仔猪保育箱智能环境控制系统

李嘉熙，仝志民，谢秋菊，赵乃辰，孙浩楠，康烨

（1.黑龙江八一农垦大学电气与信息学院，大庆 163319；2.东北农业大学电气与信息学院）

“动物福利”和“动物保护”这两个概念截然不同。前者所针对的是从动物出生直至死亡的整个过程当中应当免除负面情绪，同时要展现出进化而来的天性行为，其范围泛指一切哺乳动物；而后者所针对的是对于一些濒危物种，通过人为的保护措施来避免该物种消失或大量死亡，其范围相比动物福利的范围要小得多[1]。

随着养殖行业的快速发展，人们对于畜禽养殖环境愈发重视，然而国内目前对于“福利养殖”的概念理解不够深入[2]，动物福利养殖相关法律不够健全，畜禽舍基础设施也相对不够完善，许多养殖场缺少夏季避暑和冬季御寒的相关设施[3]，同时普遍认为仔猪的福利养殖的成本过高，这也是我国在该领域发展较为缓慢的主要原因[4]。环境适宜的生长条件可以提高仔猪的生长潜力，不适宜的生活环境则会抑制仔猪生长。解决该问题的关键在于既要达到仔猪福利养殖的标准，同时还要降低养殖成本[5]。

为实现以上两点目标，需满足以下几点条件：（1）以“日”为单位，对仔猪内环境参数进行修改；（2）采用智能控制系统，实现全自动化管理；（3）在系统测试阶段，时刻关注仔猪对系统的应激反应[6]。保育箱内的温度、湿度、有害气体浓度的水平都会对仔猪的生长产生影响，当环境温度过低时，仔猪会通过增加进食来获取热量，但体内的甲状腺激素分泌增加，消化率降低，导致仔猪增重减少且造成饲料浪费；当温度过高时，仔猪的进食量会大大减少，持续的高温会使仔猪体内热量堆积，引发肠胃疾病。氨气、硫化氢等有害气体会导致温度上升，同时导致仔猪免疫力下降，高浓度的氨气被仔猪吸收之后会引起中枢系统麻痹、粘膜出血、结膜炎、呼吸道炎症等严重后果[7]。目前国内外对该项技术也开展了大量的研究，为减少疫病的产生和流行，同时也为增加仔猪成活量，国内外专家逐渐开始重视养殖环境的监测与控制[8]。在该过程中，涌现出了多种环境控制措施，例如换气、加湿、烘干、加温等。随着微处理器的成本逐渐降低，同时福利养殖对精度的要求也越来越高，以微处理器为核心的智能控制系统得到了广泛的应用。但目前国内对于仔猪保育设备的研究还仅仅停留在恒温，影响仔猪生长的环境因子包括温度、湿度、氨气浓度、二氧化碳浓度、硫化氢浓度等[9-10]，表1 为仔猪生长期对环境参数要求。基于IAP15W4K58S4 单片机，多种传感器实时采集内环境参数，通过外部环境因子与预设标准之间的差值作为条件，使处理器向继电器发出触发信号，最终实现保育箱内环境稳定的目标[11]。

表1 仔猪保育期环境参数表（气体质量/mg·m-3）Table 1 Environmental parameters of piglets during piglet conservation period

1 系统总体设计

仔猪保育箱智能控制系统主要依靠温度传感器、气体浓度传感器对数据的采集，观测保育箱内各种环境参数的信息，并通过微处理器对驱动电路进行控制，最终实现执行机构对保育箱的环境进行调控，以满足仔猪的需要，从而降低仔猪发病率，提高仔猪保育期存活数。

系统可分为控制模块、检测模块、显示模块、执行模块及显示模块。控制模块采用增强型8051 内核单片机IAP15W4K58S4；环境参数采集选用DS18B20温度传感器、MQ-135 气体传感器，系统同时还应用继电器、74HC595 驱动器、数码管以及各种用电设备。传感器将采集到的环境信息经A/D 转换后传给单片机，单片机处理后向继电器发送触发信号，同时单片机也会将处理后的信息通过74HC595 驱动器发送至数码管上[12-13]。系统组成框图如图1 所示。

1.1 环境因子的数据采集

图1 系统总体框图Fig.1 Overall block diagram of the system

对于保育箱内温度、湿度、氨气浓度、二氧化碳浓度的采集，分别是采用DS18B20、MQ-135，考虑到保育箱内湿度几乎不会发生变化，所以只需采集温度信息即可。DS18B20 是全球目前唯一一款支持单总线接口的温度传感器，即可远端引入电源，也可采用寄生电源，其中集成了传感器件和转换电路，内部具有低温度系数振荡器及高温度系数振荡器，测温过程中频率会存在非线性，DS18B20 内部设置为斜率累加器用于补偿频率的非线性，该机制提高了传感器对温度检测的精确性。该传感器可将采集到的数据经A/D 转换后向单片机发送串行数字信号[14-15]，可实现9～12 位读数；MQ-135 气体传感器通过微型AI2O3陶瓷管、气敏材料SnO2、测量电极和加热器构成。封装好的MQ-135 传感器只有四个管脚，AOUT和DOUT 分别作为模拟量和数字量输入，另外两只作为电源。该材料在清洁空气中电导率极低，但当空气中进入污染成分时，气敏材料的电导率会随污染物浓度增加而增大，尤其对氨气、苯系蒸汽、硫化氢等敏感度较高。通过简单的电路即可将电导率的变化转换为电信号输出[16]。如图2 所示，给MQ-135 施加两个电压，既加热器电压VH和测试电压VC，MQ-135 的工作温度主要由VH提供（该传感器上电后在响应时间内会发热约20S），与MQ-135 串联的负载电阻RL上的电压VRL用VC来测定。

其中敏感体功耗PS值根据公式：PS=VC2×RS/（RS+RL）2

传感器电阻RS根据公式：RS=（VC/VRL-1）×RL

根据公式：

式中，C 为有害气体浓度，单位为ppm；22.4 是1 mol 的空气质量；X 为单位体积内有害气体的质量，由表1 可知，保育箱内氨气浓度最大不可超过20 mg·m-3；M 为有害气体的相对分子质量，氨气相对分子质量约为17 g·mol-1。根据计算可以得到保育箱内氨气浓度换算成ppm 值应为9.48 ppm，同理，二氧化碳浓度应为238 ppm[17]。由此可知，当传感器检测内环境中有害气体浓度达到报警值时，即可触发继电器工作[18-19]。表2 为各传感器工作参数。

图2 MQ-135 工作电路图Fig.2 MQ-135 working circuit diagram

表2 传感器工作参数Table 2 Sensor operating parameters

1.1 多路继电器工作模式

设计采用四路继电器模块，电路原理图如图2所示。其中三路已配置好用电设备，剩余一路作为备用。第一路负载端接加热设备，与DS18B20 共同作用起到恒温作用；第二路负载端接负压风机；第三路接照明设备，可通过对程序的修改决定照明时间。考虑到保育箱整体密闭性较好，同时照明设备在工作时可发热，故第一路继电器为常闭状态；当MQ-135 监测到内环境污染气体浓度达到预设值时，负压风机才会开始工作，故第二路继电器为常开状态；该系统选用的照明设备可为保育箱内部提供垂直温度，研究发现，在18 h 的光照下，光照强度由10 Lux 增至60 Lux再增至100 Lux，仔猪发病率下降24.8%～28.6%，成活率提高19.7%～31.0%，日窝增重增加0.9 kg～1.8 kg[20]，故第三路继电器为常闭状态。

图3 继电器电路原理图Fig.3 Schematic diagram of relay circuit

2 系统软件设计

该控制系统工作流程如下：单片机模块上电后自动进行初始化，随后通过按键S1 进入报警值修改界面，如果不需要重新设置温度报警值，系统将自动开始检测环境内的参数；如果需要重新设置，可通过按键S2、S3 来调节报警值的上下限（初始温度报警上限为32 ℃，下限为28 ℃），调节报警值后可通过按键S1 重新返回参数检测界面；按键S4 可直接进入有害气体浓度检测界面。各传感器将检测到的数据传输给单片机，然后通过74HC595 驱动器驱动数码管显示[20]。若传感器检测到参数达到报警值时，继电器断开，用电设备自动关闭，但单片机模块继续工作；若传感器所检测到的参数始终没有达到报警值的上下限时，用电设备将维持之前的状态[22]。程序流程图如图3 所示。

图4 主程序流程图Fig.4 Flow chart of main program

3 系统性能测试

实验在已经搭建好的保育箱内进行，保育箱整体大小约为0.36 m3，顶端为拆卸，便于用电设备的线路排布。目前生猪养殖中多采用相对简易的红外加热或普通电热板作为加热设备，这样会造成大量的热量流失。该实验加热部分采用远红外碳纤维加热膜，该设备可以为仔猪生长提供舒适的环境，具有质量轻、耐腐蚀、强度大等特点，远红外光谱波形较长，不会对仔猪表皮产生刺激，加热效果明显且温度上升速度较快，利于实验高效进行[23]。同时该设计还在加热膜与保育箱之间放置了一层海绵及反射膜，便于减少温度散失[24]。

3.1 测试材料及步骤

通过在保育箱内进行化学反应，模拟保育箱内环境实际情况，随后通过内环境自动调节和控制器调节来做对照试验，判断控制器及各用电设备工作效率。其化学反应式如下：

保育箱体积约为0.36 m3，若模拟内环境氨气浓度达到20 mg·m-3，需通过反应产生7.2 mg 氨气，根据化学反应方程式可得，共需要约33 mg 碳酸氢铵，但反应过程中同时会产生18.6 mg 的CO2，所以此时将有害气体浓度报警值设置为30 ppm（空气中CO2浓度约为12 ppm）。由于碳酸氢铵在30 ℃时会大量分解，故当内环境温度达到报警值时，反应自动开始。

3.2 实验方法与结果分析

分别按照用电设备搭配，自动化程度设置3 组照实验。

实验组：

在保育箱底部放置约33 mg 碳酸氢铵试剂，连接好各用电设备和继电器，将温度报警值设置为28～32 ℃，氨气浓度报警值设置为30 ppm。当温度达到上限时，第一路继电器自动断开，该系统进入休眠状态，同时当温度30 ℃时，碳酸氢铵开始大量分解，随即第二路继电器吸合，观察氨气浓度及温度变化情况，同时记录各阶段所需时间。

对照组1：

连接好用电设备后给第一路、第二路继电器上电，将继电器模块中公共端与高电平短接，既单片机无法向继电器发送触发信号，待环境温度达到32 ℃且试剂充分反应后对加热设备及负压风机断电，观察温度及有害气体浓度变化情况。

对照组2：

连接好用电设备后使温度达到32 ℃、有害气体浓度达到30 ppm 后断开加热设备，负压风机正常工作，观察温度及有害气体浓度变化情况。

对照组3：

连接好各用电设备后，将单片机与继电器间的接线断开，当温度达到30 ℃时开启分压风机，同时不断开加热设备，使两者同时工作，观察温度及有害气体浓度变化情况。实验结果如表3 所示。

表3 各组实验记录表Table 3 Experimental records of each group

图5 保育箱内环境参数变化折线图Fig.5 Polyline diagram of environmental parameters in the incubator

实验结果表明，当温度达到预设值且两组用电设备均不工作时，保育箱可在有效温度内保持6～8 min。负压风机工作时可在2 min 之内迅速将箱内有害气体排出，且噪音较低，不会对仔猪产生刺激，防止仔猪因吸入过量的有害气体而出现危险。该智能控制系统可以将温度恒定在0.5 ℃以内，同时负压风机的工作效率要大于加热设备的工作效率，如图4 所示，一旦系统发生故障，无法自动化调节，温度也会逐渐回到室温，不会因为温度过高而才发生意外。

4 结论

仔猪自身对于温度调节的机制还不健全，对空气质量要求较高，尤其在我国北方寒冷地区，仔猪生长受外界环境因子影响较强。基于IAP15W4K58S4单片机设计了仔猪保育智能控制系统，多种传感器内环境参数进行采集，各传感器响应时间较短，对参数的监控做到了实时、准确。同时，当内环境参数超过或低于预设的标准值时，系统可以快速做出反应。

研究工作主要得出以下结论：

（1）实现了多种传感器与单片机之间的通信，经实验证明，多种传感器与该型号微处理器之间可以有效兼容，一种传感器的使用不会对其他传感器的使用造成影响。

（2）该智能控制系统体积小，操作便捷，可用于除仔猪保育箱之外的多种工作环境，整体布线方式灵活，可以通过传感器对箱体内任意一点的参数进行监测。

（3）该系统智能控制部分采用独立供电，上电方式灵活多变，配置USB 接口，可外接移动电源，也可通过电源适配器接7～12 V 直流电（处理器外部已设置好电压转换元件）。

（4）通过实验发现，该系统虽然在参数满足调节条件时的响应速度较快，但是整体调节速率还有待提高。由于负压风机的工作效率要大于加热设备，故应当在负压风机的工作频率上进行改进，以防止风机工作时间过长导致其他环境因子无法平衡。