肉鸡健康养殖环境监测控制系统研建

郑纪业，崔太昌，王风云，黄 洁，孔庆富，孙福来，郝浩宇

（1.山东省农业科学院科技信息研究所，山东 济南 250100；，2.滨州市农业局，山东 滨州 256600；3.山东省实验中学，山东 济南 250100）

经过改革开放40年的持续发展，我国肉鸡生产规模已跃居世界第二，鸡肉已成为仅次于猪肉的第二大畜禽消费品[1]。随着规模化畜禽养殖的发展，肉鸡养殖业正面临着来自动物疫病、环境污染等方面的挑战和冲击，尤其是近几年在不少国家暴发了H7N9 高致病性禽流感的情况下，中国鸡肉产量从2015年开始连续两年下跌，2016年下跌8%，2017年预计下跌11%[2]。相关研究表明环境因素对肉鸡健康生长的影响越来越突出。遗传育种、营养水平和环境条件是影响畜禽生产的主要因素，其贡献率分别为45%、30%和25%[3]。因此，研究建立肉鸡健康养殖环境监测控制系统，平稳控制禽舍环境变化对于减少禽病发病率，推动养殖业的可持续发展至关重要。

陈长喜等[4]提出了畜禽健康养殖预警体系内容，采用三星2440 嵌入式开发板，设计实现了集约化畜禽养殖环境预警与控制系统。周育辉等[5]利用STM32F103R6 构建了畜禽养殖环境远程监控系统，对养殖环境中的温度、湿度、硫化氢、氨气、通风等进行实时监测和控制；为科学合理地调控家禽生长的各种环境因子，杨军等[6]人开发了智能禽舍监控系统，同时结合视频监控和专家系统，提出一种远程视频诊断鸡病的方法；张伟等[7]针对猪舍环境采用无线传感器网络，设计了智能管理模型，实现了猪舍环境的实时感知和远程控制。目前研究多以PLC 控制器为主[8-9]，并且主要集中在氨气、硫化氢等有害气体检测方面，对畜禽舍PM10、PM2.5 等可吸入颗粒物的检测研究报道较少。本文以肉鸡养殖环境质量为监测对象，研究了肉鸡舍环境控制的硬件和软件实现，研发了肉鸡养殖环境监控系统，能够精准监测禽舍环境实时数据，智能控制通风和保温设备的启停，对于改善禽舍环境质量，提高养殖效益具有重要意义。

1 系统整体方案设计

肉鸡健康养殖环境监控系统由感知器、数据采集控制器、执行器及远程服务器等部分组成，总体方案如图1 所示。感知器主要由空气温度传感器、空气湿度传感器、PM2.5 传感器等组成，用于鸡舍环境数据的实时感知；采集控制器用于接收实时数据，并根据用户设定进行比较，决定是否发送控制命令给执行器，控制执行设备的开关；远程服务器用于数据的积累和持久化保存，为后续控制模型的建立和优化提供数据支撑。感知器和数据采集控制器之间、执行器和数据采集控制器之间采用RS485 传输方式，采集控制器和远程服务器之间可采用GPRS、WiFi、433MHz 及以太网等多种形式，根据养殖场实际情况灵活选择。

图1 系统整体方案

2 系统硬件结构设计

数据采集控制器是整个监控系统的核心部分，主要完成禽舍环境数据的实时采集、处理、显示、保存、控制及上传功能，主要由6 个模块组成，其中主控模块采用STM32 微处理器作为主控芯片，其主要功能是对数据进行采集，判断与分析，包括将采集到的数据实时传输到显示屏、保存至本地存储卡、将实时数据上传至远程服务器及将数据的分析判断结果发送到控制模块。通信模块采用了RS485通信方式，其具有传输距离长，抗干扰能力强，可连接传感器多等优点。其主要功能连接MCU 和外部RS485 传感器，作为传感器采集的数据传给主控模块的通道。其连接的传感器包括空气温度、空气湿度、可吸入颗粒物、氨气浓度传感器等，其中在鸡舍选定六个点，每个点都放置一个温湿度传感器，6 个温湿度传感器，采用循环采集的方式，控制器每8秒钟采集一次数据，48 秒一个循环。显示模块主要功能是触摸与显示的功能。采用了7 寸LCD 触摸屏，其优点是可以将更多的数据一次性显示在用户面前，实现用户的可视化操作，大大降低了用户的学习难度和操作成本。存储模块采用一张8G 容量的高速SD 卡，主要功能是实现对采集数据的本地保存，可以让用户方便的查看历史数据。网络上传模块采用网口转串口的模块，其主要功能是实现将采集到的数据发送给远程服务器。控制模块采用5V 的继电器，优点是体积小，稳定且节能。主要功能是连接外部设备，如风机，水泵等，通过MCU 主控芯片下达指令控制继电器的开/关，继而达到对外部设备开/关的控制功能。

图2 系统硬件结构

3 系统软件结构设计

系统软件分为下位机软件和上位机软件2 部分，系统结构如图3 所示。下位机软件实现环境数据的实时采集、处理、显示、存储及上传、系统报警、设备控制等功能；上位机软件实现高并发实时数据流的接收，存储及展示。

图3 系统软件结构图

3.1 下位机软件结构设计

下位机软件移植了μC/OS-III 实时操作系统，μC/OS-III 是基于优先级的内核，可升级，可固化，实现了现代的实时内核的大部分功能，例如资源管理、同步、任务间通信等。其优点是可以实现多任务功能，每个单独的功能都可以封装为一个任务，它的任务个数可以有多个，数量不受限制。任务间可以进行通讯，并且互不干扰。在减少代码的同时，更加的稳定与高效，程序上也更加直观，方便程序员的阅读与移植。下位机软件系统共建立了4 个任务，每个任务及功能分别为：任务1：获取环境数据、数据处理、控制、存储；任务2：获取温度数据并显示；任务3：触摸、页面切换；任务4：获取环境数据并上传服务器。系统开机后首先进行系统初始化，包括单片机的定时器，IO 口以及一些外部芯片的初始化。其次通过RS485 接收外部传感器模块采集到的数据，单片机对采集到的数据进行解析处理，判断产生控制信号和数据信号。控制信号的主要的算法是，采集到的数据和用户设定值进行对比，如果数据大于设定值，单片机就会保存往后的两组数据，这样三组数据进行取平均值再和设定值进行比较，如果得出的平均值大于设定值，则对继电器发起“开”信号，否则发送“关”信号。其中数据信号主要用于在LCD 上显示，服务器的上传和SD 卡内的保存。控制信号主要根据单片机对接收到环境数据分析的结果来控制继电器的开/关，以此来达到控制风机，水泵等设备的功能，系统流程图如图4 所示。

图4 下位机系统流程图

3.2 上位机软件设计

下位机与上位机之间的通信采用http 通信协议，下位机采集到的数据经过变换之后，采用json格式封装并发送至远程服务器端数据接收接口。上位机软件系统采用C# 语言，ASP.NET MVC 开发模式实现，主要功能包括数据存储与展示、禽舍环境远程监控等功能。

4 应用效果与讨论

为了验证该系统的实用性和可靠性，本系统在无棣前胡生态观光农场肉鸡养殖舍进行了部署和实验。鸡舍建筑面积1120m2，东西长80m，南北宽14m，可养殖肉鸡2 万只。舍内养殖设施6 排，选取远离棚舍边缘的中间2 排安装环境感知传感器，每排安装3 个，均匀分布，6 个控制器分别控制9个风机，可在下位机软件设定好肉鸡生长适宜的温度，进行自动控制，下位机软件界面如图5 所示。

图5 下位机软件界面

通过上位机软件系统，用户可随时查看鸡舍环境并对其进行调控，图6 为上位机软件系统查看的16日龄肉鸡舍温度变化曲线。16日龄时鸡舍温度设定为28℃，从曲线上可以看出舍内最低温度26.19，最高温度28.96，偏离设定温度最大值为1.81，最大误差为6.5%。图7 为开启通风系统后鸡舍湿度曲线变化图，最终湿度下降至65%左右，符合该日龄肉鸡所需湿度范围，说明该系统相对稳定，能够将温湿度差值控制在较小范围内变化。

图6 鸡舍温度变化曲线

图7 鸡舍湿度变化曲线

5 结论

论文以肉鸡养殖环境质量为监测对象，设计实现了肉鸡健康养殖环境监控系统，由感知器、数据采集控制器、执行器及远程服务器等部分组成。感知器将实时感知的鸡舍环境数据通过数据网络上传至远程服务器，便于用户随时查看鸡舍环境并对其进行调控；采集控制器和远程服务器之间的通信可采用GPRS、WiFi、433MHz 及以太网等多种形式，可根据养殖场实际情况灵活选择。通过实际应用验证了肉鸡健康养殖环境监控系统的实用性和可靠性，在保证禽舍所需温度基本恒定的条件下，使舍内可吸入颗粒物、氨气浓度和相对湿度保持在适宜范围内。系统的应用对于改善禽舍环境质量，提高养殖效益具有重要意义。