CN101650574B

CN101650574B - 禽畜养殖环境调控装置

Info

Publication number: CN101650574B
Application number: CN2009100179896A
Authority: CN
Inventors: 柳平增; 毕树生; 薛新宇; 柳建增; 梁勇
Original assignee: 柳平增
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2029-08-27
Also published as: CN101650574A

Abstract

本发明公开了一种禽畜养殖环境调控装置，包括测控单元，所述的测控单元包括智能测控终端，智能测控终端包括有微处理器，与微处理器连接检测器及控制输出，控制输出上连接有控制设备，检测器包括温湿度检测器、氨气浓度检测器，控制设备包括风机；调控装置采用模糊控制，其特征在于：所述的检测器还包括有粉尘浓度监测、光照度检测和风速检测；所述的控制设备还包括有照明装置、雾化装置、加热装置、喷药装置；降温时，装置采用风机与雾化结合的方式进行降温，即温度高于设定值时采取雾化与风机结合方式降温，低于设定温度时采用风机降温。本发明具有风机与雾化结合降温、可多功能检测、模糊控制等优点。

Description

禽畜养殖环境调控装置

一、技术领域

本发明涉及一种调控装置，具体为一种使用模糊控制方法的多功能、雾化与风机结合降温的禽畜养殖环境调控装置。

二、背景技术

影响禽畜生长发育的环境因素主要包括温湿度、粉尘浓度、光照度、氨气浓度及通风状况；因此对此些环境因素的控制对禽畜的生长发育起着重要作用。

目前，小型家禽家畜都是人工饲养，环境一般由饲养员人工感测，感测效果差且不能实时监测控制。

禽畜舍内部环境具有多重复杂性。具体表现在禽畜舍内部是一个非线性***，内部气候处于热平衡混沌状态；是一个大滞后***，对于外界所施加的作用，响应较为缓慢；是一个多变量耦合***，而且各变量之间紧密联系，彼此耦合，对***任一变量的控制，都会影响其它状态的变化；是一个时变***，环境参数幅度随时间变化很大。

禽畜舍内部环境的复杂性使得无法对其进行精确建模，因而不能用经典控制理论来进行控制，也无法用现代控制理论来进行处理。

现有的禽畜养殖环境调控装置一般都是采用风机进行降温，单独风机降温效果不显著，尤其是温度变化较大时效果差。

三、发明内容

本发明针对以上不足之处，提供一种采用风机与雾化结合降温、可实现多功能检测、模糊控制的禽畜养殖环境调控装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种禽畜养殖环境调控装置，包括测控单元，所述的测控单元包括智能测控终端，智能测控终端包括有微处理器，与微处理器连接有时钟芯片、存储器、检测器及控制输出，控制输出上连接有控制设备，

所述的检测器包括温湿度检测器、氨气浓度检测器，所述的控制设备包括风机；

调控装置采用模糊控制器模糊控制，所述的模糊控制器通过所述智能测控终端、变频器及风机实现，检测器通过A/D转换电路连接所述智能测控终端微处理器的输入端，微处理器输出端经过D/A转换器连接变频器，变频器连接输出终端——风机，

所述的检测器还包括有粉尘浓度检测器、光照度检测器和风速检测器；所述的控制设备还包括有照明装置、雾化装置、加热装置、喷药装置；降温时，装置采用风机与雾化结合的方式进行降温

本模糊控制采用单变量二维模糊控制，输入信息包括给定温度和实际温度的偏差值e，温度偏差变化率Δe，输出信息为风机转速u，模糊控制的输入变量e、Δe及u的基本论域分别为[-Xe，+Xe]、[-X’e，+X’e]和[-Yu，+Yu]，各自对应的模糊子集的论域分别为[-n，-n+1，…，0，…，n-1，n]，[-m，-m+1，…，0，…，m-1，m]及[-k，-k+1，…，0，…，k-1，k]，通过分别乘以各自对应的量化因子实现输入及输出变量的模糊化转换；

温度偏差及温度偏差变化率模糊化为13个等级，即：

温度偏差的论域E＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}

温度偏差变化率的论域ΔE＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}

输出控制量模糊化为7个等级，即：

输出控制量的论域U＝{0，1，2，3，4，5，6}

此模糊控制采用以下控制规格表：

上述的禽畜养殖环境调控装置，雾化装置、加热装置、喷药装置由继电器驱动，继电器经光电隔离、放大电路连接微处理器；

照明装置由电压控制固态调压器控制，其经D/A转换、光电隔离、放大电路连接微处理器。

上述的禽畜养殖环境调控装置，所述的智能测控终端上设有无线发射模块RF以及扩展口，智能测控终端通过无线发射模块RF或扩展口与上位机网络连接。

上述的禽畜养殖环境调控装置，与微处理器还连接有键盘显示模块与状态输入模块，所述状态输入模块与显示模块设于电控箱上，通过终端的所述键盘显示模块与状态输入模块实现控制装置的启停操作以及参数输入、运行模式选择功能。

本发明的有益效果表现在：

根据禽畜养殖环境的特点，装置控制中采用了风机与雾化结合的方式进行降温，当温度及变化率低于设定值时通过风机降温即可，当高于设定值时采取雾化与风机结合的方式进行降温，降温效果显著，同时消耗能量低，符合节约原则。

测控单元由智能测控终端及多种外设组成，主要完成温湿度、氨气及气体粒子浓度、风向、光照强度等信息的检测任务，并按预设模式进行自动调控。

风机转速的调整采用了模糊控制算法。模糊控制与传统控制有着本质的区别，它不像经典控制那样需要用精确数字所描述的传递函数，也不像现代控制理论那样需用矩阵表示的状态方程。它通过模拟人脑的模糊思维方法，通过归纳操作人员的控制策略(包括知识、经验和直觉)形成自动控制策略，并运用语言变量和模糊集合理论形成控制算法，最后用具有模糊性的语言条件语句，作为控制规则去执行控制。

智能测控终端采用模块化结构、装置的可扩展性强，使用灵活，靠性高；能自动检测温湿度、粉尘浓度、光照度、氨气浓度及风速等环境因素，检测信息可通过无线或者有限模式发送到上位机。

上位机负责信息的接收、存储、分析与处理，还可对现场智能测控终端进行远程控制。即可通过智能测控终端键盘预设参数及工作模式，也可由上位机遥控操作完成。风机是调控温湿度及粒子浓度等的重要设备，是通过变频器驱动的，便于通过转速调整实现这些参数的智能调控。

装置的运行即可接受上位机指令，也可在终端控制下自动运行，装置的运行分手动与自动两种操作模式，手动操作可通过键盘直接对外部设备进行控制；自动模式下可根据设定参数控制控制设备自动运行。

四、附图说明

图1为本装置的结构示意图；

图2为本发明智能测控终端结构示意图；

图3为模糊控制原理和过程图

图4为发明终端具体电路连接示意图；

图5为图4的A部分放大图；

图6为图4的B部分放大图；

图7为图4的C部分放大图；

图8为图4的D部分放大图；

图9为图4的E部分放大图；

图10为图4的F部分放大图；

图11为本装置电控箱结构示意图。

五、具体实施方式

下述未述及的相关技术内容均可采用或借鉴现有技术。

一种禽畜养殖环境调控装置，包括上位机和现场测控单元，上位机负责信息的接收、存储、分析与处理，上位机利用无线发射模块RF或者扩展接口可对现场测控单元进行远程或者有线控制。

所述的现场测控单元如图1所示包括智能测控终端11、电控箱12、雾化装置13、照明装置14、加热装置15、通风喷药装置16和检测器17等组成。

智能测控终端11如图2所示：包括微处理器111，与微处理器111上连接设有时钟芯片112和存储器113、控制输出117、键盘显示114、状态输入、检测器，无线RF模块115，输出设备——LCD显示116，控制输出117上连接有控制设备。

所述的检测器17主要包括温湿度检测器、粉尘浓度检测器、氨气浓度检测器、光照度检测器、风速检测器。

所述的控制设备主要包括雾化装置13、照明装置14、加热装置15、通风喷药装置16。

微处理器111连接的键盘显示114与状态输入，通过终端的键盘可实现控制装置的启停操作以及参数输入、运行模式选择功能；所述的键盘显示114设于电控箱12上，状态输入以按钮形式设于电控箱12上。

电控箱结构如图11所示，其上设有以下按钮：雾化启动、雾化停止；二次雾化启动、二次雾化停止；换气启动、换气停止；消毒启动、消毒停止；灯光开启、灯光关闭；自动运行、运行停止；***复位、参数设置及“+”“-”。

键盘显示114可显示温湿度、粉尘浓度、光照度、氨气浓度及时间信息；通过键盘主要实现手动操作与自动控制状态的转换，自动控制时的温室度、粉尘浓度、氨气浓度等的极限值及灯光开闭时间，装置根据设定值通过模糊控制算法模拟人工操作进行自动或者手动控制。

所述的微处理器111选用MSP430F149，MSP430F149是由美国德州仪器TI公司开发的16位微处理器，其突出特点是强大的处理能力以及超低功耗，非常适合于性能要求高、功耗低的场合；存储器113选用AT24C08型号。

所述的环境检测器包括以下类型检测器：

1、温湿度检测器，其选用SHT71检测器，该检测器基于CMOSENS技术的新型温湿度检测器，该检测器将温、湿度检测、信号调理、数字变换、串行数字通讯口及数字校准东功能集成在一起，具有免***元件，测量精度高、可靠性高、长期稳定等特点。

2、粉尘浓度检测器，选用PPD20V来测量。

3、光照度检测器，选用光敏感元件硅光电池实现，通过光敏感元件惊醒光强度采样，然后对输出信号进行调整，调整后在进行输出转换。采用TI公司的TSL230B检测器测量光强度。

4、风速检测器，选用TSI8455，该检测器采用热风力测定技术来测量风速。输出信号分别为0-5V，0-10V，0-20mA等可根据时间需要方便来进行设定。对输出模拟信号进行A/D转换，即可转换成相应风速。

5、氨气浓度检测器，选用TGS826半导体检测器测量氨气浓度。本检测器采用陶瓷基底，对氨气有很高的灵敏度，响应速度快，测量范围为5-100PPM，输出信号是可变电阻值，经调整后再经过A/D转换，最后换算成氨气浓度值。

无线通讯中无线发射模块RF采用通用的射频方式，并采用Lierda公司的LSD-RFC1100A无线数传模块。

现场测控单元的数量可根据现场需要确定安装数量及安装位置，多个测控单元通过无线发射模块RF模块构建无线测控网络。

下面结合附图4具体说明本禽畜环境测控控制智能测控终端的元器件连接方式，图5-10为其放大图。

如图4、图10所示：微处理器MSP430F149的接口2、3、19连接一个存储器AT24C08的接口7、6、1；微处理器MSP430F149的接口50、51连接另一存储器AT24C08的接口6、5。

检测器的连接：

SHT71温湿度检测器连接在MSP430F149的P2.4和P2.5引脚上；

光照检测器TSL230B频率输出信号通过MSP430F149的P2.6引脚连接；

粉尘检测器PPD20V、风速检测器TSI8455及氨气浓度检测器TGS826(先对信号进行调理)通过RM4018采集卡接连接在MSP430F149的扩展RS485通讯接口上J8-1-1上。

雾化启停、加热启停、施药启停等开光量控制信号通过J11端口连接，信号放大电路通过J11连接，放大信号驱动微型继电器，由继电器驱动中间继电器或接触器启动外部负载。

灯光控制主要用于养鸡场等需要补光的场所，白炽灯由电压控制固态调压器控制(HS260IK)，所需模拟控制信号也由J11端口提供的数字信号经D/A转换后提供。

终端即可通过无线方式与上位机进行通讯，还可通过RS232接口J8直接与上位计算机进行连接。

装置的可扩展接口为：

微处理器MSP430F149的接口4、5、6连接接口转换器J4的接口2、3、4；接口转换器J4接口5连接微处理器MSP430F149的接口58。

微处理器MSP430F149的P1、P2接口连接接口转换器J6、J7、J8。

本装置中风机是环境调控的重要设备，采用变频器驱动，变频器模拟量控制信号通过端口J10提供，J10端口输出数字量信号经过光电耦合器隔离后，再进行D/A转换并放大后获得。

智能测控终端通过D/A接口并运用模糊控制算法实现对风机转速的智能调控，原理图与过程图如图3所示。智能测控终端通过以下三个环节实现对风机转速的模糊控制：

(1)输入输出变量的确定及模糊化

根据禽畜环境测控特点，本装置采用单变量二维模糊控制器。输入信息包括温度偏差值e、温度偏差变化率Δe，输出信息是风机的转速u。

若模糊控制的输入变量e、Δe及u的基本论域分别为[-x_e，+x_e]、[-x’_e，+x’_e]和[-y_u，+y_u]，各自对应的模糊子集的论域分别为[-n，-n+1，…，0，…，n-1，n]，[-m，-m+1，…，0，…，m-1，m]及[-k，-k+1，…，0，…，k-1，1]，通过分别乘以各自对应的量化因子即可实现输入及输出变量的模糊化转换。

温度偏差e是给定温度和实际温度的偏差值，在此将温度偏差及温度偏差变化率模糊化为13个等级，即：

输出控制量模糊化为7个等级，即：

输出控制量的论域U＝{0，1，2，3，4，5，6}

下表1为控制规格表：

(2)根据输入模糊量和模糊控制规则计算模糊控制量

模糊控制规则是人的操作经验和专家控制知识的总结，通常总结成模糊控制规则表。确定模糊控制规则的原则是装置输出响应的动静态特性达到最佳。基本思想是：当误差为负大时，若误差变化为负，此时误差有增大趋势，为尽快消除已有的负大误差并抑制误差变大，控制量的变化取正大；当误差为负而误差变化为正时，装置本身已有减少误差的趋势，为尽快消除误差且不超调，应取较小的控制量。当误差大或较大时，控制量以尽快消除误差为主；当误差较小时，选择的控制量应注意防止超调，以稳定性为主要控制目标。根据此原则，得模糊控制查询表如表1所示。

由表1可见，该模糊控制表可看作一个二维模糊数组存储在存储器中。根据此表可根据采样时刻的Ei和ΔEi，方便地查找到所对应的Ui。

将模糊控制表看做二维数组在ROM中的存储形式为：

FUZZY-DATAS：

DB 06H，06H，06H，06H，06H，06H，06H，04H，04H，

02H，00H，00H，00H，00H

DB 06H，06H，06H，06H，06H，06H，06H，04H，04H，

02H，00H，00H，00H

DB 00H，00H，00H，12H，14H，14H，16H，16H，16H，

16H，16H，16H，16H

DB 00H，00H，00H，12H，14H，14H，16H，16H，16H，

16H，16H，16H，16H

(3)把模糊控制量去模糊化，转化为实际控制量。

经过上述模糊推理后，模糊控制器的输出是一个模糊论域的离散值，需乘上比例因子K_U。输出比例因子K_U作为模糊控制器的总的增益，它的大小影响着控制器的输出，也影响着模糊控制装置的特性。K_U选择过小会使装置动态响应变长，过大会导致装置振荡加剧，需要调整K_U为适当值。K_U可经现场反复实验确定。

装置有两种工作模式，一是人工直接操控模式，另一个是自动测控模式。

人工直接操作模式下，可直接操作键盘实现对调控设备的直接操作。装置默认方式为手动操作工作模式，手动按下雾化启动，装置显示雾化启动，智能测控终端发雾化启动命令，终端通过光电隔离、放大后，使微型继电器动作，由微型继电器控制接触器吸合，控制雾化电机启动，由雾化电机带动泵启动，实现雾化降温；按下雾化停止按钮，则停止雾化。二次雾化是在第一次雾化的基础上，通过开动雾化喷头附近的风机或风扇使雾粒进一步细化。启动与停止操作与雾化启动停止类似。换气启动、停止装置主要用于调空禽畜养殖室内的气体含量及湿度调整。手动按下换气启动，微控制器发换气启动命令，经过隔离、方法，使微型继电器吸合，再驱动接触器使风机得电启动，可调整禽畜养殖环境内的粉尘浓度、二氧化碳浓度、氨气浓度及湿度调整；按换气停止，则风机停止。按消毒启动，则启动消毒电机，由消毒电机驱动泵实现对养殖环境的消毒液喷洒；按消毒停止键则停止消毒。手动操作灯光开启键，则开启禽畜养殖环境内的白炽灯进行室内亮度调整，白炽灯由不亮变微亮，再逐渐变亮，经过约1.5分钟后全亮；当按下灯光关闭键时，灯光由全亮状态逐渐变暗，约经过1.5分钟后灯光彻底关闭。

自动测控模式下，先根据季节、禽畜种类、禽畜发育期等因素设定相应参数，如灯光开启、关闭时间，温湿度上下限值，氨气、气体粒子浓度值。设置参数时，先按参数设置键，装置提示输入密码，当输入密码正确时，可顺次输入灯光开、闭时间、温度上下限值，湿度上下限值，氨气浓度上下限值及粉尘浓度粒子上下限值。当设置完某个参数后按参数设置键转到下一个参数设置，按“+”或“-”即可实现参数设置值的增减。当参数设置完毕后再按参数设置退出参数设置界面，然后按自动运行键，装置即按设置参数按照设定的模糊控制算法，模拟人工操作实现禽畜养殖环境的自动调控。当设定灯光开、闭时间到时，灯光自动启动和关闭，温度超过上限值时，开启雾化及风扇进行降温，当气温逐渐下降到下限值时按照设定算法逐渐停止雾化与风扇。氨气浓度及粉尘浓度达到上限值时，自动开启排风扇进行自动调节。

冬季气温较低时，二次雾化启动、停止控制可接加热装置，以实现冬季禽畜环境的加温控制。

Claims

1.一种禽畜养殖环境调控装置，包括测控单元，所述的测控单元包括智能测控终端，智能测控终端包括有微处理器，与微处理器连接有时钟芯片、存储器、检测器及控制输出，控制输出上连接有控制设备，

其特征在于：所述的检测器还包括有粉尘浓度检测器、光照度检测器和风速检测器；所述的控制设备还包括有照明装置、雾化装置、加热装置、喷药装置；

降温时，装置采用风机与雾化结合的方式进行降温

温度偏差及温度偏差变化率模糊化为13个等级，即：

输出控制量模糊化为7个等级，即：

输出控制量的论域U＝{0，1，2，3，4，5，6}

此模糊控制采用以下控制规格表：

2.根据权利要求1所述的禽畜养殖环境调控装置，其特征在于：雾化装置、加热装置、喷药装置由继电器驱动，继电器经光电隔离、放大电路连接微处理器；

3.根据权利要求1所述的禽畜养殖环境调控装置，其特征在于：所述的智能测控终端上设有无线发射模块RF以及扩展口，智能测控终端通过无线发射模块RF或扩展口与上位机网络连接。

4.根据权利要求1所述的禽畜养殖环境调控装置，其特征在于：与微处理器还连接有键盘显示模块与状态输入模块，所述状态输入模块与显示模块设于电控箱上，通过终端的所述键盘显示模块与状态输入模块实现控制装置的启停操作以及参数输入、运行模式选择功能。