一種基於CAN現場總線的雞舍環境溫度檢測系統的製作方法

2023-12-02 16:09:26

本發明涉及農業牲畜養殖自動化裝備的技術領域，具體涉及一種基於can現場總線的雞舍環境溫度檢測系統。

背景技術：

雞舍的溫度是影響肉仔雞生長發育的一個重要環境因素，溫度的控制是否得當直接關係到肉仔雞的生長。肉雞飼養前期個體小，絨毛稀、體溫調節能力差，對環境溫度的變化十分敏感。只有為其創造一個適宜的溫度環境，才能能獲得較高的成活率、增重速度和飼料報酬。因此，在肉仔雞的整個飼養期內都要注意對雞舍溫度的控制。對肉雞和蛋雞的生產過程來說，雞舍的溫度控制最為關鍵。在每年夏季高熱天氣情況下，當溫度在27℃以上時就會使得雞群產生不利的應激反應。熱應激反應會對雞群的新陳代謝產生影響，使得雞的採食量降低，影響肉和蛋的轉化。嚴重時會直接引起各種疾病，進而導致雞群死亡。在影響產蛋雞生產性能的諸多因素中，雞舍環境溫度最為突出。每年夏季高溫天氣，當雞舍溫度持續超過27℃時便會不同程度地產生熱應激。熱應激狀態影響產蛋雞的採食量和營養物質代謝等生理機能，進而影響產蛋雞的健康及其生產性能，甚至導致發病或成批地死亡。如何有效地搞好雞舍的降溫工作，為產蛋雞群創造適宜的生活環境，儘可能地減少或避免由於雞舍溫度過高造成的不必要損失，是夏季產蛋雞生產取得較好經濟效益的關鍵。因此，搞好雞舍的降溫工作能夠保證產出，提高肉和蛋的產量，使家禽養殖持續穩定地創造經濟效益。適宜溫度不僅能使雞群健康成長，而且提高經濟效益，最大程度地發揮生產性能。溫度低時會導致雞群採食量增多，從而增加生產成本，也可能導致腹瀉、誘發呼吸道疾病。不論哪一種情況，都可能嚴重影響雞群的健康成長。溫度過高時，會顯著抑制雞群的食慾，尤其當溫度超過40℃時，會導致雞的死亡。高溫也會引起產蛋量的下降，軟殼蛋增多，高溫也會使得精液稀薄，精子數量變少且沒有活力，進而影響受精率。高溫也會直接影響飼料的保質期，降低經濟效益。肉仔雞在適宜溫度環境中,能獲得較高的成活率增重速度和飼料報酬。溫度適宜時,雛雞在室內散布均勻、活潑好動、羽毛光順、緊貼體表,睡眠時較為安靜,吃食時爭先恐後。溫度太低時,雛雞就會出現低溫表現,雛雞擁擠於熱源附近或某角落,羽毛蓬鬆,精神萎頓，發出連續不斷的叫聲。這樣時間長了,容易引起雛雞感冒或被壓死。必須立即加溫,並驅散擠堆雛雞。溫度過高時,雛雞遠離熱源,展翅爬臥,張口喘氣,爭相喝水,飲水器內常常無水,絨毛卻溼了。時間長了,會使雛雞體質衰弱,生長受阻,甚至熱死。溫度過高時要逐漸降溫,但要注意,驟然降溫會引起感冒。隨著我國蛋雞養殖行業的快速發展及蛋雞單棟飼養量的不斷增加，我國的雞舍類型由最初的開放式雞舍基本轉變為密閉式雞舍，實現了雞舍內環境的人為控制，擺脫了雞生產對外界氣候環境的依賴，雞舍環境得到很大程度改善，為蛋雞提供適宜的、相對穩定的生活生產環境。但是由於雞舍設計不合理、設備落後、控制系統不完善等原因導緻密閉式雞舍內環境仍存在許多問題，而相對於春、夏、秋三季，冬季雞舍環境問題更為突出。密閉式雞舍在冬季存在溫度低、溼度高、氨氣濃度高等問題，並且溫度、溼度和氣流等溫熱環境因素是影響動物生理機能、生產性能和健康的關鍵因素。查凌雁等研究密閉式雞舍冬季環境特徵及其對產蛋率的影響，韓玉坤研製基於can總線在大型雞舍溫度測控系統，王進聖等研究雞舍環境控制系統，王歡等研製基於無線傳輸的雞舍環境遠程檢測系統，李麗華等設計蛋雞個體生產性能參數檢測裝置，但是這些系統都沒有根據雞舍環境溫度變化的非線性、大滯後和雞舍面積大溫度變化複雜等特點，對雞舍環境的溫度進行檢測與融合，從而極大的影響雞舍環境溫度的調控，本發明專利根據雞舍環境溫度變化的特點，提出一種基於can現場總線的雞舍環境溫度檢測系統，該系統由基於can現場總線的雞舍環境參數採集平臺和雞舍環境多點溫度融合模型組成，實現對雞舍環境溫度的精確檢測，對提高雞舍的養殖效益起到很好的推動作用。

技術實現要素：

本發明提供了一種基於can現場總線的雞舍環境溫度檢測系統，本發明不但有效解決了傳統雞舍環境由於設計不合理、設備落後、控制系統不完善等原因導緻密閉式雞舍內環境仍存在許多問題，而且有效解決了現有的雞舍環境監測系統，沒有根據雞舍環境溫度變化的非線性、大滯後和雞舍面積大溫度變化複雜等特點，對雞舍環境的溫度進行檢測與融合，從而極大的影響雞舍環境溫度的調控問題。

本發明通過以下技術方案實現：

一種基於can現場總線的雞舍環境溫度檢測系統，所述環境溫度檢測系統由基於can現場總線的雞舍環境參數採集平臺和雞舍環境多點溫度融合模型兩部分組成，基於can現場總線的雞舍環境參數採集平臺實現對雞舍環境因子參數進行檢測、調節和監控，雞舍環境多點溫度融合模型基於雞舍環境多點溫度傳感器的區間數值的相似度矩陣與灰色關聯度矩陣求得的相似度融合權重、灰色關聯度融合權重和均方根組合權重實現對雞舍環境多點檢測點的溫度值進行精確融合，提高雞舍環境溫度檢測精確度、魯棒性和可靠性。

本發明進一步技術改進方案是：

所述基於can現場總線的雞舍環境參數採集平臺由檢測節點、控制節點和現場監控端組成，它們通過can現場總線構建成雞舍環境參數採集平臺。檢測節點分別由傳感器組模塊、單片機和通信模塊組成，傳感器組模塊負責檢測雞舍環境的溫度、溼度、風速和有害氣體等雞舍小氣候環境參數，由單片機控制採樣間隔並通過通信模塊發送給現場監控端；控制節點實現對雞舍環境參數的調節設備進行控制；現場監控端由一臺工業控制計算機和rs232/can通信模塊組成，實現對檢測節點檢測雞舍環境參數進行管理和對雞舍環境多點溫度進行融合。基於can現場總線的雞舍環境參數採集平臺見圖1所示。

本發明進一步技術改進方案是：

所述雞舍環境多點溫度融合模型通過把雞舍環境各個時段檢測點溫度傳感器值轉化為區間糊數，定義區間數的相似度和灰色關聯度，構建相似度矩陣和灰色關聯度矩陣，求得雞舍環境各個檢測點溫度傳感器值的相似度融合權重和灰色關聯度融合權重，基於信息熵原理和兩種融合權重求得雞舍環境多點溫度傳感器值融合的組合權重，雞舍環境各個檢測點溫度傳感器值與各自溫度傳感器值融合的組合權重積的相加和為雞舍環境多個檢測點溫度融合模型的值，該組合權重既考慮了不同檢測點溫度傳感器的區間數值之間相似度，也考慮了不同檢測點溫度傳感器的區間數值之間的灰色關聯度，提高了雞舍環境多點溫度傳感器值融合精度。具體方法見圖2所示。

本發明與現有技術相比，具有以下明顯優點：

一、本發明針對溫度傳感網絡測量雞舍環境溫度過程中，傳感器精度誤差、幹擾和測量溫度值異常等問題存在的不確定性和隨機性，本發明專利將雞舍環境溫度傳感器測量的溫度值用區間數形式表示，有效地處理了雞舍環境溫度傳感器測量參數的模糊性和不確定性，提高了雞舍環境溫度傳感器融合值的客觀性和可信度。

二、本發明將雞舍環境溫度參數轉化為區間數形式，定義兩兩區間數的相似度，構建相似度矩陣，根據雞舍環境每個檢測點溫度傳感器區間數的相似度佔整個雞舍環境溫度傳感器的溫度傳感器區間數相似度和的比為該檢測點溫度傳感器值的相似度融合權重αi，提高了雞舍環境溫度融合值的精確性和科學性。

三、本發明將雞舍環境溫度參數轉化為區間數形式，定義雞舍環境每個檢測點溫度傳感器區間數與該時刻雞舍環境溫度傳感器極大和極小區間數值的灰色關聯度，分別構建每個檢測點溫度傳感器區間值與雞舍環境極大區間值和極小區間值的灰色關聯度矩陣，根據每個檢測點溫度傳感器值的兩種平均關聯度積的倒數佔整個雞舍環境檢測點溫度傳感器值與極大值和極小值的平均關聯度積的倒數和的比為該檢測點溫度傳感器值的灰色關聯度融合權重βi，提高了雞舍環境溫度融合值的精確性和科學性。

四、本發明根據最小相對信息熵原理，組合權重wi與αi和βi都應儘可能接近，根據每個檢測點的兩種權重αi與βi積的均方根佔整個雞舍環境溫度傳感器的兩種權重積的均方根和的比為該檢測點溫度傳感器值融合的組合權重，該組合權重既考慮了該檢測點溫度傳感器值的相似度融合權重αi，也考慮了該檢測點溫度傳感器值的灰色關聯度融合權重βi，該組合權重提高雞舍環境溫度融合值的精確性、可靠性和科學性，雞舍環境溫度融合值更加反映雞舍環境溫度值的真實性。

附圖說明

圖1基於can現場總線的雞舍環境參數採集平臺；

圖2雞舍環境多點溫度融合模型；

圖3檢測節點功能圖；

圖4控制節點功能圖；

圖5現場監控端軟體功能圖；

圖6雞舍環境參數採集臺平面布置圖。

具體實施方式

1、系統總體功能的設計

本發明實現對雞舍環境因子參數進行檢測和雞舍環境多點溫度融合，該系統由基於can現場總線的雞舍環境參數採集平臺和雞舍環境溫度多點融合模型兩部分組成。基於can現場總線的雞舍環境參數採集平臺包括雞舍環境參數的檢測節點1和調節雞舍環境參數的控制節點2，通過can現場總線方式構建成測控網絡來實現檢測節點1、控制節點2和現場監控端3之間的現場通信；檢測節點1將檢測的雞舍環境參數發送給現場監控端3並對傳感器數據進行初步處理；現場監控端3把控制信息傳輸到檢測節點1和控制節點2。整個系統結構見圖1所示。

2、檢測節點的設計

採用基於can現場總線的檢測節點1作為雞舍環境參數感知終端，檢測節點1和控制節點2通過can現場總線方式實現與現場監控端3之間的信息相互交互。檢測節點1包括採集雞舍環境溫度、溼度、風速和有害氣體參數的傳感器和對應的信號調理電路、stc89c52rc微處理器；檢測節點的軟體主要實現現場總線通信和雞舍環境參數的採集與預處理。軟體採用c語言程序設計，兼容程度高，大大提高了軟體設計開發的工作效率，增強了程序代碼的可靠性、可讀性和可移植性。檢測節點結構見圖3。

3、控制節點

控制節點2在輸出通路設計了4路d/a轉換電路實現對溫度、溼度、風速和有害氣體的調節輸出量控制電路、stc89c52rc微處理器和無線通信模塊接口，實現對雞舍環境控制設備進行控制，控制節點見圖4。

4、現場監控端軟體

現場監控端3是一臺工業控制計算機，現場監控端3主要實現對雞舍環境參數進行採集和多點溫度融合，實現與檢測節點1與控制節點2的信息交互，現場監控端3主要功能為通信參數設置、數據分析與數據管理和雞舍環境多點溫度融合。該管理軟體選擇了microsoftvisual++6.0作為開發工具，調用系統的mscomm通信控制項來設計通訊程序，現場監控端軟體功能見圖5。雞舍環境多點溫度融合模型算法如下：

①、雞舍環境溫度傳感器值的轉化為區間數

設雞舍有m個傳感器均衡布置於雞舍環境中實現對雞舍溫度進行檢測，每個溫度傳感器每一段時刻檢測的溫度構成一個區間數，m個傳感器在k(1，2，…n)時段構成的溫度矩陣如1式所示。

②、基於灰色關聯度的雞舍溫度傳感器值的灰色關聯度融合權重βi的求取

a、定義雞舍環境溫度傳感器值的灰色關聯度

計算每個傳感器在k時段與m個傳感器在每個k(1，2，…n)時段極大溫度值的關聯度，定義如下公式：

b、構建雞舍環境溫度傳感器值的灰色關聯度矩陣

通過計算每個傳感器在不同時段與極大溫度值的灰色關聯度，可以構建如下的關聯度矩陣：

根據矩陣b可以得到每個傳感器檢測溫度值與極大溫度值的平均關聯度，如下公式所示：

同理，計算每個傳感器在k時段與m個傳感器在每個k(1，2，…n)時段的極小溫度值的關聯度，定義如下公式：

同理，通過計算每個傳感器在不同時段與極小溫度值的灰色關聯度，可以構建如下的關聯度矩陣：

根據矩陣c可以得到每個傳感器檢測溫度值與極小溫度值的平均關聯度，如下公式所示：

c、求取雞舍環境溫度傳感器值的灰色關聯度融合權重

根據每個傳感器在不同時段檢測溫度值與極大溫度值和極小溫度值的灰色關聯度的大小可知，如果關聯度越大，該傳感器檢測雞舍溫度實際值偏離真實值越大，因此可以通過下面的公式確定，每個傳感器在雞舍溫度融合中的權重，公式如下：

③、基於相似度的雞舍環境溫度傳感器值的相似度融合權重αi的求取

a、構建雞舍環境溫度傳感器值的相似度矩陣

根據任意不同兩個傳感器在同一時段檢測雞舍環境溫度的相似度，可以構建傳感器檢測雞舍溫度的相似度矩陣s，s如下所示：

b、定義雞舍環境溫度傳感器值的相似度

在相似度矩陣中,sab表示a和b的相似度，a為和b為且設qj(j＝1,2,3,4)為al，au，bl，bu中的第j大的數，sgn為符號函數。矩陣s每行的每個傳感器的平均相似度為：

c、求取雞舍環境溫度傳感器值的相似度融合權重

根據每個傳感器檢測雞舍每個檢測點的溫度值的相似度佔所有檢測點傳感器值的相似度和的比確定每個檢測點傳感器檢測溫度值在整個雞舍溫度值融合中的權重為：

④、基於最小相對信息熵原理的組合權重wi的求取

根據相似度理論和灰色關聯度確定雞舍溫度傳感器參數融合的權重αi和βi，組合權重wi，顯然wi與αi、βi和都應儘可能接近，根據最小相對信息熵原理有：

用拉格朗日乘子法解上述優化問題得：

⑤根據組合權重得到雞舍環境多點溫度融合模型為：

其中k為時間，i為檢測點，xi為k時刻第i個檢測點溫度，wi為第i個檢測點組合權重。

5、雞舍環境溫度檢測系統的設計舉例

根據雞舍環境的狀況，系統布置了檢測節點1和控制節點2和現場監控端3的平面布置安裝圖，其中檢測節點1均衡布置在被檢測雞舍環境中，整個系統平面布置見圖6，通過該系統實現對雞舍環境參數的採集與雞舍環境溫度檢測。

本發明方案所公開的技術手段不僅限於上述實施方式所公開的技術手段，還包括由以上技術特徵任意組合所組成的技術方案。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍。