基于环境阈值的智能牛舍监测与调控系统设计.pdf

基于环境阈值的智能牛舍监测与调控系统设计赵超越,陈思衡,沈 洋,秦 水,郝宏堡,侯瑛男,张诗麒(哈尔滨航天恒星数据系统科技有限公司,哈尔滨 1 5 0 0 0 0)摘要:环境因素对牛舍内牛只生长的影响十分重要,特别是在相对封闭的牛舍下,因为封闭式牛舍内的温湿度不易调节且大量有害气体不易排出,对牛只的生长和繁殖有较大影响。研究表明,保证牛舍的良好环境对牛只的健康生长有重大意义。以为牛舍提供优良环境、提高农场主养殖利益为目的,利用预设环境阈值控制策略,设计一套由感知层、平台层、应用层组成的智能牛舍监测与调控系统。关键词:智能牛舍;系统设计;环境阈值0 引言设计将物联网传感器采集到的环境数据建立控制策略,通过智能牛舍环境监测及调控系统可以自动获取牛舍内部的空气温度和湿度、C O2浓度和NH3浓度等数据1,并可以自动控制风机、温湿度等装置。设计密切结合了传感器技术、无线通信技术、自动化技术以及远程监测等技术,实现全面自动化与远程控制的功能2-4。系统可以实现数据自动采集、远距离传输和数据处理等功能,并结合多种因素进行数据分析,实现牛舍环境自动调节。这样不仅可以为养殖户提供关于牛舍内的环境情况,还能大大提高牛舍的管理效率5。1 牛舍环境影响特征及控制策略方案1.1 牛舍环境影响特征分析牛舍的环境控制是一个比较复杂的问题,例如,给牛舍进行加湿时会造成牛舍内温度的下降,在比较炎热的季节为空气降温又会导致湿度上升6。再者,环境因子的调节会有一定的滞后性,在进行调控时,会出现超调的现象,另外,传感器传来的环境数据只是某一点的数据,所以,传感器的分布应当是均匀的,便于采集合理的环境变量数值,使系统对环境参数的采集更加真实有效。牛舍小环境的调控是非常复杂的,需要制定出合理的控制策略才能真正的使环境因子控制在理想范围内7。具体指标:温度适宜范围52 1,湿度适宜范围5 0%7 0%RH,氨气等有害气体浓度1 7.0 m g/m3(体积浓度)。1.2 控制策略方案1.2.1 温度控制 温度的调节在牛舍的环境调控中也扮演着重要的角色,夏季平均气温在2 5以上时,牛的采食量会下降,体重减轻;冬季若气温长期保持在-1 0以下会导致类似的情况,因此,在寒冷地区建造牛舍的时候要保温,在炎热地区要考虑牛舍是否隔热8。同时,还要在牛的饲养过程中采取降温或者加热措施。该系统在对温度进行调控时主要通过热风炉与风机来进行,当传感器检测到的温度超过设定温度上限时,系统控制风机运转,启动风扇增加空气流通速度,从而达到降温的目的。当温度下限低于临界值时,控制热风炉的继电器闭合,从而实现温度控制的整个过程,牛舍的平均温度在 52 1,最适宜的温度是 1 7。具体的控制方案如下:当温度过低时,达到低温报警点,热风炉启动,在温度过高时,根据理想温度与实际温差的差值来启动风机,风机运行功率设置为3个挡位。风机输出功率随着差值的增加而增加。一方面随着理想温度与实际温度的差值减小,设备输出功率要降低,或者为防止超调现象的出现停止加热或制冷。另一方面,为防止设备在一个临界温度频繁启动或关闭,设置误差值为1,控制流程见图1。1.2.2 湿度控制 湿度也是影响牛舍小环境的重要因素,如果空气太干燥,不利于牛的呼吸道健康;湿度过高,加快细菌病毒繁殖,使牛易染病9。湿度的控制要配合温度的协调控制,以百分比表示湿度设置。湿度控制参数设置如下:牛舍的正常理想湿度是5 0%7 0%,湿度在此范围内除湿加湿系统不运转,显示屏状态栏显示绿色状态,表示正常;当湿度超过 7 0%时,开始通风除湿,显示屏报警显示红色报警;当湿度低于收稿日期:2 0 2 3-0 3-1 3基金项目:寒区规模化畜禽舍饲环境精准监测及职能调控平台开发应用(G A 2 1 B 0 1 3)49 现代化农业 2 0 2 3年第1 1期(总第5 3 2期)5 0%,显示蓝色报警状态。该系统主要是通过通风洒水来调节湿度。对于牛的生存特性来说,5 0%7 0%的相对湿度是比较适合的区间。控制方案如下:传感器把采集到的湿度数据发送给单片机,当湿度低于最适宜湿度时,喷雾加湿设备开启;若湿度过高时,则需要让单片机给对应的风机发送指令,开启通风除湿。同时,加湿器与除湿电机的电磁阀设置3%的湿度误差区间,防止电磁阀在湿度临界点频繁开合,增长使用寿命。控制流程见图2。1.2.3 空气质量控制 空气的组成在自然状态下是比较稳定的,适合牛体的生长,但随着牛的呼吸、牛舍内粪便的堆积、空气流通受阻、草料的腐败、细菌的繁殖等过程的进行,空气质量会急速下降,这样随着这些过程的进行,各种不利于牛健康的气体(如氨气)会不断堆积1 0。比如氨气会导致牛呼吸道感染,进一步导致肺炎等疾病的发作。二氧化碳主要由家畜呼吸排出,二氧化碳没有毒害作用,但过高的浓度必然会导致氧含量降低,加快不利于空气质量的厌氧微生物繁殖。因此,二氧化碳含量的多少是一种重要的环境检测指标。该系统有害气体的控制主要是通过排气扇换气实现的。当传感器检测到空气质量浓度超出允许范围上限时,排气扇运转,空气流速增加,牛舍内外的空气交换效率增加,等空气质量回到正常范围内时,换气扇关闭,实现了空气质量智能控制。具体控制策略:利用传感器检测牛舍空气质量,空气质量的好坏用数值表示,当数值1 7.0时,空气质量合格,反之空气质量不合格,换气扇打开。在这里,设置1.0的误差,防止电磁阀在临界状态频繁开合,避免缩短各个相关部件的使用寿命,空气质量监测的流程图见图3。图1 温度控制流程图 图2 湿度控制流程图 图3 空气质量控制流程图2 智能牛舍环境监测及调控平台设计2.1 系统总体设计基于环境阈值的智能牛舍环境监测与调控系统由感知层、平台层和应用层3部分组成。感知层主要由控制系统与监测系统2部分组成,通过物联网传感器对牛舍各环境因子的采集,将所测数据传输到数据支撑平台,数据支撑平台可对所测数据进行信息存储,同时也将所测数据进行分析管理,并对控制单元下达指令,进行远程控制1 1。用户可通过环境监测系统对牛舍内各环境参数进行查看,也可查看历史环境参数数据等。此外,设计还可以通过系统软件设置各环境参数的阈值,若有环境因子超出阈值,将会触动系统并进行报警。从而达到实时监测、自动报警与做出远程调控的效果。2.2 感知层设计59 现代化农业 2 0 2 3年第1 1期(总第5 3 2期)该牛舍环境系统感知层由监控单元以及控制单元构成。监控单元由温湿度检测模块、二氧化碳气体检测模块、氨气检测模块以及数据传输模块组成。由于考虑到牛舍环境恶劣,温湿度以及各种气体不同于外界,例如硫化氢等气体具有一定的腐蚀性,因此传感器于主板间采用分离设计1 2。控制单元由通风设备、温湿度控制等设备构成,通风设备主要由排风扇构成,温湿度控制设备主要包括热风炉、喷淋装置等构成。控制装置可以通过环境监测与调控系统下发的指令对牛舍环境进行调控。但由于此类设备均为高电压高电流设备,无法控制芯片直接连接,因此控制设备增设电源转换电路模块和继电保护模块。2.3 平台层设计平台层主要由数据支撑平台构成,是管理大数据采集、存储和应用环节所有资源和任务的平台,可管理数据资源以及计算资源;支持离线和实时计算的计算框架;提供了规范的数据加工流程,同时能够提供基础运行服务日志管理、系统监控服务以及提供业务流程的管理维护,满足各种组件的运行维护,能够采集、分析系统内部数据,提供定期的报表统计,直观展现信息系统的实时运行态势,为运行决策提供数据依据。2.4 应用层设计应用层由智能牛舍环境监测与调控系统组成,功能包括环境信息监测与智能调控、环境阈值设置、报警数据显示功能模块。2.4.1 环境监测与智能调控 环境监测与智能调控功能模块能够在P C端实时查看由物联网传感器采集到的空气湿度、空气温度、二氧化碳浓度、氨气浓度等牛舍环境数据,同时也能够根据时间、环境参数统计历史环境信息,并通过图标形式展示环境数据,根据环境数据,本模块能够实现手动或智能硬件设备控制操作,管理人员可通过本模块手动对牛舍内硬件设备进行开关操作,也可根据设定的环境阈值,结合调控策略,实现硬件设备的自动开关。2.4.2 环境阈值设置 本模块能够对不同传感器提供报警参数设置功能,包括空气温度、空气湿度、二氧化碳浓度及氨气浓度,同时可展示阈值参数管理页面,可以展示当前牛舍内所有的阈值参数设定情况。2.4.3 报警数据显示 当系统参数值异常即超过阈值的上下限时,触发报警装置发出警报,通过物联网将异常信息数据远程发送给用户,用户也可以通过系统输入某段时间,可方便的查询和了解某些环境参数异常的时间和异常数据的具体值。该模块主要负责报警信息的接收以及历史报警数据的查询。3 结语研究基于借助物联网、信息化手段,对牛舍环境监测与调控系统的设计进行了有益的探索,进一步整合了牛舍各种设备与软件的信息,进行智能分析与决策,从而实现牛舍的数字化管理,帮助管理方通过 P C访问,远距离获取相关牛舍实时环境信息,促进畜牧业更科学地持续发展,加速传统牧业向智慧牧业的转型和升级。4 参考文献1 陈琍,周晓,陈红良,等.基于物联网的猪舍环境监控系统设计J.计算机测量与控制,2 0 1 9(1 2):1 0 2-1 0 5.2 马吉庆,崔勇,张路,等.畜禽养殖环境自动监控系统设计J.装备制造技术,2 0 1 6(1):7 1-7 3.3 齐铁,王志国.基于无线通信技术的智能温室远程控制系统研究J.赤峰学院学报(自然科学版),2 0 1 5,3 1(2 0):3 9-4 0.4 黄华.基于 P I C 1 8 F 2 5 8 0 的畜禽舍环境控制系统的研究D.武汉:华中农业大学,2 0 0 9.5 吴征天,王涛,王建军.一种汽车温度及新风监控系统设计J.科技创新导报,2 0 1 7(2 9):1 2 8-1 3 2.6 石珍妮,竺赛栋,张克林.基于 M a t l a b GU I 层次分析法的实现和应用J.电子世界,2 0 1 3(1 9):1 6 9-1 7 0.7 陈思.基于O n e N E T的农业大棚物联网环境监控系统的研究与实现D.沈阳:辽宁大学,2 0 1 9.8 陈维聪,薛焕樟.一种智能家居室内空气质量监测装置的开发J.电子测试,2 0 1 9(1 5):1 3-1 6.9 胡智,刘竹林,王慧.基于O n e N E T平台的物联网农业监测系统设计J.农业技术与装备,2 0 2 0(1 2):2 4-2 5.1 0 邵庆,闫丽,席桂清,等.保育猪饮水行为监测及模型建立J.科学技术创新,2 0 1 8(1):3 8-3 9.1 1 朱景福,李芳,鹿保鑫.基于聚类改进的F i s h e r与KNN判别分类算法对比研究J.安徽农业科学,2 0 1 9(1):2 5 0-2 5 2.1 2 王莉薇,谢秋菊,刘洪贵.基于多源信息感知的奶牛反刍行为可穿戴式监测装置的研究J.安徽农业科学,2 0 1 9(7):4 7-5 2.(0 0 8)69 现代化农业 2 0 2 3年第1 1期(总第5 3 2期)