0引言

隨著高密度集約化的飼養(yǎng)方式發(fā)展，豬舍環(huán)境的問題漸漸的弓起人們的重視，由于人們對健康的重視，對豬肉及其制品的依賴，很多部門也十分關注豬只生長環(huán)境，但豬的生長及個體繁殖都受到豬舍空氣環(huán)境的制約。豬舍生長環(huán)境的監(jiān)控是一個復雜的過程，調(diào)控的目標是為豬只生長繁殖提供合理的生活環(huán)境，豬舍環(huán)境氣體成份復雜，它是一個典型的非線性多變量系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制方法采用大量傳感器獨立運算和處理，很難實現(xiàn)精確控制，而模糊控制則為各個參量的精確測控提供依據(jù)，有效的解決了自動控制的問題。

1系統(tǒng)控制原理

豬舍環(huán)境含有很多氣體成份，比重較大的如二氧化碳、氨氣等，這些氣體的光度易受環(huán)境因素的影響，也受豬只個體數(shù)量及密度有密切關系，當外界氣候是不利于氣體擴散時，豬舍有害氣體成份會明顯增加，當豬只個體分布密度達到一定程度時，局部有害氣體的濃度也會明顯增加，因此，從理論角度分析，豬舍環(huán)境是一個具有參數(shù)分布、延時大、耦合多變量的非線性復雜對象，針對這樣的復雜多變的環(huán)境，我們要做的主要任務是能夠完也多目標動態(tài)的協(xié)調(diào)控制。一般情況下，現(xiàn)有的控制技術多采用測量值和設定值比較的方法來控制，也有另外一部分是采用自適應整定算法，理論上后者也是很容易實現(xiàn)，但由于調(diào)整實驗實用的P參數(shù)和I參數(shù)是很困難的,因為不同的地方、不同的季節(jié)及不同的天氣都會有很大的影響,故不能取得良好的效果。采用模糊控制原理，正好可以很好的適應豬舍控制的特點，具有動態(tài)響應好、時間反應快的優(yōu)點，更重要的是無須精確了解控制對象狀情況，因此，豬舍環(huán)境控制用模糊控制算法更為合適。

模糊控制技術是以模糊邏輯推理為作為理論基礎，它利用當前流行的計算機微控制技術來實現(xiàn)的一種數(shù)字控制閉環(huán)系統(tǒng)。模糊控制的控制器在進行模糊推理時必須是模糊量,因此如果輸入量是非模糊時，需要首先轉(zhuǎn)化為模糊量。模糊轉(zhuǎn)化的過程是把確定的量變成模糊集的過程。它的主要作用是依據(jù)輸入語言變量的隸屬度函數(shù)來確定對應的每個語言值的隸屬度［%根據(jù)模糊規(guī)則的判定以及事先規(guī)定好的推理方法求出模糊輸出量的過程，模糊輸出量也必須轉(zhuǎn)化為非模糊的輸出，這個過程也就是將模糊集轉(zhuǎn)換成確定值的過程。本系統(tǒng)測量的參數(shù)由溫濕度、光照、CO2和NH3組成，系統(tǒng)各個參數(shù)均以模糊控制原理根據(jù)傳感器參數(shù)來控制調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，本系統(tǒng)以溫度為例采用分級模糊控制，系統(tǒng)控制原理如圖1所示。

2 系統(tǒng)結構設計

豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由主控制器、溫濕度傳感器、光照變換模塊、CO2氣體傳感器、NH3氣傳感器等檢測電路構成,控制部分由繼電器、電源電路、LCD顯示電路、通信電路構成。系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。

系統(tǒng)工作原理如下：光照傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器采用數(shù)字接口，直接接到單片機I。口上，二氧化碳氣傳感器和氨氣傳感器采用模擬接口，采集氣體信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)運放放大，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換輸入微控制器，LCD液晶屏顯示當前測量的環(huán)境參數(shù)值。驅(qū)動電路根據(jù)控制信號開關繼電器和報警器指示。根據(jù)環(huán)境的控制需要事先把報警和各參數(shù)的控制閥值存儲在EEPROM內(nèi)部，系統(tǒng)用無線通信模塊經(jīng)由計算機來下達各種命令，如實時查詢各測量值，控制繼電器動作等，來達到對環(huán)境的實時監(jiān)控叫由于豬舍環(huán)境中氣體的腐蝕性較大，采用一般的空氣傳感器壽命是個問題,所以采用土壤型專用傳感器，它采用I2C總線的數(shù)據(jù)接口，與微控制器的接口及電路設計都十分簡單。這種傳感器的突出優(yōu)點是把信號處理和傳感元件集成起來，直接輸出全標定的,能夠被直接讀出數(shù)字信號。具有極高的穩(wěn)定性卓越的可靠性,在同一集成單元內(nèi)部，集成有14位的A/D轉(zhuǎn)換器和串行總線接口，具有超強的抗干擾能力。

氨氣濃度檢測采用MQ-系列氣體傳感器，這種傳感器的特點是采用在干凈空氣中電導率較低的二氧化錫做氣敏材料,MQ-系列氣體傳感器對氨氣的靈敏度高，反應很快，它還可以同時檢測多種混合有含氨的氣體要樣，對有機胺的實時監(jiān)測也十分理想，另外它的成本也很低，是理想的氨氣濃度檢測選擇。換氣風扇使用大功率的輪轉(zhuǎn)風機，它的物理結構采用先進的前凸形彎狀葉片、低噪音的轉(zhuǎn)子采用與電機直連系統(tǒng),可置于墻壁邊或平放于地面上，風扇電機由于功率較大，工作電壓一般為380V,普通的單片機一般工作在TTL電平，強電和弱電無法直接連接，因此系統(tǒng)通過繼電器來驅(qū)動電機來開關控制風扇，這是一種常用的典型以小電流去控制大電流運作的驅(qū)動電路。

本系統(tǒng)設計采用的是STC12C5A60S2單片機，它具有運行速度高、指令周期短、功耗低、抗干擾能力強的特點，與傳統(tǒng)的8051單片機無論從硬件引腳上，還是指令代碼上完全兼容，內(nèi)容集成有專用的復位電路，內(nèi)部資源有PWM、ADC控制器、兩個串行口，通過配置可以動態(tài)的增加RAM的大小，STC12C5A60S2單片機內(nèi)部就自帶高達60KBFLASHROM,盡管ROM的空間很大，但對它的擦除改寫一點也不受影響，STC系列單片機支持串口程序燒寫。所以只需有一個MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片即實現(xiàn)在線下載，無需另外購置下載器,因而開發(fā)成本大大降低，開發(fā)時間也大大縮短田。

光照傳感器采用BH1750,BH1750單元內(nèi)部集成有一個16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能對環(huán)境光進行轉(zhuǎn)換，然后能夠直接輸出一個數(shù)字信號，不需要做復雜的計算，只需要按照輸出的數(shù)據(jù)格式組合就得到光強值，更為突出的是它量個兩線制的I2C接口，可以和單片機直接相連，無需額外的驅(qū)動電路，使用起來非常方便。

3模糊控制參數(shù)的設計

豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)的參數(shù)檢測比較多，本設計以溫度監(jiān)控為例，把溫度設定值與測量值的誤差e和誤差變化率e°作為模糊控制器的輸入量，出量為閥門開通時間T,其模糊控制器框圖如圖3所示。

工作過程如下：控制器定時采樣溫度值和溫度變化率，再與設定值進行比較，進而得到誤差E和誤差變化率Ec，把E和Ec作為模糊控制器的輸入量，而控制繼電器的開通時間作這模糊控制器的輸出[5]。實現(xiàn)模糊控制就是要實現(xiàn)對輸入量模糊化，做模糊推理和把模糊量變?yōu)榫_量。e和ec模糊化后的模糊量分別為E和Ec，U為模糊控制量，去模糊化后的精確量為T。根據(jù)模糊理論的控制要求，輸入變量要進行模糊化加工，輸出變量要進行去模糊化也就是精確化處理。把E的詞集分為七檔，記做{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}，含義分別是負大、負中、負小、零、正小、正中、正大，變化率ec及輸出控制量u的量化等級都為13級，論域為{－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}。E的初值表如表1所列。

室內(nèi)溫制受天氣及風速流動因素的影響很大，依據(jù)室溫控制經(jīng)驗及外界不同季節(jié)天氣影響的特點，如果e變化較大時,控制量選擇以平均法來克服消除誤差；當室內(nèi)溫度誤差變化不大時，把控制的精度作為主要方面，控制的目標是平穩(wěn)，不過沖，得出模糊控制規(guī)則如表2所列。表1變量的E賦值表和表2模糊控制規(guī)則表從輸出U的隸屬函數(shù)取出與NB0對應的向量，可求得與另外34條模糊控制語句相對應的模糊關系矩陣R，氏，，，氏5，最后根據(jù)已知的R，(i=1,2,,,35),再通過矩陣運算得到模糊關系矩陣，這與模糊控制規(guī)則表相對應，矩陣運算是由微處理器來完成的，在35條規(guī)則中，有一部分是可以合并的，這樣計算機的計算量可以減少。為了得到精確輸出，需要先對E求出對應的模糊向量，對Ec求出對應的最大隸屬度，最后進再利用和反模糊化，得出確定的輸出。本系統(tǒng)設計的控制變量輸出信號為控制信號的持續(xù)時間，是由于豬舍環(huán)境控制對象為開關控制機構。

表2模糊控制規(guī)則表

4實驗結果

對幼豬的100m2小屋內(nèi)用模糊控制溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行獨立實驗，用一周的時間進行測量分析，把每天分為四個階段,8:00?12:00、13:00?17:00、18:00?22:00、23:00?3:00,每次3個小時的連續(xù)監(jiān)測，隨機抽取一組，實驗測得的數(shù)據(jù)如圖4所示。

從圖中可以看出，控制精度很高，基本上沒有過沖的問題,而采用傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制方法，溫度波動很大，過沖量也很大,系統(tǒng)用電量明顯增加，用模糊控制器來控制溫度，響應速度快,溫室內(nèi)溫度變化小，有利于豬只的生長，適合規(guī)模化養(yǎng)殖的需要。

5結語

本文以幼豬生活環(huán)境的溫度應用系統(tǒng)的為基礎，采用模糊控制器進行了設計和研究，從開關量簡控制和模糊控制的實驗對比來看，表明了模糊控制器在運行時波運性很小，對豬舍環(huán)境溫度來說，過部量基本上可以忽略，模糊控制的精髓是依據(jù)經(jīng)驗根據(jù)被控制對象設計模糊控制方案，可以靈活的改變實驗數(shù)值，也可以建立模糊經(jīng)驗值數(shù)據(jù)庫，供不同條件和環(huán)境下查表使用，可提供更加靈活精確的控制，它被控對象的數(shù)學模型沒有關系，簡單易行。本項目在對其它量的測量上，如氨氣、二氧化碳氣體的濃度等的控制也采用類似的模糊控制算法，也得到良好效果，從而驗證了模糊控制技術在實際應用上的優(yōu)越性。

20211122_619ba784e75bd__基于多傳感器模糊控制的豬舍環(huán)境測控系統(tǒng)設計