引言

黑龍江省地處世界公認的奶牛、玉米生產帶，畜牧業是黑龍江省經濟發展的主導產業。截至 2012 年初，黑龍江省奶牛存欄數已突破 260 萬頭余，成為奶牛養殖大省，現已形成以奶牛產業鏈條為主的畜牧業基本格局和框架，基本上實現了“主輔換位”。隨著黑龍江省奶牛業的迅速發展，在奶牛養殖過程中逐漸出現了一些問題，生產效益不僅取決于奶牛的品種和科學的飼養管理，還取決于奶牛的飼養環境。對于大型集約化奶牛養殖場的封閉式牛舍內環境，在奶牛個體周圍存在小氣候，包括溫度、濕度、有害氣體濃度、通風、光照等因素。若小氣候條件惡劣，將使奶牛的生產能力下降，發病率和死亡率上升。研究表明，冬夏季舍內環境的不利會使奶牛生產性能下降 10% ～20% ，嚴重影響到奶牛的健康與生產力。規?；膛龅纳醿拳h境控制已成為我國在奶牛養殖過程中亟待解決的重要問題，而對處于冬季較為寒冷的東北地區，其奶牛生產就顯得更為必要和緊迫?，F奶牛養殖場舍內環境采控器的管理多數采用手動或半自動方式，需要大量人力完成監測及控制工作，難以保證舍內環境因素時時達標，影響奶牛的生產性能。同時，已有的奶牛養殖場舍內環境自動采控器的數據采集過程相對比較簡單，數據存儲功能較弱，遠程通信距離較近，已經不能跟上現代化畜牧業發展的步伐。因此，研發奶牛養殖場全自動無線智能環境采控器，可以依據養牛場環境參數多點采集，通過無線傳輸模塊傳送至上位機，由上位機發送控制信號啟動養牛場環境調節裝置?，F場環境采用手動或自動兩種模式，實現養牛場環境全自動無線智能控制。上位機配有大容量存儲器，可長期對現場采集的環境數據進行儲存，為奶牛繁殖及產奶量等分析提供完善、充足的環境數據。

1 系統硬件架構

全自動無線智能環境采控器主要由上位機\\( PC機\\) 、下位機\\( 單片機\\) 及數據無線傳輸 3 部分組成。

采控器通過下位機及輔助設備實時監測牛舍內多點溫度、濕度、有害氣體濃度、通風及光照等舍內小氣候參數，通過無線傳輸將現場采集的環境數據上傳至上位機進行分析和存儲。系統能夠根據采集的舍內溫、濕度自動控制通風、遮陽等設備的啟、停; 根據舍內有害氣體濃度自動開啟通風設備; 若北方秋冬季節自然光照射不足，可以啟用人工照明裝置。采控器下位機配有液晶模塊 12864 實時顯示采集的各參量，方便管理員現場控制各執行機構。系統總體結構圖如圖 1所示?！緢D1略】

1． 1 溫度控制電路

奶牛借助產熱過程與散熱過程的熱平衡來適應外界環境。當溫度在一定范圍內時，牛的代謝作用與體熱的產生處于最低限度，把這個溫度范圍稱為“等熱區”。奶牛的等熱區為 9 ～ 16℃。當牛舍環境溫度高于“等熱區”很多時，如氣溫達到 27℃，奶牛的呼吸和體溫隨氣溫而增加，采食量減少，甚至停食、流涎，嚴重時會中暑死亡; 若溫度低于“等熱區”溫度下限值時，奶牛會提高物質代謝作用，以增加熱點。因此，牛舍溫度應維持在等熱區范圍內，才能有利于奶牛養殖。奶牛舍適宜溫度如表 1 所示?！颈?】


目前，規?；膛龅酿B殖規模不斷擴大，同一養牛場中有多棟牛舍，且不同區域的溫度也會因為奶牛的聚集程度不同而有所差異。因此，本采控器采用多點溫度采集電路，可以通過設置不同牛舍號在上位機上實現對多牛舍環境溫度數據分別采集和監控，提高舍內溫度采集的精確度，方便管理，降低成本。

本系統溫度控制電路采用美國 DALLAS 公司生產的“一線總線”數字化溫度傳感器 DS18B20，測溫范圍為－55 ～ +125℃ ，在－10 ～ +85℃ 范圍內精度為±2℃ ?，F場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性能，適合于惡劣環境的現場溫度測量; 支持 3 ～ 5． 5V 的電壓范圍，使系統設計更靈活、方便。所以，本系統選擇 DS18B20 作為測溫元件。溫度傳感器電路如圖 2 所示?！緢D2】


1． 2 濕度控制電路

舍內空氣濕度變化也會影響奶牛體熱的散發，且濕度變化與溫度變化有直接關系: 一般濕度越大，體溫調節范圍越小。若處于高溫、高濕狀態下，奶牛機體水分蒸發不順暢，使奶牛體溫迅速上升; 若處于低溫、高濕狀態下，奶牛體熱散發過快，使體溫迅速下降?？諝鉂穸仍?55% ～85% 時，對牛的直接影響不顯著; 但高于 90% 對奶牛危害極大。因此，牛舍內空氣濕度不應超過 85% 。

濕度傳感器采用 HS1100，屬于電容式濕度傳感器。由于電容不可直接測量，故選用 555 多諧振蕩電路檢測頻率，由單片機計算出電容值，再根據電容值算出相應的濕度值。圖 3 為濕度傳感器 HS1101 電路圖?！緢D3】


由電路可知，555 多諧振蕩電路的檢測頻率為【1】


1． 3 有害氣體濃度控制電路

新鮮的空氣是促進奶牛新陳代謝的必要條件，并可減少結核病、口蹄疫等疾病的傳播，同時也有利于奶品的衛生。奶牛通過呼吸，每分鐘吸入空氣 55L。

呼出的氣體與空氣的成分大不相同，氮的含量增加到79． 05% ～ 79． 93% ，氧的含量減少，二氧化碳則增加數倍。牛舍內空氣的二氧化碳含量比一般室外空氣的含量高 2． 2% ～ 3． 2% ，甚至 5% 。所以，要防止傳染病的傳播，牛舍內一定要保持溫暖、敞亮、干燥、通風良好，盡力減少空氣中的灰塵。冬季牛體周圍的氣流速度以 0． 1 ～ 0． 2m/s 為宜，最高不超過 0． 25m/s。

牛舍內有害氣體最高限量為: 氨 26mL/L，硫化氫66mL / L，一氧化碳 24mL / L，二氧化碳 1 500mL / L?；覊m自然塵降量最高容許度為: 每次測定容量 0． 33kg/m2，霧霾日為 0． 15mg/m3。

本系統對牛舍內氨氣濃度進行檢測與控制，在采用通風換氣對氨氣濃度進行控制的同時，也可實現對其它有害氣體的濃度的控制?？紤]到牛舍內環境特點，本系統采用 JB－QT－TON90ATN 氨氣氣體變送傳感器，精度為±5% FS，輸出信號為 4 ～ 20mA 標準電流信號，通過 A/D 轉換，與單片機相連。

1． 4 光照控制

據研究表明，通過增加光照使產奶期奶牛每天的光照時間達到 15h，可提高奶牛產奶量 8% ～ 10% 左右; 增加粗飼料采食量 10% ～ 16% 左右，可較大幅度的提高奶牛養殖的經濟效益。因此，對于奶牛舍內光照參數，可根據養牛場所處地理位置及季節合理調整人工補充光照時間。人工補光時應注意以下幾點:①燈泡分布均勻，每只燈不能超過 60W; ②光線以白光或黃白光為宜; ③人工光照時有時無，光照時間時長時短，會擾亂奶牛的生物學反應，應保證電源可靠、供電穩定。為使人工補光時間準確，節省能源、節省人工，本系統采用定時器控制每天開關燈時間。由于冬夏自然光照射時間長短不同，為保證奶牛每天的光照時間，系統采用光敏電阻 PGM5526，其阻值隨光源強度變化而改變。利用 PGM5526 構成簡單的電阻分壓網絡，電路如圖 4 所示。當舍內光照強度發生改變時，光敏電阻的阻值發生改變，影響輸出電壓，將采集的輸出電壓通過變送器送至單片機，再根據光敏電阻特性參數利用程序實現標度還原成對應的光照值。通過軟件設置人工光源開啟及關閉，以保證奶牛每天的光照時間?！緢D4】


1． 5 顯示電路

系統采用 OCM12864 液晶顯示器，可以顯示各種字符及圖形，可與 CPU 直接接口，具有 8 位標準數據總線、6 條控制線及電源線; 可以顯示 8×4 行 16×16點陣的漢字，低電壓、低功耗是其顯著特點。

由于 12864LCD 顯示器可以顯示 4 行漢字，而舍內溫、濕度及有害氣體傳感器均為多點分布，因此將 4行漢字中的第 1 行顯示奶牛舍號、實時時間及光照時間，第 2 行滾屏顯示多點溫度傳感器采集的舍內溫度信號，第 3 行滾屏顯示多點濕度傳感器采集的舍內濕度信號，第 4 行顯示有害氣體傳感器采集的舍內氨濃度。液晶顯示電路如圖 5 所示?！緢D5】


1． 6 無線傳輸電路及存儲電路

本系統各牛舍下位機與主控室上位機通信采用無線傳輸方式，數傳模塊采用宇泰公司生產的 UT－901。該模塊是一款自主研發的工業等級的無線通訊模塊，支持 MODBUS、ASCII 碼協議，并支持各種點對點、一點對多點的無線數據通訊方式，具有收發一體、安全隔離、安裝隔離、使用簡單、性價比高及穩定可靠等特點。載波頻率: 433MHz SIM 頻段，標準為 16 個信道可設; 可選的通訊接口: RS－232、RS－485、RS－422; 電氣接口: RS － 232 接口 DB9 針形連接器，RS －485 /422 接線端子，SMA 接口; 保護等級: RS－485 /422接口每線 600W 雷擊浪涌保護; 供電電壓: 9 ～30VDC，供電電流: 9V400mA; 標準傳輸速率: 1 200、2 400、4 800、9 600、19 200、38 400bps; 工作方式: 收發一體，異步半雙工; 信號指示: 3 個信號指示燈電源\\( PWR\\) 、發送\\( TXD\\) 、接收\\( RXD\\) ，天線阻抗 50Ω \\( 標配為360°旋轉可 90° 折疊 SMA 接頭天線\\) ，無線收發芯片采用品牌功放，發射功率可選\\( 40、150、405、520mW\\) ;工作溫度: －40 ～ +80℃; 工作濕度: 10% ～ 90% RH，無冷凝; 傳輸距離: 無線433MHz 載波300m\\( 最大功率發射空曠距離\\) ，RS－485/422 可傳輸 1 200m\\( 1 200 ～38 400bps\\) 。

在牛舍內環境參數采集的過程中，需要將重要的數據長期保存，以便后期進行數據的分析處理，因此在單片機外部接有深圳華胄公司生產的 FM24C256存儲器。該存儲器采用鐵電技術制造的 256K 位的非易失 性 存 儲 器，數 據 掉 電 后 可 以 保 存 10 年。

FM24C256 以總線速度進行寫操作，無需延時，可以承受 100 億次的讀寫操作，同時無需內部電壓提升電路，具有非常低的寫操作功耗。FM24C256 的連接方式為 1、2、3、4、7 引腳直接接地，8 引腳接電源電壓，5、6 引腳接單片機且需要接 51k 的上拉電阻。存儲器電路如圖 6 所示?！緢D6】


2 系統軟件架構。。

當系統的硬件結構搭建完成之后，系統軟件的開發起著至關重要的作用。軟件設計中，首先上電初始化，完成對各單元電路的初始化，單片機控制各采集電路采集相關數據，并在 12864LCD 上顯示。同時，通過無線數傳模塊將采集數據上傳至上位機，根據奶牛生長過程中所需要的舍內溫度、濕度、氨氣濃度、光照時間的范圍，利用軟件設置其極限值，當采集數據超過正常范圍時，則可控制水簾、風機及人工補光設備的啟動或停止。系統上位機及下位機均可實現自動或手動控制，節省人力、物力。系統下位機軟件主流程圖如圖 7 所示?！緢D7】


3 結語

本系統利用 AT89S52 單片機設計的奶牛場無線智能環境采控器，具有成本低、結構簡單、易于實現及操作方便等特點，適合規?；B牛場的自動控制。本系統通過牛舍內溫度、濕度、氨氣濃度及人工補光參數的控制實現多點采集，經無線傳輸模塊傳送至上位機，由上位機發送控制信號啟動養牛場環境調節裝置; 現場環境實現手動或自動兩種模式，實現養牛場環境全自動無線智能控制。上位機配有大容量存儲器，可長期對現場采集的環境數據進行儲存，為奶牛繁殖及產奶量等分析提供完善、充足的環境數據。

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