基于单片机的鸡舍智能环境控制系统的设计

王冉冉，曹彦博，于 群，李明仪，邵 光，李宝全

（1.山东农业大学，山东泰安271018；2.山东省泰安市泰山中学，山东泰安271000；3.山东泰开电力建设工程有限公司，山东泰安271000）

新产品开发

基于单片机的鸡舍智能环境控制系统的设计

王冉冉1，曹彦博1，于 群1，李明仪2，邵 光3，李宝全1

（1.山东农业大学，山东泰安271018；2.山东省泰安市泰山中学，山东泰安271000；3.山东泰开电力建设工程有限公司，山东泰安271000）

适宜的环境对鸡群的生长显得至关重要，研究设计了该环境智能控制系统。系统以单片机为中央控制器，通过温湿度传感器等设备采集温度、湿度等相应环境参数信息，并传送给具有专家系统的中央控制器，然后控制器经过一定的算法分析，发出信号启动控制设备来改善鸡舍环境。通过试验发现，本环境系统不仅可以节约成本，还极大地节约人力。

鸡舍；智能控制；专家系统

目前我国的肉鸡养殖业呈现出规模化的趋势，主要采取全封闭或者半封闭的养殖方式。这种方式的设计结构必然会影响鸡舍内各种环境因素，形成与外界不同的鸡舍环境[1]。这种鸡舍难以与外界进行环境交换，从而导致不利于鸡只生长的舍内环境，如CO2、NH3等废气浓度过高。由于环境条件可直接影响到鸡的生长和健康状况，因此调节、控制鸡舍环境对鸡只养殖具有重要意义。

我国养鸡企业目前较多采用主观判断和人工采样的方法来监测和控制鸡舍环境参数，准确率比较低、浪费人力，也难以全面监测和控制环境[2-4]。鉴于上述原因研究设计了用于全天候监测和实时调节鸡舍环境的智能控制系统。

1 系统的总体设计

本系统主要由上位机、单片机、传感器、控制模块组成。其中上位机为触摸屏组成的监控系统；控制模块包括通风设备、加热设备、降温设备、喷雾设备、补光设备；传感器包括CO2传感器、CO传感器、NH3传感器、粉尘传感器、风速传感器、温湿度传感器和光照传感器等，分别采集鸡舍内CO2浓度、CO浓度、NH3浓度、粉尘浓度、风速、温度、湿度等环境信息。工作过程如下：传感器采集相应的环境参数信息并将信息传送给具有专家系统的控制器，控制器判断环境是否超标，如果超标则发出指令启动相应的设备来改善环境，当环境参数值达到系统允许的范围内时，控制器发出信号停止设备。系统中设置有手动按钮作为辅助控制设备，通过开关按钮实现控制设备的启停。另外，本系统可以通过设定程序实现根据鸡只日龄的不同适时调整所需环境的功能。系统总体框图和电路设计图如图1、2所示。

图1 系统总体框图

图2 电路设计图

2 系统硬件设计

2.1 单片机选型

PIC16F1937单片机具有功耗低、性价比高、保密性好等优点。它内置看门狗定时器，可有效解决程序陷入死循环和跑飞状态，提高程序运行的稳定性；设有休眠和节电的工作模式并可采用电池供电。因此选用此款单片机作为控制器。

2.2 温湿度传感器的选择

SHTl5型数字温湿度传感器稳定性强，可通过I2C总线直接输出数字量温湿度值；测量精度高，温度测量精度为±0.3℃，湿度测量精度为±2%RH[5].因此系统选用SHTl5型温湿度传感器采集温湿度信息。

2.3 气体传感器的选择

通常鸡舍内CO2、CO、NH3浓度分别低于1 500 ppm、10 ppm、10 ppm为宜。系统中分别选用TGS4161型CO2传感器模块、TGS5042型CO传感器模块、MQ-137 NH3检测模块测量鸡舍内有害气体浓度。TGS4161型CO2传感器模块能耗低，寿命长，对CO2敏感性高，测量范围为350～10 000 ppm；TGS5042型CO传感器测量范围为0～10 000 ppm，电解液为环保型，即使泄露也没有危险；MQ-137 NH3传感器测量范围为5～500 ppm，寿命长，驱动电路简单。以上几种均可满足本系统的要求。

2.4 粉尘、光照和风速传感器的选择

当鸡舍内粉尘浓度小于3.4 mg/m3时最适合鸡只生长。SDS198型粉尘传感器量程为0～20 mg/m3，具有数据准确、响应快、分辨率高等优点；TSL2561型光强传感器芯片具有高速、低功耗、宽量程等特点[6]。JL-FS2风速传感器测量范围为0～30 m/s，具有很高耐候性、防腐蚀和防水性，电缆接插件配合内部进口轴承系统，确保了风速采集的精确性，适用于本系统风速的检测。

2.5 风机组的选择

本系统包含三组风机：第一组基础风机用来保证鸡群的最小通风量；第二组降温风机用来调节舍内温度；第三组为备用风机用来控制鸡舍内有害气体、粉尘浓度。三组风机均安装有变频器来调节风机转速。

2.5.1 降温风机的确定

鸡舍中NH3等气体溶于水后具有腐蚀性，这要求风机具有抗腐蚀性。济南亿家人养殖设备有限公司的9FJ-110A型负压风机叶片采用不锈钢材质、外框采用优质特厚镀锌板、风叶骨架采用高强度铝镁合金热压铸而成，具有抗腐蚀、风量大、强度高等优点，满足系统的要求。

风机数目的计算过程[7]如下：

鸡舍长70 m、宽12 m、高2.5 m（三角形屋顶高3.5 m）；养殖密度：10只/m2；鸡只最大体重：3 kg/只；鸡舍绝热系数：7～9 m3/kg/h；风机排风量：38 400 m3/ h/台，则：

最大通风量=鸡只数量×最大体重×鸡舍绝热系数=70×12×10×3×8=201 600 m3/h

风机数量=通风量/每台风机的排风量=201 600 /38400=5.25=6台

2.5.2 最小排风量和进风口的计算

根据鸡只的生物学需求，鸡只需要最低换气量为0.03～0.13 m3/kg/min，以上述鸡舍、鸡只平均体重2.3 kg、最低换气量0.03 m3/kg/min为例，设定每5 min循环一次，则：

5 min所需排风量=0.03×（70×12×10×2.3）×5=2898 m3

选用2台48英寸风机（566 m3/min），则

风机运行时间=所需排风量/风扇每分钟排风量=2898/（566×2）=2.6 min

即设定风机开2.6 min，关2.4 min.

查阅资料得知，如果安装风门的尺寸为1.12 m ×0.2 m，那么开启一台48英寸的风机时需要开启大约15个上述风门，因此本系统中安装30个风门即可[4]。在此基础上，在侧墙上均匀安装4台36寸风机作为备用风机进行横向通风，用来排出鸡舍内的废气和粉尘。

2.5.3 水帘面积的计算

所选水帘尺寸宽0.45 m、高1.8 m、厚0.15 m.鸡舍最高风速为2 m/s.ASAE[8]推荐的最大过湿帘风速为1.27（10 cm厚）~1.78 m/s（15 cm厚）[9]。鸡舍高度取3 m，计算过程[4]如下：

鸡舍横截面积=宽×高=12×3=36 m2

单位时间过截面的风量=鸡舍横截面积×风速=36×2=72 m3/s

水帘面积=单位时间过截面的风量/过湿帘风流速度=72/1.5=48 m2

水帘片数=水帘面积/（水帘宽度×高度）

=48/（0.45×1.8）=59.25=60片

2.5.4 加热设备

暖气加热设备选用宁津县华龙温控设备厂的3号锅炉和600 mm×700 mm×50 mm规格的暖气片。该锅炉可使每只鸡取暖成本节省2毛，较普通土炉子省煤50%.暖气片采用3003不锈铝，采用焊丝焊接，耐高压能力更强，使用寿命更长。

暖气片数的计算方法如下：

鸡舍需要热量80 W/m2，暖气片散热量100 W，每组暖气片有15片，则

暖气片数=鸡舍面积×80/每片暖气片散热量=70×12×80/100=672片

暖气片组数=暖气片数/每组暖气片数=672/15 =44.8组=45组

本系统还设置有电蒸汽锅炉，当鸡舍内湿度、温度都低于设定值时只开启电蒸汽锅炉即可。电蒸汽锅炉与燃煤、燃气锅炉相比高效、清洁、环保，投资成本低，更重要的是不会产生CO2、CO等有害气体。

为保证鸡舍内加热均匀，选用广州穗迪能源科技公司生产的12 kW的电蒸汽锅炉。该种每台锅炉可加热130 m2，因此选用7台此种锅炉均匀分布在鸡舍内即可。

2.5.5 喷雾设备

雨沃AG-8010-4喷雾主机自带缺水保护，安全性高；自带精细过滤器，可防止喷嘴堵塞；使用寿命长。喷雾压力可达30～70 kg，喷雾极细；停机不滴水；可带70个孔径为0.15 mm的喷嘴。TW1510＞1号雾化喷头孔径为0.15 mm，采用白晶陶瓷锆喷片，超耐磨损；喷帽采用加厚凹面结构，可承受压力高达150 kg.满足系统的使用要求。

根据实地试验，在70 m×12 m的鸡舍内每隔1 m安装一个喷头，安装3列，安装高度2.2 m，共需207个喷头，因此需要3台喷雾主机。每台主机带69个喷头。

2.5.6 补光设备

光照对鸡只的生长影响极大，适宜的光照对鸡只的生长发育、新陈代谢具有重要作用。鸡舍内光照不需太强，一般5～10 lx即可，并且要求灯光亮度均匀。日光灯的功率比较小，比白炽灯更省电，并且光照效率是白炽灯的5倍，所以选用日光灯作为补光设备。

1只20 W的日光灯安装高度为2.0～2.6 m，两灯间距为灯与鸡只距离的1.5倍，灯与墙的水平距离为两灯之间距离的一半，各灯交错安装，均匀分布。如此安装鸡舍内的光照强度即可达到5～10 lx.所以系统选用20 W的日光灯作为补光设备。

一般鸡舍内每平方米大约需要0.7 W，则70 m ×12 m的鸡舍内所需灯的个数：

灯的个数=鸡舍总瓦数/每只灯的瓦数

=70×12×0.7/20=29.4个=30个

20 W日光灯的光通量700～800 lm/只，利用系数：室内取0.4，维护系数：取0.7～0.8，则光照强度为：

平均照度=光源总光通量×利用系数×维护系数/区域面积=750×30×0.4×0.7/（70×12）=7.5 lx.

满足系统要求。

3 结束语

本文以为肉鸡创造一个良好的生长环境为出发点研究设计了该环境智能控制系统。该系统含有多组风机、多种加热设备和降温设备，根据不同的环境参数启动相应的设备，如降温时根据室内外温差大小来确定选用风机降温还是选用水帘降温。除此之外，该系统可以实现根据肉鸡日龄的不同适时自动调整鸡舍环境，从而最大限度地改善鸡舍内的环境。通过本校养鸡实验基地实际试验表明：使用本系统进行养殖可以节约人力成本42%，增加了一定的利润。

[1]金濯，曹元军.封闭式蛋鸡舍环境控制系统的设计[J].农业化研究，2009，9（9）：143-146.

[2]刘艳昌，左现刚，李武举，等．基于FPGA的鸡舍环境监控系统[J].中国农机化学报，2016，4（4）：91-95.

[3]郭侠，沈娣丽，孟雅俊，等．鸡舍环境无线监控系统的设计及实现[J].中国农机化学报，2013，34（5）：243-247.

[4]段晓红.鸡舍环境控制的研究与推广[J].农业工程学报，2005，10（5）：26-30.

[5]王冬霞，张玉辉，洪耀球.温湿度传感器SHT15及其在嵌入式系统中的应用[J].电子设计工程，2011，1（2）：40-43.

[6]姜连祥，汪小燕.基于光强传感器TSL256x的感测系统设计方案[J].单片机与嵌入式系统应用，2006，12（12）：43-45.

[7]龙玉双.密闭鸡舍的水帘降温[J].饲养管理，1994，10（4）：22-23.

[8]ASAE Standard Engineering Practice Data.ASAE Standards，and 50th Edition[M].USA:The society for engineering in agricultural，food and biological system，2003：703-707.

[9]卢真真，吴中红，王美芝，等.湿帘风机降温系统对鸡舍必需通风量的影响[J].中国畜牧杂志，2008，44（23）：50-53.

The Design of Intelligent House Environment Control System Based on MCU

WANG Ran-ran1，CAO Yan-bo1，YU Qun1，LI Ming-yi2，SHAO Guang3，LI Bao-quan1
（1.Shandong Agricultural University，Tai’an Shandong 271018，China；2.Shandong City of Tai’an Province Taishan Middle School，Tai’an Shandong 271000，China；3.Shandong Taikai Electric Power Construction Engineering Co.，Ltd.，Tai’an Shandong 271000，China）

In the present situation，the suitable environment is very important to the growth of chicken group，so the environment intelligent control system is designed.The system uses MCU as the central controller，temperature and humidity sensors and other equipment through the acquisition of temperature and humidity and the corresponding environmental parameter information，and transmitted to the central controller with expert system，then the controller through a certain algorithm analysis，signal starting control equipment to improve the environment of chicken house.Through the experiment we found that the environmental system can not only save costs，but also greatly save human.

house；intelligent control；expert system

TP273

A

1672-545X（2016）11-0093-03

2016-08-24

基金来源：农业发展研究院智能化农业装备研发项目（040-24125）

王冉冉（1979-），男，山东淄博人，博士，副教授，研究方向：电力系统及其自动化；李宝全（1972-），男，河北唐山人，博士，副教授，研究方向：动物环境生理与环境管理。