新型养殖场环境温度控制系统的设计

窦伟山 段学习 吴增伟 刘永娟

摘要：本系统设计主要用于养殖业室内温度控制。采用主控单元与功能控制模块分离的方式，通过RS485接口进行级联通讯，克服传统温控系统功能单一，不可扩展的缺点。采用划区域定点温度控制，解决以往控制系统控温不均的问题。区域温度支持多点无线温度采集检测，以实现对不同区域温度的精细控制。

关键词：温度控制；单片机；养殖业

随土地等不可再生资源的日益紧张，采用科学技术提高单位面积下的产出成为现代化养殖场经济增长点的关键性指标。温度在鸡的生长过程中起着至关重要的作用。如果温度过低，雏鸡容易受凉导致拉稀或产生呼吸道疾病等；为了取暖容易造成扎堆，影响采食和活动，造成伤残，严重时会造成大量死亡。鸡舍的温度需要随鸡龄的变化而改变。鸡舍养殖期间忌讳发生忽冷忽热，忽冷忽热极易造成冷热应激现象，从而引起用药或免疫失败。因此，适宜的温度控制是养鸡场必须解决的技术关键。

鸡舍温湿度监控系统调控鸡舍温度是利用温湿度控制系统来监测和控制温度，通常通过控制湿帘、空调、加热器等来调节温度，使温度处于恒定状态。另外鸡舍内的空气质量直接影响鸡的健康。在进行换气处理的时候对于进入鸡舍的空气做一些相应的除尘净化及灭菌消毒处理能降低鸡流感等疾病的发生概率。

1 京津冀地区村办养殖场温控系统现状

京津冀周边县市郊区村办养殖场原有室内温度控制系统主要由热风炉、水帘、负压风机等设备组成用于维持室内温度恒定。在养殖场厂房的一侧集中安装负压風机，另一侧设有进气口并装有热风炉和水帘机，通过水帘机和负压风机的配合达到通风换气的效果。运用负压风机来向外排出空气从而使室内气压下降，形成负压区，由于气压差空气补偿流入室内。在进气口到负压风机之间形成对流。在这期间，关闭靠近负压风机附近的门窗，强迫空气从进气口一侧门窗流入厂房。空气由进气口流入厂房，经厂房流过，由负压风机排出厂房。这种方式换气率可达99%，能够解决通风不良问题。水帘风机又称空气冷却器，由轴流式风机与冷却排管等组成。水帘风机依靠风机强制空气流经箱体内的冷却排管进行热交换，使空气冷却，从而达到降低室温的目的。这种温度调节方式节能减排，性价比较高。随着养鸡规模的不断扩大，这套温控系统的弊端就显现出来。通过调查得知，该养殖场室内面积为43×23m2，分成两个室，每个室内装有3层鸡笼，每层又分成若干小区域，每个小区域有3到6排小鸡笼，每个小鸡笼内装有7～8只鸡。在养殖场投产初期，养殖密度低，通过这套设备对各室进行温度控制取得了良好的效果，但是随着养殖规模的增大，温度的控制已经力不从心，鸡的生长环境恶化。据统计，目前该养殖场的养殖量达到1.7万只时就会经常出现鸡死亡大量的情况。

经分析发现以下几点不足：

1）厂房面积的增大致使原有风机设备功率不足，室内温度变化变得缓慢，时间增长，空气流动变缓，通风效果明显变差，不利于鸡的生长。

2）由于鸡的生长速度的原因，室内不同区域鸡的大小分布不同，那么对于小区域温度无法控制，也不利于鸡的生长。

3）规模的增大致使室内温度信号的采集难以控制，不能实时的有效的监测温度，温度的偏差大，不利于鸡的生长。

为此，我们在原有的基础上对温度控制系统进行优化改造，极大的缓解了规模增大带来的不利因素。

2 新型温度控制系统的设计

考虑到不同区域养殖鸡对温度的需求不同，改造后的温度控制系统采用主控单元与功能控制模块分离的方式，通过RS485接口进行级联通讯，解决了传统温控系统功能不可扩展的缺点。采用划区域定点温度控制，解决以往控制系统不能实现区域独立控温的问题。通过对区域内多个温度采集点的温度采集值确定本区域温度控制送风量，以实现对不同区域温度的精细控制。同时用户可以根据自己的规模需求进行增减采购，提高了产品的适应性，也为用户节省开支。

对厂房室内布局进行改造如图1 室内设备安装示意图。

图1为改造后的室内设备布局图的俯视图。由于我们将室温进行划区域控制，因此首先将温室通过中间设计的风墙一分為二，为了降低成本将风墙设计为密封中空的，利于室内气体的排出；其次，将每个大室有分成若干个小的区域，可以分为10个小区域，总共20组，这样有利于区域温度的采集。然后，我们将换气通道设置为顶部通气，每个区域顶部管道距离顶层鸡笼留有适当的距离，同时相邻区域留有一定的空间，以防管道直吹到鸡上，造成鸡的不适。为了实时采集准确的温度信号，我们在出风口周边设置多个采集点进行温度检测，提高温度的准确均衡。为了达到良好的降温效果，我们将水帘机换成大功率的制冷机设备。

采用主控单元与功能控制模块分离的方式，如图2 功能模块通讯示意图所示，系统通过RS485接口进行级联通讯，克服传统温控系统不可扩展的缺点。实现控制系统“集中管理区域控制”的集散控制方式。不同的控制单元实现分离控制，不互相制约影响，这样能够实现针对不同区域不同温度要求进行独立控制，从而满足不同区域中不同种类的鸡对温度的适应，大大提高了鸡的生长效率，解决了原有系统温度一刀切的问题。同时，用户可以根据自己的养殖规模来确定区域温度控制单元的数量，从而解决用户成本。

部分养殖场采集温度监控点的温度采用无线多点温度采集系统[2]，运用无线数据通讯方式与主控制器通讯传输温度数据，不仅减少了布线难度，更易于测温点的安装、调试和扩展。下位机和上位机组成了无线温度采集装置。下位机由无线收发模块、温度采集模块、液晶显示模块、微处理器单元和电源模块组成，其系统组成示意图如图3所示。

电源模块包括电池、充电模块、稳压模块。用通用锂电池充电器给充电模块充电。当外部电源供电时，充电器为锂电池供电并通过LM11173.3稳压模块稳压输出DC3.3V供给系统；当外部电源停电时， LM11173.3稳压模块将锂电池DC4.2V电压变为DC3.3V供给系统，锂电池电压经电阻分压直接供微处理器外部低压检测中断比较器进行比对，当电池电压降为3.8V时，报警提示。

为降低显示功耗，显示模块采用LCD 1602A。LCD1602A内置字符发生器ROM，可提供160种工业标准字符，可据微处理器供电电压选择DC3.3V或DC5V供电方式。DC5V供电时工作电流2mA。

温度采集模块采用温度传感器18B20[1]。18B20抗干扰性强，适合于恶劣环境的现场温度测量，支持3V～5.5V的电压范围。测量温度范围为55℃～125℃，精度为±0.5℃。

无线模块采用NRF24L01。NRF24L01是一款新型单片射频收发器件， DC1.9V～3.6V为其供电电压，工作频段为2.4GHz～2.5GHz ISM，频道总数有125个。内置晶体振荡器、频率合成器、调制器、功率放大器等功能模块。NRF24L01功耗低，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。RS485通过工业用RS232转RS485接口实现。原理图如图4所示。

上位机与下位机硬件电路类似，去掉温度传感器DS18B20的接口电路，MAX3232CPE增添扩展接口RS232C。PC機的通讯就是运用RS232C接口。

通过电动风阀对风道闸口的控制实现对进气量的控制，从而实现对温度的控制。电动风阀在五金、建材、化工、养殖、电站等行业中的环保、通风工程的含尘热风或冷风气体管道中，作为气体介质切断装置或调节流量。电动风阀由电动机带动驱动执行机构，使闸板在相应角度范围内自由转动以达到启闭或调节介质流量的目的。我们在每个区域的风道口设置一个电动风阀，对不同的区域设置一个温度标准。当检测装置检测到区域温度高于或低于标准温度时，温度控制系统可以根据实际情况给出相应的信号来驱动电机带动执行机构调节风阀的开度，来调节进气量。我们可以设定一个温度范围，比如设置3℃，当区域温度上升或下降標准温度的±3℃，我们可以设置风阀加大或减小一个角度控制进气量，来实现对区域温度的调节。

3 结论

通过对原有养殖温控系统的优化改造，实现了对室温的局部区域独立自动控制，形成了“集中管理局部控制”的集散控制系统，为室内不同种类鸡的成长提供了更为有利的成长环境。采用无线多点温度采集，使温度的检测控制更精确。通过此方式用户可以根据自己需求进行采购，提高了产品的适应性，也为用户节省开支，提高了营收效益。

参考文献：

[1]张佳伟，刘成忠.基于STC89C52RC的养殖区温控系统设计.甘肃农业大学学报，2014（2）：161165.

[2]查方勇.基于DC18B20的多点温度采集系统设计与实现.黄冈师范学院学报，2011（12）.