鸡舍环境智能监控系统设计

鸡舍环境智能监控系统

设计

内部编号：（YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128）

鸡舍环境智能监控系统设计

专业: 农业电气化与自动化学号:XXX 姓名: XXX

指导老师:XXX

摘要:针对目前中国雏鸡饲养自动化水平低、管理技术落后的现状，本文设计了一套基于传感器网络的雏鸡鸡舍环境智能监控系统，该系统由参数采集模块、数据处理、控制模块3个部分组成，不仅能实现了对雏鸡鸡舍内温湿度、有害气体浓度的实时监控，还能根据检测的有害气体浓度自行启动清粪装置。经模型测试结果表明，本系统温度控制的最大误差为2℃，湿度控制的最大误差为4%，有害气体浓度能控制在允许的范围内。本文研究结果可为育雏养殖户提供操作简便、控制效果较好的智能养殖模式。

关键词：传感器网络；鸡舍；单片机；自动控制；清粪装置

1 绪论

中国是农业生产大国，鸡禽养殖业是中国农业中的重要产业之一。中国鸡禽养殖业经历了稳定快速发展，总产量大幅提高[1]。育雏是鸡禽生产中非常关键的养殖环节，鸡舍环境控制直接影响着雏鸡的生长发育，因此，创造良好的生长环境才能保证育成鸡的生长发育、免疫力和成活率等，最终获得较好的经济效益[2-6]。中国现行育雏方式主要有两大类，即：立体笼养育雏和平面育雏[7-12]。中国鸡禽养殖业的育雏管理整体体现如下特点：养殖基础设施落后，机械化程度低，人力劳动成本高；自动、智能化程度低，环境控制波动大，养殖安全隐患高[13-14]。中国的“立体笼养”育雏设施已较为普及，生产实际中以其高密度饲养、提高鸡舍空间利用率而被养殖户广泛采用，但多数设施只有加热、增湿和通风设备等基

本设施，且对环境的污染也严重[15-18]。与平面育雏相比，笼养育雏管理技术水平的要求更高些。目前，中国部分大、中型鸡禽养殖企业开始引入自动监控技术[19-24]，在一定程度上提升了鸡舍环境的控制质量，对养殖户科学养殖具有重要的意义，但其布线复杂成本较高，智能化程度和科学化管理都有待提高。

对此，本文设计了一套基于单片机控制的鸡舍环境智能监控系统。与现有的鸡舍环境监控系统相比，本系统对温湿度和有害气体浓度均实施了智能监控，设计了清粪装置以便根据有害气体的浓度及时清除舍内鸡粪[25]。本系统采用有线传感器网络技术，数据传输稳定，速度快，检修方便。本系统主要适合于大中型雏鸡育雏养殖规模的养殖户。

选题来源

养鸡业是国民经济的主要组成部分之一，根据国际家禽协会发表的数据显示，随着近几年国内市场对鸡肉的需求量增加，中国的养鸡业在市场需求的牵引下正在以很快的速度发展。同时，由于欧洲国家日益增长的对禽肉类的需求与环境保护问题之间的矛盾，使得国内的鸡肉市场走向了国际市场。所以，中国的养鸡业有先天条件：丰富的原材料、广阔的土地、庞大的消费市场等等。但是，现今中国的养鸡业却面临着两大问题：（1）中国的养殖业大部分还是依靠人工，而在全部生产成本中，人工费也会大幅度上涨，这将成为扩大规模化养殖的最大障碍因素。（2）在规模化、密集化养殖过程中，最令人担心的是畜禽疫病。现代畜产业也可以说是对疾病的战争。由于管理者和饲养人员的频繁出入（人很可能是最大的疾病传染体），即使防疫再好，也会有批纰漏，预防疾病的发生将成为养鸡业中主要的课题。所以, 在鸡禽生产中必须要人为地为其创造良性的生态环境, 满足生长发育的需要。

应用及存在的问题

养鸡业在大势发展过程中，由于各种条件的限制，使得对鸡的生长环境造成改变，从而影响了鸡的正常生长，造成总体收益不佳有如下原因：（1）人工对鸡舍的环境调节不精确，不能及时的对鸡舍环境进行改善，易造成鸡群生活在不利于生长的环境中；（2）在整个饲养，人工依据经验对环境改善的过程中，容易带入疾病传染体。

意义及影响

本设计通过控制鸡舍各项装置，对鸡舍的环境如温度、湿度、有害气体、除粪等进行调节。首先通过传感器的实时监测，然后采取相应的措施进行自动控制、管理和优化操作,设置各个环节最佳操作时机的装置。这样，不但能解决存在的问题,而且可以提高鸡舍环境质量,减轻操作人员的劳动强度,提高劳动效率和经济效益。

本设计研究的内容及设计指标

本设计主要是设计出一套可使用的鸡舍环境智能监控系统，对鸡舍环境进行实时检测和控制，主要做如下4个方面的工作:（1）确定系统的总体功能设计方案；（2）进行传感器的硬件电路和软件系统的设计；（3）单片机及与其相连的各个模块硬件电路及软件系统设计;（4）进行补偿装置驱动电路的设计。

2 硬件系统设计方案

系统功能设计

本系统主要实现以下几个功能：温度监控、湿度监控、清粪功能。温度监控：对温室温度进行测量，并通过升温或降温达到鸡群生长的最适温度；湿度监控：对温室湿度进行测量，并通过喷雾或去湿达到鸡群生长最佳湿度；清粪装置：对鸡舍里的粪便及时清除，避免造成空气中有害气体浓度过高；控制处理：当温度、湿度越限时报警，并根据报警信号提示采取一定手段控制；显示：LCD 就地显示输入值和相应的温湿度，液晶显示屏摆放在生产现场用于显示当前的温湿度。

系统总体设计

本设计是通过温湿度传感器、气体传感器采集鸡舍环境参数，再将采集的参数传至单片机进行分析处理，然后在传出指令控制驱动装置调节环境。可以通过按键区设置需要控制的温度、湿度的范围。

图1 系统框图

控制模块

STC89C52是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS 的8位单片机，片内含4K的可编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚，它集Flash程序存储器既可在线编程(ISP)，也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片机芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位STC89C52单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制的领域。STC89C52提供以下的功能标准：4K 字节闪烁存储器，128字节随机存取数据存储器，2个16位定时/计数器，32个I/O口， 1个串行通信口，1个5向量两级中断结构，另外，AT89C51还可以进

行0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式，闲散方式停止中央处理器的工作，可允许随机保存随机存取数据存储器中的内容，但震荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。它的工作频率可达33MHz。STC89C52 单片机管脚如图2所示。

图2 STC89C52单片机管脚图

采集模块

温度采集模块

本系统对温度参数采集采用DS18B20传感器，DS18B20 的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。DS18B20 共有三种形态的存储器资源，它们分别是：ROM 只读存储器，用于存放 DS18B20ID 编码，其前 8 位是单线系列编码（DS18B20 的编码是19H），后面 48 位是芯片唯一的序列号，最后 8 位是以上56 的位的 CRC 码（冗余校验）。DS18B20 共 64 位 ROM。RAM 数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20 共 9 个字节 RAM，每个字节为 8 位。第 1、2 个字节是温度转换后的数据值信息，第 3、4 个字节是用户 EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。温度传感器实物和温度采集电路分别如图3、图4所示。

图3 DS18B20实物图

图4 温度采集电路图

湿度采集模块

本设计对环境中的湿度参数采集选用HF3223湿度传感器，HF3223是一款频率输出湿敏模块，内部集成了湿敏电容HS1101和信号处理电路，其相对湿度20%RH~85%RH区间，最大测量误差低于±5%RH，其中内置的湿敏电容HS1101的稳定性更达到±2%RH。输出频率与相对湿度的线性关系为：Fout=9740-18*RH。HF3223的输出信号可以直接连接微处理器的定时器/计数器，编写定时器/计数器中断程序即可实现高分辨率的频率测量。真正的湿度值需要经过温度补偿才能得到，温度补偿公式：

RH=（X%RH）/（）（1）其中，温度T单位取℃；

RH表示真实值；

X表示测量值。

湿度频率转换原理图和湿度传感器实物图如图5、图6所示。

图5 湿度/频率转换电路图

图6 湿度传感器实物图

有害气体采集模块

有害气体浓度检测采用MQ-135传感器和PCF8591模数转换器。MQ-135中气敏材料SnO2的电导率随空气中有害气体浓度的增加而增加，该传感器内部电路将电导率的变化转化为电压信号。MQ135和PCF8591检测有害气体浓度连线如图6所示。MQ135的模拟电压输出信号管脚AO与PCF8591的模拟信号输入端AIN0相连。PCF8591的I2C总线的数据线、时钟线SDA、SCL分别与STC89C52芯片的管脚、相连，实现将AIN0通道的模拟电压值转化为数值信号。

图7 MQ135和PCF8591连接电路图

显示模块

本设计采用LCD1602液晶显示屏用来实时显示环境中的温度、湿度，这样更能一目了然的知道鸡舍中此时的环境。所使用的LCD1602液晶显示屏引脚图如图8 所示。1602字符型液晶模块是点阵型液晶，驱动方便，经过编程后显示内容多样化。

图8 LCD1602引脚图

LCD液晶显示屏实物图和连接电路图分别如图9、图10所示。

图9 LCD液晶显示屏实物图

图10 LCD1602液晶显示连接电路

蜂鸣器报警模块

蜂鸣器额定电流≤30mA,而对于STC89C52单片机，P3口的灌电流为15mA,由此可见，仅靠单片机的P3口电流是不能驱动蜂鸣器的，必须使用晶体管放大电路，为了使单片机的功率更小，所以使用PNP型晶体管,当外部环境的温度或者湿度超过预设值的时候，基级变为低电平，蜂鸣器导通鸣叫。蜂鸣器的功能提示环境温度超出设定值提醒注意，电路如图11所示。

图11 报警电路图

清粪装置机械结构

自行设计的清粪装置由刮粪装置、冲水装置、可逆电机和控制单元组成，清粪装置的结构如图12所示。图12中，刮粪装置包括减速器、转轴、传动轴、链条、齿轮、育雏笼、刮粪杆和接粪板，冲水装置由水塔、水管、电磁阀和排粪槽组成。

1.控制单元

2.可逆电机

3.刮粪装置

4.冲水装置

图12 清粪装置的结构图

在图12中，清粪装置通过可逆电机的正反转动带动各层的刮粪板同步地来回运动，将育雏笼各层接粪板上的鸡粪清除到排粪槽内，并开启电磁阀通过冲水将粪便排出鸡舍。刮粪装置使用齿轮和链条作为主要的传动部件，可有效避免运行过程中的打滑，保障了上下层之间的同步性。刮粪装置两侧机械结构对称，刮粪板固定在相应层两侧的横向链条上，与育雏笼的长边保持平行，紧贴于接粪板。各层刮粪板的位置一致，可实现各层同步清除的操作。刮粪装置将各层鸡粪同时清除到排粪槽内，冲水装置的电磁阀开启通过引出高处水塔的水流将在排粪槽内的鸡粪排出鸡舍。其排粪槽采用270°圆弧管道和120°竖直向上的长开口设计，保证鸡粪完全落入槽内，其水塔安装在鸡舍顶部，保证冲水时水流的速度。

清粪装置的控制

清粪装置控制单元是由检测单元、STC89C52芯片、ULN2003芯片和继电器组构成，安装在育雏笼的底层且靠近可逆电机。检测单元是两个光电传感器，分别安装在育雏笼底层的横向链条两端，用于检测刮粪板的位置；STC89C52芯片是下位机的主控芯片，负责检测信号和控制执行机构，其输出管脚通过ULN2003芯片驱动继电器组实现对清粪装置的控制，电路设计如图13所示。

图13 清粪装置控制电路图

3 系统软件的设计

总体控制流程

如果说硬件是系统的四肢，那么软件就是系统的大脑。肢体在大脑的支配下才能正常运行。系统软件通过对各模块的运算和处理，将其转换成命令信号，发送到各个部分，从而能控制整个系统。良好的软件系统能很好的提高系统的运行的效率、精确性、稳定性。

整个软件系统包括参数采集模块、显示模块、驱动模块、按键，控制系统以STC89C52单片机为核心，以C语言为开发环境。该系统的主程序处于键控循环工作方式，当按下测量键时，主程序开始调用读取子程序、键处理子程序，并把测量结果用显示子程序在液晶显示器上显示出来，从而完成整个程序过程。系统软件结构如图14所示。

图14 系统软件结构图

该系统的控制程序是根据整个工作过程来编制的，各种传感器合理的分布在鸡舍内部，传感器采集到的信号是模拟信号，需要进行A/D（用ADC0832）转换后传送给单片机，单片机接收发送过来的信息，然后通过模糊控制系统做出相应决策。LCD显示模块实时显示当前温湿度；单片机还用于控制电磁阀和继电器，做出相应的调节。其程序框图可以表示如图15所示。

图15 系统流程图

按键控制

系统中使用按键输入预设温度和湿度。温度湿度是依次输入的并且依次以下限、上限输入，按确认键将设置温湿度值存入单片机中。其检测流程图如图16所示。

图16 按键检测的流程图

在按键输入中需要对程序中的中断进行多次查询，上限、下限的设置时跟据端口的高低的次数来调节，其主要程序如下所示。

报警控制

报警模块具备两项功能，即为报警灯和声音报警。报警灯模块是完成LED 亮，以便从视觉上提醒用户。LED是由51单片机控制3个蓝色色LED灯组成的。当用户输入温度的上下限值后，系统进行实时的采样，并判断出当前温度与用户输入温度之间的差异，如果当前温度低于用户输入的下限温度值，则说明当前温度过低，系统自动启动警报灯，此时警报灯亮，同时开始加温，直至加到所需温度值时警报灯熄灭。反之，如果当前温度高于用户输入的上限温度值，则说明当前温度过高，系统也会自动启动警报灯，但此时降温警报灯亮，同时开始降温，直至降到所需温度值时警报灯熄灭。

编程思想

本次设计主要是能够实时显示出当前确切的温湿度，并且在高于上限值或者低于下限值的时候能够发出蜂鸣且报警灯亮。接通电源，LCD开始初始化，采用八位的数据端口，两行显示，5*7的点阵，其中第一行显示当前温度，第二行显示当前湿度，根据键盘可以进入设置上限，下限值界面，再进入湿度设置，在程序设计中，分别定义温湿度参数，根据数据转换过来的数值，判断是否超过上下限的预设值。1602显示当前的温湿度值，如果温度值超过设定值,报警并启动继电器。再次循环判断，如果没有超过预设值，蜂鸣器不会蜂鸣，1602正常显示，也同样再次循环。

4 结论

本论文从实践出发，对鸡舍环境控制系统的总体功能进行设计，深入了解了环境对鸡群的生长影响从而设计出基于单片机对鸡舍环境的监控系统，设计出了一种具有实用性的监控设计。在人工养殖方面具有可操作性，可以将系统稍作修改应用于其他的舍内养殖。在人工方面节约大量成本，还能更准确的控制舍内环境，避免因环境关系而造成的损失。

虽然这个设计做的比较简单，很多东西都考虑的不是很细，也有一些特别情况没有做，但是用了很多精力用来完成这个论文，鉴于个人知识有限和时间的关系所以并没有把自己当初设想的所有情况都考虑进去，基本实现大体功能，这两个月的毕业论文让我学会的很多，觉得自己学的太少还有很多需要认真学习，学无止境，所以要更努力。

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致谢

踉踉跄跄地忙碌了两个月，我的毕业设计课题也终将告一段落。点击运行，也基本达到预期的效果，虚荣的成就感在没人的时候也总会冒上心头。但由于能力和时间的关系，总是觉得有很多不尽人意的地方，譬如功能不全、外观粗糙、底层代码的不合理……数不胜数。可是，我又会有点自恋式地安慰自己：做一件事情，不必过于在乎最终的结果，可贵的是过程中的收获。以此语言来安抚我尚没平复的心。

毕业设计，也许是我大学生涯交上的最后一个作业了。想籍次机会感谢四年以来给我帮助的所有老师、同学，你们的友谊是我人生的财富，是我生命中不可或缺的一部分。我的毕业指导老师XX老师，她一直以来以一位长辈的风范来宽容我的过错，给我不厌其烦的指导。在此，特向她道声谢谢。

大学生活即将匆匆忙忙地过去，但我却能无悔地说：“我曾经来过。”大学四年，但它给我的影响却不能用时间来衡量，这四年以来，经历过的所有事，所有人，都将是我以后生活回味的一部分，是我为人处事的指南针。就要离开学校，走上工作的岗位了，这是我人生历程的又一个起点，在这里祝福大学里跟我风雨同舟的朋友们，有一个绚烂缤纷的未来。