基于TMS320F28027的畜禽环境控制系统设计

2014-01-22王沙沙贾晓劢

饲料工业 2014年5期

■柴钰王沙沙贾晓劢王潇

（西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安710054）

改革开放以来，我国的畜牧业得到了快速的发展，畜禽舍的环境控制对于畜禽养殖业有着重要意义，因此对养殖环境特别是畜禽舍的环境方面提出了更高的要求。但从畜禽舍的管理角度看，控制系统自动化程度低，许多还必须由管理员手动操作，很难适应畜牧业现代化的要求[1]。针对畜禽养殖业现代化的要求，以及目前我国的发展现状，研究并建立了基于TMS320F28027的畜禽环境控制系统。本控制系统可以实现温度、湿度的自动调节，能够自动控制进风窗系统和幕帘系统。两组模拟输出可以进行灯光和调速风机的控制，改善畜禽舍的局部小气候环境，使畜禽舍的环境达到最优，提高畜禽的生长指标，解决畜禽环境调节问题。系统外接无线通信模块，可以实现环境的实时监测和控制。

1 总体方案的设计

本文提出并建立了基于TMS320F28027的畜禽环境控制系统包括硬件系统和软件系统两部分。其中，硬件系统主要用于完成现场环境信息的采集以及和上位机的通信，从而实现对畜禽舍环境的现代化自动控制管理，它由主控模块、环境参数采集模块、指令执行模块和无线通信模块等几部分组成；软件系统主要用于完成环境信息的处理，它包括系统主程序的编写、后台上位机管理系统的制作以及基于模糊控制算法的数据库的录入，这三大部分软件共同支撑着整个系统的运行。控制系统运行时，利用传感器实时采集畜禽舍的各环境参数的含量，方便实时的进行环境控制，以便满足畜禽不同生长阶段对环境的不同需求。本控制系统可以实现各环境参数含量的实时自动调节，用来改善畜禽舍的局部环境，降低畜禽的发病率，提高生长性能。

系统结构如图1所示，本监控系统能够控制8组风机（包括1组最小通风系统）、1组照明、1组料线、1组喷雾、1组加热器、1组冷却水泵（湿帘水泵）和1组用于报警输出的继电器。能够自动控制1组进风窗系统和1组幕帘系统。2组模拟输出（0～10 V），进行灯光和调速风机的控制。系统含有1张温度自动下降表和1张用于最小通风的体重自动增加表。主要根据畜禽舍的现场温度偏差和湿度偏差，通过对风机和水泵的控制，使畜禽舍的环境达到最优。

图1 畜禽环境控制系统结构

2 控制系统主体模块的设计

本畜禽环境控制系统测试精度高，操作灵活方便，完成了监测系统和控制系统的电路设计，搭建了测试平台，使用C语言完成了控制系统和下位机环境监测系统的程序编写，可以进行环境控制的试验；上位机和下位机之间的通信通过无线通信模块来实现。控制系统在鸡舍现场进行了试运行，对测试结果分析，控制效果良好，表明该系统能够可靠有效地工作。

2.1 主控模块

主控单元CPU采用TMS320F28027高性能处理芯片，它比以前控制系统所使用的单片机处理速度更快，效果更好。它一方面通过传感器采集数据，然后汇总后传到上位PC机；另一方面上位机发送给主控模块命令，再由它发送给每个执行模块，从而完成整个系统的模块化管理。CPU通过控制程序对外围电路进行控制。将预先设定好的温度、湿度和有害气体等环境参数含量值进行处理扫描并通过LCM16032显示。

2.2 数据采集模块

保持畜禽舍内环境参数的适宜有利于畜禽的生长。当畜禽舍内的环境参数含量高于设定的最高环境参数值时，CPU通过检测元件SHT11温湿度传感器[2-3]和OEM6004有害气体传感器[4]，发出指令启动执行机构，将传感器采集的数据与预定值进行比较，再送入CPU进行分析处理。

本系统对监测元件的测量范围和精度要求如下，温度测量范围0～60℃，湿度测量范围0～100%，有害气体测量范围0～2 000 mg/kg;温度测量精度0.5℃，湿度测量精度2%，有害气体测量精度5%。

2.3 无线通信模块

本控制系统，结合实际情况控制模式采用RS485总线。RS485通信方式具有传播距离远的优点，允许创建多达32个节点的网络，支持多点连接，最大传输距离能达到1.2 km，可以满足一些大型畜禽舍需要进行远距离信号采集的要求，并且其可靠性高、分布范围较大、成本低廉[5]。

2.4 实时温度显示

由于本系统在实际的鸡舍环境中进行了测试，结合现场环境的需求，为了方便锅炉工的操作，特设置了一个温度显示模块，通过一个简单的MCU控制器，可以将系统上显示的实时温度实时传输到锅炉房。由于距离只有5 m，所以采用有线传输形式，提高信息传输的可靠性。

2.5 风机及其保护模块

风机工作模式分横向通风和纵向通风两种模式，风机启动时风机组设置点是一个高于目标温度的温度差值，当室内温度高于此设定点温度加目标温度时，风机组将会以降温方式工作（不停的运行）；一旦测得的室内温度低于目标温度加上风机组设置点的温度，风机组将以最小通风方式工作（时间控制间歇工作）。出于安全和稳定性的考虑，在每个风机后面都加一个延时电路，当风机关闭指令下达时风机依次关闭，可以有效的避免风机故障或操作失误而导致畜禽舍温度变化太快，从而造成不必要的损失，起到保护的作用。

3 系统软件的设计

软件设计主要内容包括：主程序、各环境参数检测和显示子程序、各环境参数控制子程序、按键处理子程序和通信子程序等。主程序通过循环方式进行定时器初始化，环境参数处理和控制以及显示子程序的循环调用。系统主程序和数据采集程序流程图分别如图2和图3所示。

3.1 系统主流程图

图2 主程序流程

3.2 数据采集程序流程图

图3 数据采集子程序流程

4 控制算法及其实现

本监控系统内含有1张温度自动下降表和1张用于最小通风的体重自动增加表。通过模糊控制算法对温度和体重进行自动调节，可以更加精确高效的达到对畜禽舍环境控制的要求。

模糊控制算法是模糊理论在工业中的应用。其基本思想是用总结管理者的控制策略，运用模糊集合理论和语言变量形成控制算法。模糊控制算法的实现包括3个基本过程:模糊化—模糊推理—反模[6]。以温度为例，说明模糊控制的具体过程：

①e的模糊化（e为温度偏差）

e:用R(t)表示设定温度，用T(t)表示实际温度，则e=T(t)-R(t)。偏差范围为±6℃，在此范围内进行模糊化设计。取模糊量“主大”(PB) 、“主中”(PM)、“小”(PS)、“ 零 ”(ZO)、“ 次小 ”(NS)、“ 次中 ”(NM)、“ 次大 ”(NB)。e的模糊量化如表1所示。当|e|＜0.5℃时，系统无变化。

表1 e的模糊量化

②η的模糊化（η为偏差变化率）

η:用T(k)表示采样温度，则η=T(k)-T(k-1)。偏差变化率的范围为±1.0℃。分别取模糊量“主大”(PB)、“ 主中 ”(PM)、“ 主小 ”(PS)、“ 零 ”(ZO)、“ 次小 ”(NS)、“次中”(NM)、“次大”(NB)。η的模糊量化如表 2所示。

表2 η的模糊量化

③u的模糊化（u为输出控制量）

本系统在畜禽舍的通风控制中采用了变频调速的控制方法，u首先对变频调速器进行控制，然后通过变频调速器对风机转速进行控制。温度控制信号并不是一个连续变化的量，而是跟风机转速相对应。所以，u的论域定为：

取模糊量“主大”(PB)、“主中”(PM)、“主较小”(PS)、“主小”(PL)、“零”(ZO)。其中：ZO——风机低速；PL——中低速；PS——中速；PM——中高速；PB——高速。

u的模糊量化如表3所示。

表3 u的模糊量化

④模糊控制规则

管理员依据自己的经验定出的一组模糊条件语句的集合即为模糊控制规则。本系统中，两个输入变量，分别为e和η；一个输出量u。对风机的控制语句如下：

此条件语句表明，模糊推理机可根据温度偏差和偏差变化率来调整锅炉的加热温度和风机的转速，准确高效的进行加热升温和通风降温。通过对控制规则进行归纳处理，可以得到和e、η、u三者之间的关系，如表4所示。

表4 模糊控制规则

⑤模糊控制算法实现

本系统在鸡舍进行现场测试，以鸡舍温度为例，用模糊控制算法实现的温度下降曲线及加热曲线如图4所示。

图4 鸡舍温度下降曲线及加热曲线

5 现场测试

本控制系统在附近的鸡舍进行了测试，观察了其在现场的使用情况，与没有外加设备时舍内的环境情况进行了比较，重点观察了温度和有害气体的含量变化。由于湿度容易受别的因素的干扰，可以在以后的实验中安装相应的除湿设备，本文暂时没有做相关的比较。现场测试效果如图5所示。

图5 系统现场测试效果

具体测试步骤为：先测试没有外加设备时鸡舍内外的温度、湿度和有害气体含量，然后在鸡舍内安装好本控制系统，开启1 h后，再一次测量舍内外的各环境参数的含量，这样多测量几次，以使测试结果准确可靠，看本控制系统能否达到改善环境的效果。并且可以在不同的天气再进行几次测量，其中一天的测试结果如下，温度测试结果如图6所示，有害气体（主要是二氧化碳）测试结果如图7所示。

图6 温度对比

由图6可知，系统开启后比未开启时有了比较明显的改变，温度基本可以达到温度曲线在对应时间段设置的数值，能够较好地缓和畜禽舍温度过高或者过低的情况。

图7 二氧化碳含量对比

由图7可知，系统开启后1个小时，舍内的二氧化碳的浓度有了很明显的下降，在系统开启的时间段，舍内的二氧化碳的浓度基本上控制在500～700 mg/kg之间。系统开启后，舍内外的二氧化碳含量差有较明显的缩小，较好地缓和了畜禽舍内有害气体浓度过高给畜禽带来的影响。

为了验证控制系统的控制效果，采用对比分析的方法，对本控制系统进行了试运行试验，并对控制的效果做出了相应的分析和评价。结果表明，系统基本稳定，工作正常。系统开启后，舍内的有害气体含量差、温度差都较开启前有了明显的缩小，风机、锅炉和冷却水泵都能协调工作，维持鸡舍内环境的稳定，较好地缓和了畜禽舍内有害气体含量过高和温湿度过高给畜禽带来的不利影响。