牛养殖场全自动无线智能环境采控器,可以依据养牛场环境参数多点采集,通过无线传输模块传送至上位机,由上位机发送控制信号启动养牛场环境调节装置。现场环境采用手动或自动两种模式,实现养牛场环境全自动无线智能控制。上位机配有大容量存储器,可长期对现场采集的环境数据进行储存,为奶牛繁殖及产奶量等分析提供完善、充足的环境数据。

  1 系统硬件架构

  全自动无线智能环境采控器主要由上位机( PC机) 、下位机( 单片机) 及数据无线传输 3 部分组成。

  采控器通过下位机及辅助设备实时监测牛舍内多点温度、湿度、有害气体浓度、通风及光照等舍内小气候参数,通过无线传输将现场采集的环境数据上传至上位机进行分析和存储。系统能够根据采集的舍内温、湿度自动控制通风、遮阳等设备的启、停; 根据舍内有害气体浓度自动开启通风设备; 若北方秋冬季节自然光照射不足,可以启用人工照明装置。采控器下位机配有液晶模块 12864 实时显示采集的各参量,方便管理员现场控制各执行机构。系统总体结构图如图 1所示。【图1略】

  1. 1 温度控制电路

  奶牛借助产热过程与散热过程的热平衡来适应外界环境。当温度在一定范围内时,牛的代谢作用与体热的产生处于最低限度,把这个温度范围称为“等热区”。奶牛的等热区为 9 ~ 16℃。当牛舍环境温度高于“等热区”很多时,如气温达到 27℃,奶牛的呼吸和体温随气温而增加,采食量减少,甚至停食、流涎,严重时会中暑死亡; 若温度低于“等热区”温度下限值时,奶牛会提高物质代谢作用,以增加热点。因此,牛舍温度应维持在等热区范围内,才能有利于奶牛养殖。奶牛舍适宜温度如表 1 所示。【表1】
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  目前,规模化奶牛场的养殖规模不断扩大,同一养牛场中有多栋牛舍,且不同区域的温度也会因为奶牛的聚集程度不同而有所差异。因此,本采控器采用多点温度采集电路,可以通过设置不同牛舍号在上位机上实现对多牛舍环境温度数据分别采集和监控,提高舍内温度采集的精确度,方便管理,降低成本。

  本系统温度控制电路采用美国 DALLAS 公司生产的“一线总线”数字化温度传感器 DS18B20,测温范围为-55 ~ +125℃ ,在-10 ~ +85℃ 范围内精度为±2℃ 。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性能,适合于恶劣环境的现场温度测量; 支持 3 ~ 5. 5V 的电压范围,使系统设计更灵活、方便。所以,本系统选择 DS18B20 作为测温元件。温度传感器电路如图 2 所示。【图2】
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  1. 2 湿度控制电路

  舍内空气湿度变化也会影响奶牛体热的散发,且湿度变化与温度变化有直接关系: 一般湿度越大,体温调节范围越小。若处于高温、高湿状态下,奶牛机体水分蒸发不顺畅,使奶牛体温迅速上升; 若处于低温、高湿状态下,奶牛体热散发过快,使体温迅速下降。空气湿度在 55% ~85% 时,对牛的直接影响不显著; 但高于 90% 对奶牛危害极大。因此,牛舍内空气湿度不应超过 85% 。

  湿度传感器采用 HS1100,属于电容式湿度传感器。由于电容不可直接测量,故选用 555 多谐振荡电路检测频率,由单片机计算出电容值,再根据电容值算出相应的湿度值。图 3 为湿度传感器 HS1101 电路图。【图3】
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  由电路可知,555 多谐振荡电路的检测频率为【1】
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  1. 3 有害气体浓度控制电路

  新鲜的空气是促进奶牛新陈代谢的必要条件,并可减少结核病、口蹄疫等疾病的传播,同时也有利于奶品的卫生。奶牛通过呼吸,每分钟吸入空气 55L。

  呼出的气体与空气的成分大不相同,氮的含量增加到79. 05% ~ 79. 93% ,氧的含量减少,二氧化碳则增加数倍。牛舍内空气的二氧化碳含量比一般室外空气的含量高 2. 2% ~ 3. 2% ,甚至 5% 。所以,要防止传染病的传播,牛舍内一定要保持温暖、敞亮、干燥、通风良好,尽力减少空气中的灰尘。冬季牛体周围的气流速度以 0. 1 ~ 0. 2m/s 为宜,最高不超过 0. 25m/s。

  牛舍内有害气体最高限量为: 氨 26mL/L,硫化氢66mL / L,一氧化碳 24mL / L,二氧化碳 1 500mL / L。灰尘自然尘降量最高容许度为: 每次测定容量 0. 33kg/m2,雾霾日为 0. 15mg/m3。

  本系统对牛舍内氨气浓度进行检测与控制,在采用通风换气对氨气浓度进行控制的同时,也可实现对其它有害气体的浓度的控制。考虑到牛舍内环境特点,本系统采用 JB-QT-TON90ATN 氨气气体变送传感器,精度为±5% FS,输出信号为 4 ~ 20mA 标准电流信号,通过 A/D 转换,与单片机相连。

  1. 4 光照控制

  据研究表明,通过增加光照使产奶期奶牛每天的光照时间达到 15h,可提高奶牛产奶量 8% ~ 10% 左右; 增加粗饲料采食量 10% ~ 16% 左右,可较大幅度的提高奶牛养殖的经济效益。因此,对于奶牛舍内光照参数,可根据养牛场所处地理位置及季节合理调整人工补充光照时间。人工补光时应注意以下几点:①灯泡分布均匀,每只灯不能超过 60W; ②光线以白光或黄白光为宜; ③人工光照时有时无,光照时间时长时短,会扰乱奶牛的生物学反应,应保证电源可靠、供电稳定。为使人工补光时间准确,节省能源、节省人工,本系统采用定时器控制每天开关灯时间。由于冬夏自然光照射时间长短不同,为保证奶牛每天的光照时间,系统采用光敏电阻 PGM5526,其阻值随光源强度变化而改变。利用 PGM5526 构成简单的电阻分压网络,电路如图 4 所示。当舍内光照强度发生改变时,光敏电阻的阻值发生改变,影响输出电压,将采集的输出电压通过变送器送至单片机,再根据光敏电阻特性参数利用程序实现标度还原成对应的光照值。通过软件设置人工光源开启及关闭,以保证奶牛每天的光照时间。【图4】
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  1. 5 显示电路

  系统采用 OCM12864 液晶显示器,可以显示各种字符及图形,可与 CPU 直接接口,具有 8 位标准数据总线、6 条控制线及电源线; 可以显示 8×4 行 16×16点阵的汉字,低电压、低功耗是其显著特点。

  由于 12864LCD 显示器可以显示 4 行汉字,而舍内温、湿度及有害气体传感器均为多点分布,因此将 4行汉字中的第 1 行显示奶牛舍号、实时时间及光照时间,第 2 行滚屏显示多点温度传感器采集的舍内温度信号,第 3 行滚屏显示多点湿度传感器采集的舍内湿度信号,第 4 行显示有害气体传感器采集的舍内氨浓度。液晶显示电路如图 5 所示。【图5】
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  1. 6 无线传输电路及存储电路

  本系统各牛舍下位机与主控室上位机通信采用无线传输方式,数传模块采用宇泰公司生产的 UT-901。该模块是一款自主研发的工业等级的无线通讯模块,支持 MODBUS、ASCII 码协议,并支持各种点对点、一点对多点的无线数据通讯方式,具有收发一体、安全隔离、安装隔离、使用简单、性价比高及稳定可靠等特点。载波频率: 433MHz SIM 频段,标准为 16 个信道可设; 可选的通讯接口: RS-232、RS-485、RS-422; 电气接口: RS - 232 接口 DB9 针形连接器,RS -485 /422 接线端子,SMA 接口; 保护等级: RS-485 /422接口每线 600W 雷击浪涌保护; 供电电压: 9 ~30VDC,供电电流: 9V400mA; 标准传输速率: 1 200、2 400、4 800、9 600、19 200、38 400bps; 工作方式: 收发一体,异步半双工; 信号指示: 3 个信号指示灯电源( PWR) 、发送( TXD) 、接收( RXD) ,天线阻抗 50Ω ( 标配为360°旋转可 90° 折叠 SMA 接头天线) ,无线收发芯片采用品牌功放,发射功率可选( 40、150、405、520mW) ;工作温度: -40 ~ +80℃; 工作湿度: 10% ~ 90% RH,无冷凝; 传输距离: 无线433MHz 载波300m( 最大功率发射空旷距离) ,RS-485/422 可传输 1 200m( 1 200 ~38 400bps) 。

  在牛舍内环境参数采集的过程中,需要将重要的数据长期保存,以便后期进行数据的分析处理,因此在单片机外部接有深圳华胄公司生产的 FM24C256存储器。该存储器采用铁电技术制造的 256K 位的非易失 性 存 储 器,数 据 掉 电 后 可 以 保 存 10 年。

  FM24C256 以总线速度进行写操作,无需延时,可以承受 100 亿次的读写操作,同时无需内部电压提升电路,具有非常低的写操作功耗。FM24C256 的连接方式为 1、2、3、4、7 引脚直接接地,8 引脚接电源电压,5、6 引脚接单片机且需要接 51k 的上拉电阻。存储器电路如图 6 所示。【图6】
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  2 系统软件架构。。

  当系统的硬件结构搭建完成之后,系统软件的开发起着至关重要的作用。软件设计中,首先上电初始化,完成对各单元电路的初始化,单片机控制各采集电路采集相关数据,并在 12864LCD 上显示。同时,通过无线数传模块将采集数据上传至上位机,根据奶牛生长过程中所需要的舍内温度、湿度、氨气浓度、光照时间的范围,利用软件设置其极限值,当采集数据超过正常范围时,则可控制水帘、风机及人工补光设备的启动或停止。系统上位机及下位机均可实现自动或手动控制,节省人力、物力。系统下位机软件主流程图如图 7 所示。【图7】

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  3 结语

  本系统利用 AT89S52 单片机设计的奶牛场无线智能环境采控器,具有成本低、结构简单、易于实现及操作方便等特点,适合规模化养牛场的自动控制。本系统通过牛舍内温度、湿度、氨气浓度及人工补光参数的控制实现多点采集,经无线传输模块传送至上位机,由上位机发送控制信号启动养牛场环境调节装置; 现场环境实现手动或自动两种模式,实现养牛场环境全自动无线智能控制。上位机配有大容量存储器,可长期对现场采集的环境数据进行储存,为奶牛繁殖及产奶量等分析提供完善、充足的环境数据。

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