家禽舍内环境智能控制系统的研究进展*

2016-03-27连京华李惠敏孙凯殷若新陈为京

家禽科学 2016年10期

关键词：禽舍氨气家禽

连京华，李惠敏，孙凯，殷若新，陈为京

（山东省农业科学院家禽研究所，山东济南 250023）

家禽舍内环境智能控制系统的研究进展*

连京华，李惠敏，孙凯，殷若新，陈为京**

（山东省农业科学院家禽研究所，山东济南 250023）

研究家禽舍内环境控制技术是保障家禽正常遗传潜能发挥的首要条件，也是预防禽病发生的关键。家禽养殖环境的好坏对家禽的健康和生产效益意义重大。合理地利用环境智能控制技术，将舍内温度、湿度和各种有害气体等控制在最适的范围内，是禽群健康发育、安全生产的根本保障。本文概述了家禽舍内环境智能控制系统的研究进展，从环境智能控制系统的核心部分-主控单片机、环境参数采集控制器、智能控制的算法等方面进行了综述。

禽舍；环境；智能控制；单片机；传感器

随着互联网+技术的融合发展，家禽养殖环境智能化、自动化控制技术的研究与应用越来越成熟，它促进了家禽生产的高效管理，显著提高家禽养殖效益。众所周知，家禽生产主要受品种、饲料、疫病、生长环境和技术等诸多方面的影响，其中环境因素所起的作用约占20%～30%[1]。在现代化家禽生产中，规模化、集约化的封闭式、高密度的饲养方式占据主导地位，舍内环境的控制更为重要。正是由于养殖环境的重要性，目前对环境自动监测和智能控制技术的研究如火如荼，已成为业内科研人员和企业研究的热点和重点。

1 主控单片机方面

主控单片机，即数据采集板，是家禽舍内环境控制系统的核心部分，主要功能是存储、运行、计算环境控制箱智能化程序。刘金华选用美国NI公司的PCI-6024E作为系统的数据采集板，它具有性能优良、价位低的特点，可实现信号采集、信号模拟输出及定时、计数等功能[2]；钱东平等采用基于PCI数据采集卡的数据采集卡，通过PCI总线实现并行32位传输数据，数据采集卡可进行3通道循环采集，支持中断方式和查询方式读取数据，开发畜禽舍环境温度自控系统[3]；黄伟锋针对大型家禽养殖场环境监控的需求，研究建立一种分布式多变量环境自动监控系统，该系统由以单片机ATmega128为核心的监控中心和以单片机ATmega16为核心的智能监控终端组成[4]；考虑到系统的整体性能要求和性能指标，姜荣昌选用宏晶科技生产的价格低廉、性能优良的STC12C5A60S2(LQFP-44)微处理器芯片[5]；邵林选用STC89C52作为主控单片机，该芯片使用改良后的MCS-51内核，拥有灵巧的8位CPU，使其能够将灵活有效的解决方案提供给众多嵌入式应用系统，适用于禽舍多点位的环境监测系统[6]；在Zigbee无线通信组网技术和网络监测平台的基础上，从希选择了DSU1115-0601芯片作为家禽舍内环境智能监控系统的节点单元模块，完成对采集信号的无线收发的功能，通过相应的传感器采集家禽舍中的各种环境因子[7]。

2 环境参数控制器方面

影响家禽生长发育的环境因素有很多，主要包括温度、湿度、空气中有害气体（氨气、硫化氢、二氧化碳、甲烷、一氧化碳）、光照以及噪音等，但笔者认为需要监控的重要指标为温度、湿度、光照以及有害气体氨气、二氧化碳、粉尘等。

2.1 温度控制器舍内环境温度是影响家禽生长发育和生产性能发挥的重要因素。盖春华使用LM35DZ集成温度传感器，设计了一种禽舍环境温度远程监测控制器，可以预先设定控制温度，实现自动控制风机进行通风换气[8]；刘金华采用JWSL热型电阻温度传感变送器，感温元件为灵敏度高、线性好的PT1000铂电阻[2]；钱东平等利用模糊控制算法设计的禽舍环境温度监控系统，采用变频调速装置对风机转速进行调整，高温时，风机自动开启进行降温[3]；薛新宇利用瑞士Sensirion公司开发的基于CMOSens技术的SHT71新型温湿度传感器，开发了禽舍养殖环境温湿度参数采集系统，该传感器将温度、湿度传感器、信号调理、数字变换、串行数字通信口及数字校准等都集成一起，具有免外围元件、长期稳定等特点[9]；黄华等采用PIC18F2580芯片，开发了畜禽舍温湿度控制系统，温度测量精度达±0.4℃，湿度测量精度达±3.0%RH，降温效果显著，有效缓解热应激对家禽的危害[10]；姜荣昌选用瑞士Sensirion公司生产的SHT10温湿度传感器与CMOS芯片技术融合，开发出高集成度、高可靠性、高精度的温湿度测控系统[5]；邵林选用一款由长英科技开发的具有数字化探头的智能化温湿度测量模块LTM8901，可独立完成温度、湿度的测量，也可以联网组成数字化多点监测系统；从希采用专用的数字模块采集技术与温湿度传感技术相结合AM2302数字温湿度传感器，具有高准确性和长期稳定性[7]。

2.2 湿度控制器舍内中的湿度来源于家禽群体的呼吸和地面、饮水、粪便中蒸发的水分，适宜的湿度为60%～70%。舍内保持一定的湿度，在高温下可辅助降低温度，并有助于降尘，净化空气。

湿度传感器的湿敏元件是利用表面薄层的水分吸附原理制作而成，材料对水分子不仅有物理吸附，还会产生化学反应，造成湿敏元件测量的重复性差。刘金华采用JWSL型高分子湿敏电容湿度传感变送器，其具有线性好、精度高、响应时间快、使用温度范围宽、使用寿命长等优点。湿敏元件为HS15型日产高分子感湿探头，可连续高温使用，抗结露，常温下使用不需温度补偿[4]；刁统山采用IH3605-B陶瓷传感器，利用微细孔分布的金属氧化物理陶瓷主体吸附水分后，导电性质发生变化的原理制成，因此具有性能稳定、体积小、灵敏度高和测量范围宽等优点[11]；孙凯等利用瑞士Sensir ion公司推出的基于CMOSens技术的新型温湿度一体的传感器SH T71,该传感器将温度、湿度传感器、信号调理、数字变换、串行数字通讯口及数字校准等都集成在了一起,具有免外围元件,长期稳定等特点[12]。

2.3 光照强度控制器适宜的光照强度对家禽生长发育、性成熟以及生产力都具有重要的作用，光照不足和光照过量都会对家禽产生不良影响。

薛新宇利用TI公司的TSL230B传感器开发了畜禽舍光照强度信息采集传感器，该传感器采用先进的LinCMOSTN工艺，主要由多晶硅光电二极管和单片CMOS电流频率集成转换器构成[9]；邵林选用一款由北京迪辉科技开发的具有较高灵敏度的照度传感器DZD-T4V1,配合高精度线性放大电路，有多种光照测量范围和信号输出类型[6]；从希采用一种数字型光强度传感器BH1750FV1，用于两线式串行总线接口的集成电路[7]。

2.4 氨气浓度传感器禽舍中的氨气主要由粪便、饲料残渣等含氮有机物分解产生。禽类对氨气反应特别敏感，氨气被吸入呼吸道后，可引起上呼吸道粘膜充血、支气管炎，严重时引起水肿、肺出血等。同时污染大气环境，引起土壤和水体酸化。禽舍中的氨气浓度不宜超过15mg/m3，幼龄阶段不宜超过10mg/m3。

常见氨气传感器类型有金属半导体传感器、电化学传感器、导电高聚物传感器和光纤传感器。刘金华和黄伟锋采用JB-QT-TON90ATN氨气气体传感变送器，设计了氨气浓度检测装置；刁统山采用化学发光NO-NO2-NOX分析仪进行氨气浓度的测量，针对现场采集的数据中存在缺失或异常值等问题，采用数理统计的方法对因传感器故障而引起的缺失或异常数据的恢复性估计进行了深入的探讨，提出了采用多元线性回归的方法对连续采样数据中的缺失部分进行估计和恢复，不仅从理论上分析了这种方法的可行性，而且阐述了算法的实现；姜荣昌选用美国RAE Systems公司的4NH3-100氨气传感器和TI公司的PGA204数字放大器，设计了氨气采集系统；从希选用郑州炜盛科技公司生产的ME4-NH3电化学式气敏传感器作为检测氨气的传感器；孙凯等选用MIC系列固定式气体检测变送器，检测空气中氨气的百分含量（%LEL）浓度，并将浓度按正比关系转换成4～20mA标准信号输出[12]。其技术特点为：完全实现了三线制气体变送器的数字化、智能化；4-20mA信号和标准RS485数字信号输出，可实时与计算机进行通讯。

2.5 二氧化碳气体传感器二氧化碳是由禽体呼吸而产生的，在通风良好的情况下，不至于危害家禽的健康。常用的二氧化碳传感器类型有半导体传感器、电化学式、绝缘体传感器和非分红外型传感器。

刁统山选用CEA-800型号的红外二氧化碳分析仪，利用比尔定律和气体对红外线的选择性吸收原理进行二氧化碳的测定；黄伟锋选用Figaro公司的固体电可测型二氧化碳气体传感器TGS4160，与处理模块AM-4配合使用，与二氧化碳浓度值呈线性关系，开发了畜禽环境监控设备；姜荣昌选用国产蓝月科技的B-530二氧化碳传感器模块，设计了禽舍养殖环境二氧化碳监测系统；邵林选用由蓝月科技研究开发的拥有世界上最轻、最小的NDIR技术的红外二氧化碳传感器S100，使用寿命在10年以上；从希选用郑州炜盛科技公司生产的MH-Z14作为监测CO2的传感器，利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的二氧化碳进行探测，具有很好的选择性，无氧气依赖性，寿命长。

2.6 粉尘浓度传感器粉尘是由无数形状不规则、大小不一的颗粒组成，主要包括灰尘、粪尘、饲料粉末、皮屑、羽毛屑、垫料碎末等易于悬浮于空气中的颗粒物。粉尘微粒易沉降在肺泡内，并可携带病原微生物，传染疾病。按照我国行业标准规定，一般禽舍中粉尘浓度最高允许值为4.2mg/m3。孙凯等选用光学式粉尘浓度检测变送器，型号为DS200[12]。其特点为可作为测试环境灰尘的参考，适用范围0～50mg/m3，实现自动实时采样，可长期使用；友好型设计，使维护更简单；满足国家《环境空气质量标准》和WHO对于颗粒物的空气质量准则值所规定的数值范围测试要求。

3 智能控制的算法

建立家禽舍环境智能控制系统，应根据被控对象的特点和所要达到的控制精度，选择恰当的控制算法，通过合理的控制技术，达到环境自动控制的要求。刘金华采用模糊控制算法开发温度控制系统，以达到禽舍环境中参数变量的优化控制，实现环境控制的自动化、智能化；钱东平等利用模糊控制算法建立禽舍环境温度的数学模型，对禽舍环境温度状况进行实时监控，增加了测控过程的稳定性，提高了环境温度测控的精度和效率，适应了现代化家禽业科学生产和自动化管理的要求；杨军等基于控制逻辑算法设计了鸡舍环境监控系统，并提出一种基于专家系统的远程视频诊断鸡病的方法[13]；针对禽舍饲养环境具有多变量耦合的特点，邵林提出了一种多测点传感器监测方案以适应其复杂的饲养环境，应用最优加权算法对单一环境因子数据进行局部融合，应用改进后的D-S证据理论算法对4种环境因子数据进行整体融合，并根据整合结果对舍内环境状况做出准确判断，为家禽营造舒适、健康的成长与生活环境。

4 展望

4.1 环境控制是家禽生长发育和生产性能优势发挥的关键性因素，受到业内科研工作者和企业生产管理人员的高度重视。近年来，尽管在智能化、自动化环境控制系统方面研究与应用较多，但该项技术还不够完善，不够成熟，期盼加大该领域的研究、开发和实践应用。同时，加大氨气、粉尘传感器的开发力度，早日研发出灵敏度高、稳定、寿命长、质优价廉的传感器。

4.2 在“互联网+”时代，4G/5G网络高速发展，智能手机、平板电脑等已为家禽生产与管理者普遍使用的通讯工具。研发基于移动终端的家禽智能环境监控系统，实现通过诸如智能手机等设备来远程监控、操纵禽舍环境控制系统，也是一个重要的研究方向。

[1]李惠敏，连京华，孙凯，等.家禽环境自动化控制技术研[J].中国家禽,20.

[2]刘金华.基于虚拟仪器的畜禽舍环境监控系统研究[D].保定：河北农业大学，2003.

[3]钱东平，王建新，隋美丽，等.畜禽舍环境温度监控系统模糊控制算法的实现[J].农业机械学报，2005，36（12）：95-98.

[4]黄伟锋.CAN总线在禽舍环境监控领域的应用研究[J].微型机与应用，2010（14）：89-91.

[5]姜荣昌.畜舍养殖环境监测系统的设计与实现[D].东北农业大学，2013.

[6]邵林.多传感数据融合技术在畜禽舍环境监测系统中的应用研究[D].保定：河北农业大学，2013.

[7]丛希.基于ZigBee技术的畜禽舍环境监控系统研究[D].长春：吉林农业大学，2013.

[8]盖春华，李丽花，彭连群，等.畜禽舍环境温度远程监测控制器的设计与应用[J].气象水文海洋仪器，2001，4：006.

[9]薛新宇，柳平增.畜禽养殖环境测控系统研究[J].农业装备技术，2008，34（5）：22-24.

[10]黄华，牛智有.基于 PIC18F2580的畜禽舍温湿环境控制系统[J].现代畜牧兽医，2009（3）：34-38.

[11]刁统山.禽畜饲养场有害气体测控系统研究[D].镇江：江苏大学，2006.