（农业电气化与自动化专业论文）基于CAN总线的猪舍环境现场层监控系统的研究.pdf

江苏大学硕士学住论文 摘要 随着电子技术的不断发展，规模化养殖猪舍环境控制系统正朝着智能化的方向发 展。本文在镇江市农业攻关项目的资助下，结合c a n 总线，对猪舍控制系统进行了 研究，设计了基于c a n 总线猪舍环境现场层监控系统。 论文在分析影响猪舍环境的主要因素的基础上，研究了环境采集系统以及系统执 行机构。采用模块化思想，设计了模拟信号采集、数字信号采集以及丌关信号控制三 类c a n 总线智能节点。计算机、c a n 总线适配卡、智能节点和各类环境因子传感器 组成了猪舍现场层监控系统硬件部分。 系统采用c a n 总线作为通讯方式，并在帧结构的基础上采用c a n 2 0 b 技术规范， 设计了系统通讯协议。分析了c a n 模块的初始化、c a n 报文发送及接收的过程，对 通讯模块的软件进行了设计。计算机通过主动的形式向智能节点发送数据请求以及控 制命令，并对采集的数据进行存储、处理，实现了系统对猪舍环境的控制。 根据猪舍环境特点，采用模糊控制方法作为系统的控制策略。通过对输入输出量 以及控制规则的分析，设计了猪舍环境监控系统的模糊控制器。 经运行表明：系统界面友好、操作方便、功能完善、性能稳定。该系统不仅加强 了环境监测控制的稳定性，大大改善猪舍中的环境状况，而且降低了营运成本，具有 很好的推广前景。 关键字：猪舍环境因子模块化设计c a n 总线模糊控制单片机 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , p i g s t ye n v i r o m e n t a lc o n t r o l s y s t e mb e c o m em o r ea n dm o r ei n t e l l e c t u a l i z e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，ac a nb u sb a s e df i e l d l e v e lm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mw a s d e v e l o p m e n tf o r t h ep i g s t ye n v i r o m e n t t h ep r i m a r y f a c t o r sa f f e c t i n gt h ep i g s t ye n v i r o m e n tw e r ea n a l y z e da n dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls y s t e m a n d i m p l e m e n t i n g m e c h a n i s m sw e r es t u d i e d t h e nt h r e ek i n d s i n t e l l i g e n t c a nb u s n o d s ，i n c l u d i n ga n a l o gs i g n a lc o l l e c t i o n ，d i g i t a ls i g n a lc o l l e c t i o na n do n o f fc o n t r o l o n e s ，w e r ed e v e l o p e du s i n gt h em o d u l a rd e s i g nm e t h o d i na l l ，t h ef i e l dl e v e lp i g s t ym o n i t o r a n dc o n t r o ls y s t e mc o m p r i s e sac o m p u t e r , c a ni n t e r f a c ec a r d s ，i n t e l l i g e n tc a n b u sn o d s a n ds o m eo t h e rs e n s o r s t h es y s t e ma d o p t e dt h ec a nb u sm e t h o dt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e c o m p u t e ra n di n t e l l i g e n tc a nb u sn o d s t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，t o g e t h e rw i t ht h e c o m m u n i c a t i o np r o g r a mm o d u l ei n c l u d i n gc a nm o d u l ei n i t i a l i z a t i o n ，c a nd a t ar e c e p t i o n a n dt a n s m i s s i o n ，w a sd e s i g n e db a s e do nt h ef r a m es t r u c t u r eu s i n gc a n 2 0 as t a n d a r d i nt h e s y s t e m ，t h ec o m p u t e rt a k e st h ei n i t i a t i v er o l ei nc o n t r o l l i n gp i g s t ye n v i r o m e n tb ys e n d i n g c o m m a n d st ot h ei n t e l l i g e n tc a nn o d e sf o rd a t ac o l l e c t i o na n do t h e ro p e r a t i o n s a c c o r d i n gt o t h ee n v i r o n m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep i g s t y , t h e f u z z yc o n t r o l m e t h o dw a su s e di nt h es y s t e ma st h ec o n t r o l s t r a t e g y b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e i n p u t s ，o u t p u t sa n dt h ec o n t r o lr u l e s o ft h ep i g s t ye n v i r o m e n t ， af u z z yc o n t r o l l e rw a sd e s i g n e df o rt h ec o n t r o ls y s t e m t h ew h o l es y s t e mw h i c hi su s e di n z h e n j i a n gx i m ab r e a d i n gh u s b a n d r yc o ，l t d c l e a rt h a ti th a sf r i e n d l yi n t e r f a c e ， c o n v e n i e n to p e r a t i o na n dc o m p r e h e n s i v ef u n c t i o n t h i ss y s t e mn o to n l ye n h a n c et h e s t a b i l i t yo ft e s t i n gp r o c e s s a n di m p r o v et h ec o n d i t i o no fe n v i r o n m e n ti nt h ep i g g e r y , b u t a l s or e d u c et h eo p e r a t i n gc o s ta n dh a v ep e r f e c tp r o s p e c tf o rp r o m o t i o n k e y w o r d s ：p i g s t y ，e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，m o d u l a rd e s i g n ，c a nb u s ， f u z z yc o n t r o l ，m c u 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密1 1 学位论文作者签名：纭夯嘶 i 导师签名： 厄z 玄笈如乙易役 签字日期：z 岬年多月7 日 签字日期：口9 年石月7 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：缘移 崎 日期：力叼年多月7 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 由于高密度饲养，畜舍常年温暖潮湿，为某些疾病的发生和传播创造了有利的条 件，不仅影响养殖本身的效益，也在一定程度上危害了养殖者的健康。因此，如何根 据生猪的生物学特性，为猪群提供一个良好的生长和繁殖环境显得至关重要l l 】。 衡量现代农业成功的基本原则是：有效的生产管理，高效生产力以及改良的产品 质量。要实现以上几点，传统的技术方法己不能满足要求，因此采用新的，改良的畜 舍环境监测控制技术是十分必要的。二十多年来，通过广大畜牧科技工作者的刻苦攻 关，研究开发了一系列设施和与之相配套的设备，为进一步改善畜舍小气候环境奠定 了基础1 2 】【3 l 。促进了规模化畜禽生产中关键技术成果的产出，其中计算机技术、电子 技术、自动化控制和网络通讯技术在规模化畜禽场的应用，对协调畜禽舍中各环境因 子的作用，为家畜提供良好的生存环境创造了条件。多个系统在计算机综合控制下， 实现了对畜舍的智能化管理和控制，推动了畜禽养殖向优质、高效、低耗的工厂化生 产的发展。 1 1 1 商品化养猪国内外发展现状 自动化设施畜舍最早出现在农业欠发达的荷兰、以色列等国，现在自动化畜舍设 旋己经在世界范围内得到了广泛的应用。一些国家在实现自动化的基础上，正朝着完 全自动化、无人工化的方向发展1 4 】。2 0 世纪5 0 年代以来，美国、丹麦、德国等发达 国家工厂化养猪发展迅速，形成了一整套养猪工艺模式、配套设施及饲养管理技术。 2 0 世纪7 0 8 0 年代后期，欧美发达国家的商品牛场管理信息系统已得到成功应用。2 0 世纪9 0 年代以来，在信息技术进步基础上拓宽高新技术应用领域。b i g d u t c h m a n 公 司研制的控制系统，实现了包括温度、湿度、氨气浓度的环境参数采集，饮水量以及 采食量数据的自动采集，禽畜舍温度、通风、喂料的自动控制巧3 。 从8 0 年代起我国丌始从国外引进现代化畜舍，通过消化、吸收与技术创新，取 得一批重大科技成果，有力地推动了我国工厂化农业的发展。 江苏大学硕士学位论文 随着集约化高密度饲养方式的发展，工厂化养猪中的环境问题越来越受到重视， 环境问题已成为我国当前工厂化养猪生产发展的重要因素。我国畜牧科技工作人员对 工厂化养猪场的猪舍通风、降温、加温、空气质量控制、环境自动控制和粪污的处理 与利用等环境工程技术进行了大量研究和开发，并取得了一系列研究成果1 6 l 。 “八五”期问，中国农业大学报道以8 0 9 8 单片机为核心，开发了以畜禽的f 1 龄 为基准的温度、湿度和光照度等多因素环境控制系统的硬件与软件技术，初步实现了 畜禽舍环境的智能化控制。“九五”期间，又进一步采用模糊控制理论为核心的人工 智能技术，研制成具有模糊控制功能的密闭鸡舍环境控制设备。可埘全封闭的鸡舍， 通过调控鸡舍内部的环境因子，来满足鸡群对生长环境的需求。 “九五”期间，江苏省农科院研制鸡舍移动视频监控系统，应用移动摄像技术和 远程传输技术，以鸡舍为单位进行全方位、多要素的环境和，皇产状况监测，实现监视、 监听、环境监测，预编程序自动控制通风、光照、清粪，监视图像和测控信息使用调 制解调器远程传输，管理者通过监控计算机实时监控生产现场1 7 j 。 总体趋势应用自动控制技术、传感器技术、网络通信技术等综合集成，实现畜禽 养殖环境的自动控制、监测、监视、全过程的数字化记录和计算机智能优化决策。 1 1 2 研究意义 通过对国内外现代畜舍发展状况的研究分析，不难发现目前我国现代畜舍技术和 国外畜舍技术相比存在一定的差距，特别在智能化控制方面。本课题的研究意义在于 设计一种基于c a n 总线技术的猪舍现场智能监控系统，实现对现代猪舍环境因子的 控制，使其适应生猪的生长。由于c a n 总线具有很强的抗干扰能力，最远通讯距离 可达1 0 k i n ，通讯速率最高可达l m b p s ，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和 灵活性，系统处理的信息量较大，而用于传输的线缆较少，因此具有布线简单、通讯 距离远、维护方便等优点。与传统的猪舍控制系统相比，价格可明显降低，准确性以 及稳定性提高，满足市场对现代猪舍控制系统的要求，具有广阔的应用前景。 1 2 猪含控制系统现状 现代猪舍的关键技术在于猪含环境的自动化控制技术。智能猪舍系统足近年来逐 步发展起来的一种资源节约型的高效设施技术，它是在普通猪舍的基础上，结合现代 2 江苏大学硕士学位论文 化计算机自控技术、智能传感器等高科技术发展起来的。 1 2 1 猪舍控制系统特点 猪舍环境控制系统在充分利用自然资源的基础上，通过改变环境因子，例如温度、 湿度、c 0 2 浓度、光照等来获得生猪成长发育的最佳条件，达到增加生猪产量、改善 品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。智能猪舍控制系统有几下特点： ( 1 ) 智能猪舍控制主要是根据外界环境的温度、湿度、c 0 2 浓度、光照等气候 因素，来控制猪舍内的温度、湿度、通风、光照等，创造出适合生猪生长的最佳环境。 在这种控制中，温度、湿度、c 0 2 浓度、光照等被控量之间存在着一定的相互耦合的 关系，某个被控量的改变，会影响到其它被控量的变化。 ( 2 ) 针对智能猪舍的特点，智能猪舍控制系统应是一种具有良好的控制精度、 较好的动态品质和良好稳定性的系统。其功能要求对生猪生长的不同阶段的需求制定 出监测的标准，对猪舍环境进行测量，将测得参数比较后进行处理。 智能猪舍控制系统综合了动物、机械、电子、通讯等多方面的技术，为生猪的生 长创造了适宜的环境，可使生猪的产量与质量有很大的提高，因此，已成为高效设施 设备的一个发展方向哺j 。 1 2 2 猪舍环境控制模式 目前，国内猪舍环境智能控制系统一般分为基于p l c 的控制系统、基于工控机 ( i p c ) 的控制系统、基于p c 机的控制系统和基于单个单片机的控制系统。 基于p l c ( 可编程逻辑控制器) 的猪舍控制系统由上位机、p l c 、数据采集单元 即执行机构所组成。p l c 主要用于动态、实时监测猪舍内外环境因子的变化，根据生 猪生长的要求对参数进行匹配，同时完成与上位机的通信。p l c 是一种通用的自动控 制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体，具有控制能 力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点。但是使用p l c 控制作 为控制器投资较大，价格高，不利于市场的推广。 基于工业控制机( i p c ) 的猪舍控制系统是由工控机、各种传感器及执行机构组成的 多输入、多输出的闭环控制系统1 9 】。工控机基本都配备了各种接口板，采集、控制和 通信功能都由其来完成，所以此类系统能对猪舍各参数和变量进行有效控制。以工控 江苏大学硕士学位论丈 机为核心的系统硬件开发量小，软件组态方便，需要的硬件和软件都能从市场上买到。 此外，i p c 具有标准通信接口，为猪舍的群控和网络化的实现提供了方便。其缺点是 i p c 及相应的组态软件都需要购买，成本较高。猪舍系统中的所有输入、输出功能都 由i p c 集中控制，造成危险过于集中，一旦工控机发生故障将会使整个系统瘫痪。同 时，布线复杂，维护也较为困难。 基于p c 机的控制系统中猪舍控制器的结构主要是以p c 机作为丰控计算机又作 为下位机，从数据采集到算法控制都由p c 机完成。以这种方式开发的系统，所有的 性能都集中在p c 机上，p c 机系统一旦出现故障，整个系统就会失控。总的来说，此 类控制方式的优点是能够实现全局管理，操作简单，价格低廉；缺点是布线复，可靠 性差，故障率高；而且信号的输入、输出一般都是模拟量或开关量，自动化程度较低。 由于猪舍控制系统中环境的噪声较大、环境较恶劣，单一的p c 机控制系统已难以达到 预期的控制效果。 基于单个单片机的控制系统中猪舍控制器的结构董要足以单片机( m c u ) 为主控 板，一般以m c s 5 1 系列为基础，采用8 位c p u 从数据采集到算法控制都由单片机 完成。以这种方式开发的系统所有的性能都集中在单片机，单片机系统一旦出现故障， 整个系统就会失控。总的来说，此类控制方式的优点是能够实现全局管，操作简单， 价格低廉；缺点是布线复杂，可靠性差，故障率高；而且信号的输入、输出一般都足模 拟量或开关量，自动化程度较低。由于猪舍控制系统中环境的噪声较大、环境较恶劣， 单一的c p u 控制系统己难以达到预期的控制效果。 1 3 现场总线技术 1 3 1 现场总线概述 现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制 通讯网络，遵循i s o o s i 开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议【1 0 】- 【12 1 。2 0 世 纪8 0 年代现场总线技术才开始形成和发展。由于现场受控设备和网络所处的环境可 能很特殊，对信号的干扰往往是多方面的，而要求控制必须是实时性很强的。现场总 线具有与一般网络不同的特点。 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分和控制系统。它作为智 4 江苏大学硕士学位论文 能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并 进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、 优化及控管一体化的综合自动化功能。这是一项集嵌入式系统、控制、计算机、数字 通信、网络为一体的综合技术。其中开放性、分散化和低成本是现场总线最显著的三 个特征f l l 】f h j 。到目前为止，己经有好几种现场总线技术正走向成熟并且得到逐步的推 广应用，显示出特有的优势和强大的生命力。其中最常用的有f f 总线、l o n w o r k s 总 线、p r o f i b u s 总线、h a r t 总线、c a n 总线五种。 l 、f f 总线 f f 总线是现场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 的简称，成立于1 9 9 4 年，致力于 开发国际上统一的现场总线协议。它以i s o o s i 丌放体系互连模式为基础，取其物理 层、数据链路层、应用层为f f 通信模型的响应层次，并在应用层上增加了用户层。 f f 提供两种物理标准：h 1 和h 2 。h 1 为用于过程控制的低速总线，速率为3 1 2 5 k b p s ， 传输距离为2 0 0 m 、4 0 0 m 、1 2 0 0 m 和1 9 0 0 m 四种。h 2 的传输速率可为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种，其通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质可支持双绞线、同轴电缆和 光纤。目前，基于f f 的现场总线的产品有美国s m a r 公司生产的压力温度变送器， h o n e y w e l l & r o e k w e l l 推出的p r o e e s s l o g i x 系统，f i s h e r - r o s e m o u n t 推出的p l a n t w e b 。 2 、l o n w o r k s 总线 l o n w o r k s 总线由美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出，主要应用于楼宇自动化、工业 自动化和电力行业等。l o n w o r k s 采用了i s o o s i 模型的全部7 层通信协，采用面向 对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设计，其通信速率从 3 0 0 b p s 到1 5 m b p s 不等。直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ；支持双绞线、 同轴光缆、光纤等多种通信介质。 3 、p r o f i b u s 总线 p r o f i b u s 是p r o f i b u s 的简称，是德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的 现场总线标准，以i s o o s i 参考模型为基础，对第3 - 6 层进行了简化。p r o f i b u s 的传 输速率为9 6 k b p s 1 2 m b p s ，最大传输距离在1 2 m b p s 时为1 0 0 m ，1 5 m b p s 时为4 0 0 m ， 可用中继器延长至1 0 k m 。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。最多可挂接1 2 7 个站点。 4 、h a r t 总线 江苏大学硕士学位论文 h a r t 是h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r 的缩写，最早由r o s e m o u n t 公 司于1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基金会，主要用于智能变送器。这种被称为可寻址远 程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号 通信，属于模拟系统向数字系统转变过程的过渡性产品。它通过在4 - - 一2 0 m a 电源信号 线上叠加不同频率的正弦波( 2 2 0 0 h z 表示“0 ”，1 2 0 0 h z 表示“l ”) 来传送数字信号， 从而保证了数字系统和传统模拟系统的兼容性，预计其生命周期为最近2 0 年。 1 。3 2c a n 总线的特点及应用 c a n 总线是控制局域网络c o n t r o la r e an e t w o r k 的简称，最早由德国b o s c h 公 司1 9 9 3 年推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信，是到目前为止唯一 有国际标准的现场总线。由于采用了许多新技术及独特的设计，c a n 总线与一般的 通信总线相比，其数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。c a n 总线具有以 下特点【1 4 j 。【1 9 1 ： ( 1 ) c a n 为多主从方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其 他节点发送信息，而不分主从。 ( 2 ) 在报文标识符上，c a n 上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求， 优先级高的数据最多可在1 3 4l as 内得到传输。 ( 3 ) c a n 采用非破坏性总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突 时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传 输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下，也不 会出现网络瘫痪情况。 ( 4 ) c a n 节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局 广播等几种方式传送接收数据。 ( 5 ) c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最高可达 1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 ( 6 ) c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个。采用标准帧时， 报文标识符有11 位，而采用扩展帧时，报文标识符( 2 9 位) 的个数几乎不受限制。 ( 7 ) 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。 ( 8 ) c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。 6 江苏大学硕士学位论文 ( 9 ) c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 ( 1 0 ) c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节 点的操作不受影响。 ( 11 ) c a n 总线具有较高的性能价格比。它结构简单，器件容易购买，每个节点的 价格较低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机丌发工具。 c a n 总线最早应用于汽车领域，由于其本身的特点，目前其应用范围已扩展到机 械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械、家用电器及传感器等 领域发展。c a n 已经形成国际标准，得到了m o t o r o l a 、i n t e l 、p h i l i p s 、s i e m e n s 、n e c 等公司的支持，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。 现场总线在畜舍控制领域的应用，无论在国际还是国内，均处于起步阶段，研究 的不多。但欧美许多国家已经将c a n 总线或以c a n 总线为基础的新型总线技术( 如 d e v i c e n e t 、c a n o p e n 等) 确定为农业设备控制系统的标准总线，可以预见，未来几年 在欧美国家将由基于c a n 总线的控制系统取代基于传统计算机控制结构的畜舍环境 控制系统。为此，我国应积极对基于现场总线技术的新一代畜舍控制系统进行研究， 与国际先进技术紧密联系，提高国内畜舍控制技术水平。 1 4 本章小结 本章主要介绍了课题研究的背景以及相关的猪舍环境控制模式，使读者了解到猪 舍环境因子智能监控系统有很大的发展前途和应用前景。虽然国内猪舍环境因子智能 监控系统的研究已经取得了一定的成绩，但仍处于起步阶段，与国外的相比还比较落 后。而且市场对商品猪的需求很大，因此，猪舍环境因子智能监控系统的研究还有很 大的发展空间，本研究是镇江市农业科研项目，本章给出了研究的主要内容并对国内 外的发展现状做了较详细的分析，叙述了c a n 总线的初步知识。 江苏大学硕士学位论文 第二章猪舍环境监控系统原理设计 2 1 猪舍环境监控系统原理及结构 2 1 1 猪舍环境因子 猪舍是一种可以改变生猪生长环境、为牛猪乍长创造更好条件、避免外界环境变 化对其产生影响，最大限度提高生猪产量和质黾的场所，是一个集结构、机电和生物 环境一体的综合性系统。猪舍中的生猪的生长发育，一方面取决于生猪本身的遗传特 性，另一方面则取决于生猪的生长环境。影响卜猪生长的环境因素主要包括温度、湿 度、光照、c 0 2 浓度等。这些因素之i 口j 相互作用、相互联系，每个环节的变化都会影响 猪舍中生猪的生长。 1 、温度 适宜的环境温度，是保证猪正常发育、繁殖的前提条件。猪是恒温动物，通过生 理调节机能使产热和散热保持动态平衡。环境温度的变化对猪的生理机能和生产力影 响较大，猪与环境之间的热交换足由内、外表面来实现的。大部分显热通过体表进行 交换，而大部分潜热通过内表面( 呼吸器官) 进行交换。 猪在适宜温度的生活环境中，主要借助物理调节来维持正常的体温。当环境温度 逐渐升高时，猪为减少体内产热，表现为活动量和采食量减少，饮水增加，生长变慢， 甚至出现负增重等现象。当温度较低时，猪体散热增加，为维持热平衡，猪采食量增 加。据艾地云等( 1 9 9 5 ) 报道，饲养在2 8 , 3 5 。c 高温下的1 5 - - - 9 0 k g 的生长肥育猪，其 采食量可比标准同采食量下降2 4 1 - - - - 2 9 7 ，日增霞比预期的日增重降低6 8 - - - 2 8 。 在持续高温的环境中，猪的抵抗力明显降低，体热平衡被破坏，体温升高，昏迷， 发生热射病，严重时引起死亡。在低温环境下，猪为了保暖，收缩外围血管，引起局 部冻伤。低温会造成呼吸道和消化道疾病，还常造成风湿症、关节炎等病发生。低温 会对仔猪影响更大，据统计，死亡的仔猪有半被冻死或死于与寒冷有关的疾病，新 生仔猪在低温环境中，下痢等疾病的发病率显著升剐2 0 1 。 江苏大学硕士学位论文 2 、湿度 猪舍湿度主要来源于猪体表、呼吸道蒸发的水汽、舍内饲养管理用水、粪尿蒸发 的水汽和进入猪舍的外界空气所含的水汽等。猪舍湿度因生产工艺、饲养管理方式、 猪舍类别等不同差异很大。 在畜牧生产中，空气相对湿度对家畜的影响主要表现为家畜蒸发散热方面。当环 境温度高时，由于显热散热比较困难，空气的相对湿度就成为增加潜热散失的主要因 素。机体水分的蒸发是散热的一个重要方式，而蒸发的难易又决定于空气的湿度。当 空气潮湿时，猪体的水分蒸发就受到抑制，影响机体散热。相反，空气湿度小，动物 体表水分的蒸发就容易，就可加速体热的散发。因此，在湿度不高，空气比较干燥的 情况下，即使温度升高，亦容易忍受。在低温情况下，如空气中湿度增加，就会增加 空气的热容量、导热性以及机体放出的长波辐射，从而加剧了猪体的寒冷感。此外， 高湿度能促使致病性真菌、细菌和寄生虫的繁殖滋生，降低猪的抵抗力，使猪易患湿 疹等皮肤病。 猪适宜的相对湿度为6 0 - 7 5 。猪舍湿度过高，特别足猪床过于潮湿，对幼猪 和育肥猪的生长速度影响很大，使增重和饲料转化率都降低。在相同环境温度下，相 对湿度越大，对猪增重的影响越大；在相同的相对湿度下，环境温度越高，对猪增重 的影响越大；环境温度低于2 4 c 时，相对湿度对猪的生长发育几乎没有影响；当环境 温度为2 8 。c 时相对湿度从3 0 上升至9 0 时，日增重下降1 6 ；当环境温度为3 3 。c 时， 相对湿度从2 0 上升至8 0 时，日增重下降2 9 ，单位增重饲料消耗量增加2 1 。体 重小的猪较体重大的猪更易受到相对湿度的影响1 2 1 l 。 3 、光照 光照对猪的生长发育和繁殖都有显著影响，生长发育期延长光照或增加光照强 度，促进性早熟；短光照或光强不足，抑制性成熟。繁殖期延长光照或增加光强，可 显著提高受胎率、产仔数和断奶重等。延长光照或增加光强，还能增强猪的免疫能力， 提高抵抗力，促进猪的合成代谢，加速生长发育，提高日增重，降低单位增重的饲料 消耗，同时，合理的光照、管理是合理组织繁殖生产，促使母猪短期发情的重要手段 之一。j o h n ( 1 9 8 8 ) 发现，延长光照时间可缩短母猪重新发情的天数，并减少母猪哺 乳期的体重损失，特别是在热应激期间，延长光照时间对仔猪断奶前后的体重和成活 都有好处【2 2 】。 9 江苏大学硕士学位论文 4 、有害气体 大气中的化学成分很稳定，猪舍内由于猪的排泄物以及排泄物的腐败分解，不仅 使空气中的氧气减少，二氧化碳增加，而且会产生大量的氨气、硫化氢、甲烷等有害 气体。当氨气在空气中含量达2 0 0 m l l 时，会刺激猪打喷嚏、流口水、食欲下降，长 时间作用会增加呼吸疾病和肺炎的发病机率，当硫化氢浓度达2 0 m l l 时，猪会出现惧 光、紧张和食欲减退，当浓度达5 0 - - - 2 0 0 m l l 时，表现为呕吐和腹泻。 在畜牧、j k 生产中，封闭式畜禽舍已经被广泛应用于畜禽的工厂化养殖。封闭式畜 禽舍，要求能够创造一种适宜于动物生物学特性的生长发育环境【2 引。其中，对舍内温 湿度的监控是进行畜禽舍环境控制的主要方面。在饲养管理上，需要经常检测和控制 舍内的温湿度，保持畜禽舍有一个适宜的温湿度状况。 2 1 2 监控系统结构组成 猪舍环境监控系统根据猪舍环境中的温度、湿度、光照度、c 0 2 浓度等主要环境 因子，设置相应的控制机构的运行情况，使生猪能在适宜的环境中生长发育，提高生 猪的产量及质量。系统通过各类传感器将猪舍中的状态实时地传送到单片机中，单片 机对采集的数据进行处理，并通过控制算法计算后，将得到的控制信息输出到相应的 环境控制机构中，以调节猪含中的环境因子，达到生猪生长的适宜状态。 环境控制结构的组成，对整个猪舍控制系统的控制效果有直接的影响，其主要组 成部分包括以下几个方面【2 4 】： 1 、加温系统 加温系统是猪舍摔制中的主要控制对象之一，它为猪舍内生猪生长提供适宜的温 度。加温系统一般有锅炉热水系统、热风机、太阳能热水系统、电加温、水暖加温等 几种方法。因电加温耗资较大，一般不推荐使用。在寒冷的北方，因加温时间较长， 一般都配置水暖加温，而在加温时间较短的南方，一般配置燃油热风机加温。燃油热 风机也可作为水暖的补充热源，用于最寒冷时气候的升温，以确保生猪生长所需。对 于大型猪舍的加热系统，从经济学方面考虑，主要使用热风机对猪舍加热。 2 、降温系统 降温系统主要由通风系统、湿帘j x l 机系统组成。通风降温的主要目的是排除猪舍 内的余热以及多余的水分、降低温度，同时调整室内空气中气体成分，排除有害，使 猪舍内环境适合生猪生长。通风方式分为自然通风和强制通风两种。自然通风一般是 i o 江苏大学硕士学位论文 在猪舍顶部或侧墙设置窗户，依靠热压或风压进行通风，并可通过调节丌窗的幅度来 调节通风量。自然通风因受外界气候影响比较大，降温效果不稳定。强制通风是利用 风机向猪舍外排风，使猪舍内形成负压，强迫空气通过侧窗进入猪舍，穿越猪舍由风 机排出舍外。强制通风的优点在于猪舍的通风换气量受外界气候影响很小。 湿帘j x l 机降温系统主要由湿帘、风机和水循环系统组成。它利用水蒸发时将空气 中的显热转变为潜热的原理进行降温。湿帘风机一般在夏季猪舍外温度较高，只使用 通风降温不能达到预期的温度时使用，而冬季室外温度较低，一般不需要开启湿帘风 机。 3 、湿度调节系统 湿度调节系统包括喷雾装置以及天窗等组成。当猪舍内的湿度不足，影响生猪生 长时，使用喷雾装置增加室内湿度。喷雾装置是通过控制安装在猪舍顶梁上的喷嘴， 向室内喷射水滴状的雾珠，达到增加猪含内湿度的目的。一般在相对湿度为6 0 7 5 时，此时最合适生猪的生长。当猪舍内湿度过大时，丌启顶部天窗，利用猪舍内 外的湿度差，调节舍内湿度。适当的加温也能降低猪舍内的湿度。 4 、光照控制系统 光照控制系统，当光照强度不能满足生猪生长需要时，需开启人工补光系统，以 保证生猪生长所需的光照。 5 、c 0 2 浓度控制系统 c 0 2 是影响猪舍环境好环的重要因素，其控制方法是自然通风和强制通风。当 c 0 2 的浓度比较低时，可采取自然通风的方法；当c 0 2 的浓度很大时，自然通风已不 能满足要求时，宜采取强制通风，丌启风机。以确保生猪的成长和工作人员的健康。 2 1 3 监控系统执行机构 猪舍环境控制系统在检测到猪舍内环境因子的状态后，经过单片机处理，最终通 过调节多种执行机构的运行来达到控制的目的。执行机构的主要任务是接收来自单片 机的控制信号，执行相应的操作协同调节猪舍环境，达到合适的状态，实现最终控制 效果。猪舍环境控制系统执行机构如图2 一l 所示。 1 、喷雾机构 喷雾机构采用水力或气力使水雾化，产生雾状水珠，向需要降温的空间进行直接 喷射，带走猪舍中的热量，降低温度。由于水的汽化比热较大( 2 3 4 5 , - - - , 2 4 7 0 ) ，一滴重 江苏大学硕士学位论文 量为一克的水会被喷射成直径为o 0 0 8 - - - 0 o l c m 的雾珠，总表面积将扩大数百倍，加 快了水的蒸发速度。雾珠在猪舍内的漂浮迅速吸收空气的大量潜热，使猪舍温度急速 下降，达到降温的目的。喷雾主要适用于夏季温度较高的情况。一般开启喷雾机构可 使猪舍内温度降低44 c 左右。同时增加猪舍内的湿度，保证生猪f 常生长。 图2 - 1 猪含环境控制系统执行机构图 2 、湿帘机构 湿帘风机机构降温是夏季猪舍控制中的关键技术。它利用水作为热交换介质降低 猪舍内温度。夏季室外温度高，自然通风机构不能有效地起到降温的作用，此时需开 启湿帘机构，使湿的冷气进入猪舍内，通过热量交换作用，使猪舍内温度得到有效降 低。一般湿帘机构能降低舍内温度4 - - 7 c 。 3 、热风炉机构 热风炉采用直接加热的方式，没有启动时热媒介质的热容损失，因此热风炉的 加热量能全部用于猪舍的舍内加热。开启热风炉机构对猪舍进行加热，保证在舍外温 度较低时，生猪能正常生长。热风炉的送风温度通常为4 0 。c 1 2 0 。c ，送风温度过高， 热射流呈自然上升趋势，会使猪舍下部加热不好。送风温度过低，则需要布置更多的 热风炉，或提高热风炉的送风风量。 4 、风机系统 风机系统主要作用是用于特殊情况，当需要强制通风时或需要强制送风时需开启 风机。 5 、开窗机构 猪舍中设置有开窗机构，包括天窗和侧窗，其设置目的是用于自然通风。通过控 制天窗以及侧窗的开启或者关闭，利用猪舍内外的压力差实现空气的交换，进行自然 江苏大学硕士学位论文 通风，排除室内余热，调节舍内温度和湿度，改善空气质量。 6 、补光机构 猪舍利用补光机构增加舍内光照，适用于阴天、雨天等情况。 2 2 猪舍环境监控系统的总体设计 2 2 1 监控系统信号 1 、系统输入： ( 1 ) 传感器信号输入：各种环境因素的状态通过传感器检测，输送到控制器中， 进行后期处理。猪舍监控系统中传感器包括温湿度传感器2 路、光照度传感器1 路和 c 0 2 传感器1 路。 ( 2 ) 状态信号输入：状态信号是指猪舍内各种执行机构的运行状态输入信号，表 示执行机构行程开关的状态。本系统中设置有南北天窗以及南北侧窗共4 组，湿帘开 窗1 组，风机1 组，热风炉1 组，喷雾机构1 组，补光灯2 组。系统共有1 0 个状态 信号需采集，这些信号通过中间继电器与各个模块连接。 2 、系统输出： ( 1 ) 运行信号：运行信号控制各类执行机构的电机运行状态。正常情况下，由控 制器向执行机构发出动作信号，调节猪舍中的环境状态。由于执行机构较多，系统所 需输出模块也较多。 ( 2 ) 报警信号：当系统发生异常情况时，控制系统发出报警信号，并点亮报警信 号灯，提醒工作人员进行及时地处理。 ( 3 ) 显示输出：系统在上位机上配置有液晶显示屏，用于显示猪舍环境的实时状 态，便于工作人员了解系统运行状况。 ( 4 ) 通讯信号：下位机与上位机之间通过现场总线进行通讯。上位机采用主动的 形式对各输入输出模块进行访问，请求数据以及实行控制。 2 2 2 猪舍环境监控系统总体设计 猪舍环境对舍内生猪的影响非常明显，适宜的环境能有效地促进生猪的生，提高 生猪的产量和质量，并且能够缩短生猪的生长周期，提高经济效益1 2 5 1 。猪舍环境监控 江苏大学硕士学位论文 系统的主要任务就是在对环境因子进行有效测量的基础上，通过与猪舍生猪生长发育 的适宜环境进行比较，得出控制猪舍环境的有效方式，使猪舍环境能够跟踪人工设定 参数变化，不受外界环境的影响，并能对环境极限值进行及时地报，采取有效措施， 保证系统安全可靠的运行。控制系统具体结构如图2 2 所示。本系统采用模块化设计 思想，实现猪舍控制系统的通用化。 图2 - 2 控制系统结构图 各部分功能介绍： 1 、控制系统中的各类传感器测量猪舍内温度、湿度等环境因素的状态，得到的 模拟信号传送到系统控制器中。 2 、模拟量采集模块负责由传感器输出的模拟信号的采集，利用a d 转换器把模 拟量转换成数字量，并通过c a n 总线控制器与计算机实现通讯，接收单片机请求数 据命令，传输数据到计算机中。 3 、数字量采集模块负责采集执行机构的状态信号，通过c a n 总线控制器接收命 令，把数据传输到计算机中以便控制信号的计算。 4 、开关量控制模块接收计算机的控制信号，控制执行机构调节猪舍环境状态。 5 、c a n 总线适配卡实现c a n 总线与计算机的连接。 6 、计算机是系统的主要控制部件，实现猪舍状态数据的处理，通过控制算法，发送 江苏大学硕士学位论文 有效的控制信号，调节猪舍环境以适合生猪砸常生长，并且显示猪舍现场环境状态。 2 3 本章小结 本章对猪舍环境控制系统的原理和结构进行了分析。影响猪舍环境的因素主要有 温度、湿度、光照度以及c 0 2 浓度等，这些因素相互联系，相互作用，一种因素的改 变都会影响其他冈素的变化。针对不同的环境因素，控制系统设置相应的执行机构对 其进行调青。通过系统各类输入输出信号的分析，采用模块化设计思想，研究c a n 总线智能节点没计结构，提出了控制系统的总体框架。 江苏大学硕士学位论文 第三章猪舍现场监控系统硬件设计 3 1 猪舍现场监控系统硬件总体设计 猪舍现场层的监控是一个复杂的控制过程，系统通过各种信号的输入输出实现对 猪舍环境状态的调节，以适宜生猪的生长发育所需。系统硬件设计的主要任务是搭建 猪舍控制平台，保证系统各类信号传输的通畅，为猪舍控制系统提供基础设备。猪舍 控制系统中的信号主要包括各类传感器的输送信号、各种执行机构的状念信号以及执 行机构的控制信号。系统主要由几部分组成：计算机、c a n 总线适配卡、模拟信号 采集模块、数字信号采集模块、开关信号控制模块以及各类传感器。猪舍控制系统总 体结构图如图2 2 所示。 计算机是猪舍智能控制系统中功能最强的控制平台，可实现猪舍现场状态实时监 测、出错报警、系统控制和环境状态显示等功能。系统采用常见的p c 机作为猪舍现 场层的主控制器，c p u 为i n t e l 公司的奔腾系列处理器，采用界面友好的w i n d o w s x p 作为操作系统，并且配有1 9 寸的工业液晶显示屏用于显示当前猪舍的环境状况。 c a n 总线适配卡采用凌华公司的p c i 7 8 4 1 双口隔离c a n 总线接口卡，内置有 c