基于PLC的牛舍无线智能环境监控系统

孙涛 单慧勇 张学炜 赵辉 卫勇

摘 要：为了有效监测和控制牛场中的牛舍环境参数，提出基于PLC的多节点牛舍无线智能环境监控系统。选用各类传感器实现牛舍环境中光照度，温度，湿度，CO2，H2S，NH3，风速等环境参数的实时监测，由PLC控制现场数据的采集处理以及风机、喷雾降温设备、遮光帘等的工作状态，并采用经验公式对热应激进行预警。通过巨控GRM500模块搭建现场数据云存储与远程监测系统，实现历史数据的保存、分析与处理，为养殖环境参数评价提供分析依据。初步实验测试结果表明，该系统能快速调节牛舍环境参数，使热应激水平得到有效控制，且具有智能化程度高、响应速度快、可靠性强等特点，对于牛的健康生长，特别是预防热应激具有重要意义。

关键词：牛舍;热应激;环境监控系统;PLC;GRM500模块;可编程控制器

中图分类号：TP277文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）03-00-04

0 引 言

目前我国养殖业的规模不断扩大，养殖场饲养密度也较高，使得畜舍中的环境非常差，缺乏有效的调控策略与手段，热应激水平没有得到良好的控制，因此给养殖业的发展带来了较大阻碍[1]。近些年，一些大、中型饲养场在这方面做了一定的工作，但大多设备都是从清洗设备、温室降温设备中移植过来的，不但成本高，而且不能较好地适应牛的生理特点。因此，研制一种适合牛生理特点，特别是适合中小牛场、养牛个体户需要的成本低廉的牛舍环境监控系统，对于监测和调节牛舍环境，预防热应激，以使牛舍达到适合牛生长的环境要求是非常必要且有意义的[2]。

现代化的养牛业需要调节牛舍环境，提高劳动效率与生产力[3]。本文设计基于PLC的牛舍无线智能环境监控系统，该系统的主要功能是实时监控牛舍中的各种环境因素，通过PLC自动调节牛舍环境，并基于各种环境因素进行预测，提前改变环境，从历史环境数据与热应激水平的变化规律对牛舍环境进行调控，从而使整个系统更加智能化、自动化，并节省劳力、降低牛的发病率、预防热应激。

1 系统总体结构

基于PLC的牛舍无线智能环境监控系统以监测牛舍中牛的生长环境为出发点，利用环境参数采集模块、无线传输模块、智能远程控制模块、PLC、变频器、风机、固态继电器、遮光帘、喷雾降温设备等装置实现对牛舍环境的监测并自动或远程控制。

系统总体结构如图1所示。首先通过各种环境参数采集模块传感器把牛舍环境参数转化为电流信号，通过无线数传模块传输到PLC识别并保存在PLC的局部储存器中;然后PLC与智能远程控制模块、触摸屏等上位机通信，预制程序的PLC在适当时机驱动执行设备运转，以预防牛的热应激，触摸屏上的组态画面用于现场监测和手动控制;同时，智能远程模块将牛舍环境参数传输到云端，用户与系统维护人员通过登录网站即可查看牛舍的组态画面并可手动控制施控设备[4]。

系统的执行设备有轴流风机、热风机、喷雾降温设备、遮光帘、电动窗户等，每个设备并不单单影响唯一的环境因子。如温度控制，如果检测温度高于设定值，PLC就会发出相应指令控制开启轴流风机和喷雾降温设备，但这必然又会影响环境湿度。针对以上情况，根据环境因子的不同重要性，设置优先级，即温度>湿度>光照度等。根据优先级关系设计相应的级控程序[5]。

2 硬件设计与选型

2.1 PLC选型

根据系统的控制要求确定I/O点数时，应增加约10%的备用点数，便于控制要求改变时增加控制功能。系统中PLC的I/O点数：4个数字输入量、4个数字输出量，见表1所列。

根据系统I/O点数、经济性、存储器容量、控制精度等方面的指标，选取国产信捷PLC，继电器输出工作电压为AC 110～240 V，通信接口为RS 485，RS 232。

2.2 传感器选型

从实用性与价格等多方面因素考虑，选用威海精讯电子科技公司的各类环境传感器，包括湿度传感器、温度传感器、光照传感器、NH3传感器、H2S传感器、风速传感器。工作电压为DC 12～24 V，RS 485信号输出，具有信号稳定、精度高，测量范围宽，线性度好，便于安装，传输距离远等特点。

2.3 无线传输设备选型

根据系统设计理念中牛场内短距离无线传输的特点，选用成都亿佰特电子科技公司设计生产的无线数传电台，其载波频率为433 MHz，发射功率为17 dBm，无线通信距离最大为1 km，接口类型有RS 232和RS 485。高速传输在连续传输下不限数据长度，实现9 600/19 200等波特率的连续不间断传输，支持Modbus协议。定长传输方式下可灵活配置参数，将数据包以高效的方式传输，实现低延迟、高响应。

2.4 现场触摸屏选型

显示设备选择具有可视化与按键功能且性能稳定的MCGS触摸屏。该触摸屏是一款以低功耗CPU为核心（主频600 MHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏，预装了MCGS嵌入式组态软件，具备强大的图像显示和数据处理功能。

2.5 远程模块选型

选用广州巨控科技开发的智能远程控制终端。该控制器采用一种非透傳模式的GPRS方案，通过厂家提供的云服务器和OPC组件进行数据交互，用户无需搭建服务器，无需固定IP地址或动态域名，所有设备和监控端只需接入Internet网络即可。用户只需使用一台可以上网的电脑或手机，就能在制定网站上输入用户名和密码登录进入现场组态画面，并通过关联下位机PLC的软元件对环境参数进行读写操作。

2.6 执行设备

为了预防热应激，需要给牛舍降温。采用效果显著又廉价的喷雾降温设备，利用其动力强劲的水泵配合微口径的喷头，在牛舍中进行喷“雾”。造雾降温系统散发到空气中的水微粒在汽化过程中吸收周围环境中的大量热量，蒸发冷却从而降低周围环境温度。这种利用自然水的物理降温法环保无害。

采用轴流风机和热风机调控环境湿度，前者通风换气，后者强力干燥。为了得到智能微调的效果，需要给风机调压。固态继电器体积小，使用便捷，是由微电子电路、分立电子器件、电力电子功率器件组成的无触点开关，控制端与负载端的隔离利用光电耦合或脉冲信号。固态继电器输入端为PLC的高速脉冲信号，利用其对信号进行PWM脉宽调制，驱动风机等大电流负载，从而达到智能调压，灵活控制风机的功率。

采用自动遮光帘也可对牛舍进行温湿度调节。由精度高、稳定性强的步进电动机驱动遮光帘的滚轮滑动，两边安置限位开关，主控模块PLC综合控制其运动。另外，利用简单机械连锁设计的步进电机驱动的电动窗户同样由主控模块PLC综合控制，可对牛舍的自然通风实现精确控制，自动化程度较高。

3 智能环境监测系统的软件设计

3.1 下位机PLC程序设计

3.1.1 PLC主程序设计

PLC主程序设计流程如图2所示。PLC上电，寄存器写入初始化值后进行系统设置，选择是否更新参数或选择工作方式。工作方式分为手动与自动模式，手动模式中选择环境参数设置模式或设备驱动模式，自动模式为系统自动运行。当这两种模式遇到设备故障时，系统停止运行并报警。

3.1.2 系统自动工作子程序设计

系统自动工作是指在数据采集与执行设备运转之间自动循环，其子程序设计流程如图3所示。系统上电启动后，各传感器检测到环境参数后送到PLC寄存器中，当该值超出正常范围后，PLC驱动相应设备调整工作状态。待环境参数回归安全范围后，施控设备回归正常工作状态。

3.1.3 模糊PID控制算法设计

系統执行器除了程序预设的分级调控运行外，还引入模糊PID控制供用户使用。该设计将PID参数自整定与模糊理论相结合，通过将操作技术人员的操作经验和专家的设计理念进行模糊化，并储存模糊化的控制规则于控制器中，能够将传回来的实时检测信号进行模糊化并且与控制器中储存的模糊规则进行对比，最终得出控制的输出信号，智能分配各执行设备的工作功率，更快地调控环境参数[6]。

3.2 上位机组态设计

触摸屏和GRM500模块是系统显示储存的核心器件，系统框图如图4所示，具备以下可视化组态功能：

（1）每个用户有单独的用户名和密码，对用户进行分级管理，根据权限进行相应的操作。系统维护方可监控所有用户的牛舍，以便于进行数据分析，及时更新和提高系统的控制精度，并反馈给用户。

（2）能显示用户各牛舍的环境参数及施控设备运行状态，绘制各牛舍环境参数实时曲线。

（3）实时控制操作现场设备或设定环境参数。

（4）保存环境参数历史数据，并以曲线、报表形式显示。

（5）显示热应激水平参数，当热应激水平超标时报警。

3.3 热应激预警显示设计

利用THI指数法体现对牛生长有重要影响的热应激水平。将环境参数中的温度和湿度值代入下式：

THI=0.81T+（0.9T-14.3）×R+46.3

式中：THI表示牛舍环境温湿度指数;T表示牛舍平均温度（单位：℃）;R表示牛舍平均湿度（单位：%RH）。

（1）当72≤THI≤79时，牛处于轻度热应激状态;

（2）当79

（3）当THI>88时，牛处于高度热应激状态[7]。

将THI指数和热应激状态显示在组态界面中，使得环境检测更加全面直观。

另外，为确保稳定性，系统设置热应激预警。当出现意外情况，环境参数朝不可控方向发展时，系统通过远程通信模块及时向业主或维护人员发送预警信息，便于人为操控，避免不必要的损失。

3.4 多节点环境参数采集设计

为避免牛舍角落阴暗潮湿等特殊情况影响环境调控，系统设计了多节点环境参数采集，在牛舍内不同位置安放环境参数采集装置，综合多节点环境参数，取均值作为牛舍整体环境参数考察指标。

4 远程通信设计

上位机远程智能模块GRM500通过RS 485总线协议与下位机PLC进行数据交换，对内部寄存器状态进行实时读取，映射到与之相关联的内部寄存器中。用户只需按照说明书添加从机设备，按照PLC内部软元件地址进行关联即可。将手机SIM卡插入或连接到Internet，将安装通用组态软件的电脑接入网络，利用巨控公司的Internet云监控服务器即可实现无线远程监控。

远程网页监控数据显示主界面如图5所示。对于每个牛舍中的PLC主控制器，将其内部寄存器空间分为环境参数、系统开关、设备运行状态三个部分。系统上电后，采集实时环境参数，进入适宜环境参数设定界面，设定值默认保存上一次设置。系统分为自动运行与手动运行两种工作方式，用户可查看执行设备运行状态并手动控制。

点击变量值，进入变量修改界面，如图6所示。可手动修改PLC主控制器寄存器中所有的开关量与数值量，实现对系统运行状态与执行设备的远程控制，如切换手动/自动运行与改变轴流风机运行功率。

网页端还配置了实时数据曲线图和历史数据曲线图。实时曲线如图7所示，用于直观反映环境参数水平。

5 结 语

本文系统完成了对牛舍温度、湿度、CO2和有害气体含量信号的采集与处理，并用于直接控制现场环境与环境预测，提前改善环境。PLC将监测数据传送至智能模块、组态软件、触摸屏等上位机保存，上位机可设定下位机PLC 的工作参数，完成对历史数据的保存、分析与处理，实时显示牛舍现场的环境状况，从而实现对牛舍的监控，有效预防热应激效应。

参 考 文 献

[1]谢江昂，傅童生.奶牛热应激研究进展[J].动物医学进展，2008，29（9）：82-85.

[2]孙跃飞，郭景峰.干热气候下奶牛舍环境调节的理想设备：蒸发降温系统[J].中国奶牛，2005（5）：47.

[3]李素青，何金成，朱亨银.奶牛热应激的诊断方法研究[J].中国农机化学报，2014，35（6）：259-262.

[4]汤泽锋，盛强，陆波.基于Modbus-RTU通信的温室环境智能监控系统设计[J].工业控制计算机，2017，30（2）：75-76.

[5]范哲超，陆明. 基于国产PLC的光伏供电温室控制系统设计与实现[J].江苏农业科学，2017，45（15）：225.

[6]吴渊.基于模糊PID的循环水温度控制系统研究[D].成都：电子科技大学，2013.

[7]王改香.夏季奶牛热应激的诊断和预防[J].兽医导刊，2014（6）：69.

[8]黄斌，谢国进，梁武三.基于混合型模糊PID的加热炉温度控制系统应用[J].电气传动，2018，48（2）：43-46.

[9]汪春燕，曹俊.基于物联网的温室智能监控系统设计[J].数码世界，2018（1）：338.

[10]韩佳良，刘建新，刘红云.热应激对奶牛泌乳性能的影响及其机制[J].中国农业科学，2018，51（16）：3162-3170.