基于GPRS 的远程孵化机自动控制系统

2012-10-25杨正君高丽伟

铜仁学院学报 2012年6期

杨正君，高丽伟

（ 1.杰辉空调设备有限公司，贵州贵阳 550025；2.贵州大学，贵州贵阳 550025 ）

1.引言

在孵蛋的过程中，温度和湿度对胚胎的发育至关重要，同时还要保证良好的通风换气，以保障胚胎能够得到充足的氧气，为了避免胚胎与蛋膜的粘连，还要定期进行翻蛋操作。本系统针对孵化要求设计出利用单片机作为闭环控制系统的控制器，在孵化过程中实现自动控温、控湿、翻蛋、通风、超温湿报警，采用 GPRS 实现远程监测与控制，实现无人值守，减轻人员负担，提高孵化率。

2.系统组成模块

本系统通过温度传感器DS18B20 和数字式温湿度传感器SHT10 采集温湿度，通过控制器对数据进行分析处理，根据当前温湿度值和用户通过键盘控制电路或者 GPRS 远程控制预设的温湿度上下限值和预置值控制风扇和电热丝的启动和停止，以便于对孵化器的温湿度环境实时动态作出调整，达到预设温湿度状态。当超过一定温湿度范围，系统将信号通过 GPRS 发给监控人员，可以实现集中实时监控。本系统可以替代人工控制孵化箱温湿度和翻蛋，减轻人员负担，有效提高孵化率。

孵化器控制系统原理图如图1 所示。

图1 孵化机控制系统原理图

3.总体电路与工作说明

采用C8051F340 单片机作为系统测控单元，以键盘或者通过GPRS 远程监控作为系统的人机控制，通过DS18B20 和SHT10 测量分散在不同地点的孵化机内部温湿度，实时通过PWM 方式来控制风机对温湿度进行自动控制，并实时将当前温湿度和翻蛋情况数据通过GPRS 发给监控人员，其中GPRS 控制器通过RS232 串口与控制器连接，实现远程监控。

总体电路如图2 所示。

图2 总体电路图

4.数据采集模块

4.1.温度采集模块

温度对于孵化率有很大的影响，孵化要求温度控制精度±0.3℃，机内各点温差不大于 0.3℃，为控制精度和各点温差，需要使用多块精度高且通信接口较少的温度传感器。DS18B20 固有测温分辨率为0.5℃，且采用独特的一线通信技术，可以将多个器件挂在一线上。因为一线通信接口，因此对时序有很高的要求，为了保证时序，需要做精确的延时。测温必须先完成ROM 设定，然后通过其提供的功能命令，首先读ROM，在程序中可以通过搜索ROM，ROM 匹配这些指令操作选定挂在一线上多个器件中某一个器件[1]。

4.2.湿度采集模块

高湿会影响尿囊液的排除，造成幼雏毛过长，大肚皮，显得笨重迟钝；低湿会使蛋内水分蒸发过多，造成幼雏体小毛短。因此需要精准的数据传输和稳定性好的湿度传感器。SHT10 应用专利的工业 COMS工程微加工技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性且该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。在使用时应选择CRC 校验，以保证I2C 通讯传输的数据可靠性。不加CRC 校验时，可能会出现温度、湿度读数异常现象；增加了 CRC 校验后，受干扰的数据将会被剔除，不会出现异常数据。所以本系统选择 CRC 校验，提高了抗干扰能力，防止温度、湿度异常数据的出现[2]。

5.控制模块

5.1.风机控制模块

在孵化机的左右两侧上方各设有一排通风口，该通风口不但能够通风换气降温，而且还起着调节上下温差以及控制湿度的作用。良好的通风条件能够提供给胚胎足够的氧气，同时排除二氧化碳，以保证胚胎的气体代谢和生理功能的进行。孵化机的上部有个排风扇，我们可以对采集到的温湿度和预设的温湿度进行对比分析和控制，通过设置它的启停个数以及时间控制通风换气的周期和换气时间。通过OUT0 口输出与转速相应的PWM 脉冲，改变输出方波的占空比使负载上的平均电流功率变化，从而改变负载电机速度，控制风扇的转速[3]。

5.2.电热丝和加热器控制模块

温湿度控制电路是从温度传感器和湿度传感器中获得温度值和湿度值，根据温湿度值控制加热器和电热丝的启动和停止，以便于对孵化器的环境作出相应调整。本系统的加热器系统采用两个不同功率的电热丝组合而成，一个为主加热器，一个为辅加热器；加湿器只用了一个电热丝对水进行加热，增加孵化箱内湿度。本系统通过光耦将加热强电电路与单片机控制电路隔离，防止其干扰单片机的工作。使用继电器功率驱动电路，将小电流驱动转换为大电流驱动，使电热丝在220v 电压下工作。

5.3.翻蛋模块

为定时地对盛放蛋的蛋架翻动一下，避免蛋发生粘连等问题。这里选用L298 这款高电压、大电流电机驱动芯片，用来驱动后面的直流电机，进而控制翻蛋架的旋转。为了保持翻转角度的精确控制，选用了限位开关来控制。其中OUT1 和OUT2 控制翻转的方向，配合限位开关控制翻转的角度大小。

5.4.键盘和显示模块

根据用户的需求调节系统相关的参数变量，包括温度上下限值、湿度设定值，以保证系统可以工作在一个相对稳定的环境中工作。系统会显示从单片机发送过来的显示信息，比如温度值、湿度值、温度上下限值等，给用户一个直观的显示，以便于控制系统根据显示信息做出相应操作。

5.5.GPRS 远程监控模块

系统带有自检功能，当加热设备或者风机出现故障，或者温度超过预设最高上限或者低于最低下限，故障信号将通过GPRS 发送给远程监控人员，及时处理，提高孵化率，减少损失。GPRS 通过RS232 串口与系统控制器连接，GPRS 模块采用一款整合了GSM与GPRS 通信技术的模块EM310。GPRS 模块上电后，进行拨号连接。连接成功后，GPRS 模块发送TCP 连接请求，在收到数据中心的响应后，认为握手连接成功，并通过心跳保持技术，保持永久在线，实现数据的双向通信，从而实现远程通讯、监测与控制[4]。

6.远程孵化机自动控制系统的软件设计

温湿度系统是一种非线性的、滞后的、时变系统，是一个复杂的系统，孵化系统对温度湿度的控制精度要求较高。尤其是温度，微小的温度变化都会显著影响孵化时间和孵化率。控制器通过不间断检测孵化机内的温度、湿度及有关信息，并根据预设的控制参数，对数据进行分析，控制风机和加热设备工作，若发现异常，控制单元能输出报警信号并通过GPRS 发送相关信息。通过GPRS 以一种短消息的方式将此信息发送给总控中心，完成对数据的采集工作，从而实现集中管理和监控，达到无人值守的目的。

系统流程如图3 所示。