SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要：针对鸡苗育雏普遍存在因温度不适导致集体发病、氨气浓度超标导致死亡、清理粪便工作繁重的问题，在分析了幼雏生长过程所需的环境参数后，结合PCB设计、机械结构设计、嵌入式设计相关理论，设计了一款智能育雏鸡舍。以ESP32-32E为核心的主控台，通过ZigBee无线通信模组与控制器进行数据交互，且可以将鸡舍环境数据实时传送到手机终端；控制器以IAP15W4K61S4为核心，通过传感器检测鸡舍温湿度、氨气浓度，进而控制鸡舍温湿度、鸡粪便清理装置的运行。最后制作实验样机，可远程实时查看鸡舍环境数据，并自动控制鸡舍温湿度、光照、氨气浓度及鸡粪便清理和饲料投放，相比同类设计，其功能更为完善，能给雏鸡养育生长环境监测与控制研究提供参考方案。此外，智能育雏鸡舍具有更强的可移动性和独立保温性，从而提升其对于特殊环境的适应能力。
关键词：智能育雏鸡舍；环境监测与控制；ESP32-32E；IAP15W4K61S4
Design of Intelligent Brooding Chicken Coop Based on Internet of Things Technology
Wei Faqing，Huang Peiqiang，Cheng Haoxuan，Wen Dongyuan，Chen Sihao
(Zhanjiang University of Science and Technology,Zhanjiang,Guangdong 524094,China)
Abstract:In view of the common problems of collective morbidity due to temperature discomfort,death caused by excessive ammonia concentration,and heavy manure cleaning work in chicken chicks,an intelligent brood chicken coop is designed after analyzing the environmental parameters required for the growth process of chicks,combined with PCB design,mechanical structure design and embedded design related theories.The device takes ESP32-32E as the core of the main console,through the ZigBee wireless communication module to interact with the controller data,and can transmit the chicken house environmental data to the mobile phone terminal in real time.The controller takes IAP15W4K61S4 as the core,detects the temperature and humidity and ammonia concentration of the chicken house through the sensor,and then controls the temperature and humidity of the chicken house and the operation of the chicken manure cleaning device.Finally,the experimental prototype is made to realize the remote real-time viewing and control of the temperature and humidity,light,ammonia concentration of the chicken coop and the automatic cleaning of chicken manure and feed feeding,which is more complete than similar design functions,and can provide a reference scheme for the monitoring and control of the environment for the breeding and growth of chicks.In addition,the smart brood house has stronger mobility and independent insulation,thereby improving the adaptability of the design to special environments.
Key words:intelligent brooding chicken coop;environmental monitoring and control;ESP32-32E;IAP15W4K61S4
0引言
传统的养殖方式一般采用全封闭式或半封闭式两种，从而导致了在幼雏初生期时因成鸡供暖不足或夜盲离群致使幼雏受凉发病，因粪便堆积致使幼雏氨气中毒[1-2]。同时，全封闭式鸡苗育雏存在着能耗大、受风体积大使其易被恶劣天气摧毁、设备造价成本高等问题，不适合中小型养殖户和农村家庭鸡苗育雏[3]。
目前，国内对于智能育雏鸡舍进行了大量的研究并提出了相应的解决方案。孙学岩[4]研究了如何利用模糊控制算法针对鸡舍内环境参数搭建智能测控系统，赵晓旭等[5]研究了密闭式鸡舍环境参数主成分线性加权评估模型，张辉鑫等[6]研究了基于农事体验的鸡舍智能环境检测和控制，陈冠定等[7]、袭著震等[8]研究了基于PLC的智能育雏鸡舍喂食控制系统，许晨曦等[9]、纪云峰等[10]研究了基于物联网技术的远程控制智能智控鸡舍。上述文献虽然基本阐述了智能育雏鸡舍的控制方案和环境数据检测方案，但是都未以幼雏生长过程中所需的条件为依据，对鸡舍进行智能化、联网化的设计与研究。
本文提出的智能育雏鸡舍由控制器作为核心、主控台作为数据中转站、微信小程序作为远程监控终端3部分构成。主控台以ESP32-32E为核心，用于对控制器进行数据交互；控制器以IAP15W4K61S4为核心，用于检测和控制鸡舍内环境参数、喂食等；微信小程序实现鸡舍环境数据的远程实时查看和控制，同时控制饲料的投放，给幼雏保障了良好的生长环境及喂养方式。智能育雏鸡舍作为家禽养殖的重要养殖辅助设备，具有功能科学、较强的特殊环境适应能力、性能安全稳定等各项优势。在正常情况下智能育雏鸡舍可以提供更为科学、全面的养殖环境；同时在暴雨、台风等恶劣天气情况下，由于每个智能育雏鸡舍都有相对密闭的独立封装和供暖系统，使得智能育雏鸡舍具有更强的可移动性和独立保温性。
1硬件系统方案设计
1.1系统整体设计
智能育雏鸡舍系统由主控台、控制器、微信小程序3部分组成。主控台以ESP32-32E为核心，通过ZigBee无线通信模组与控制器、远程监控终端进行数据交互，接收控制器上各传感器的数据并进行实时显示，还可通过微信小程序对智能育雏鸡舍的各项数据进行实时查看；控制器以IAP15W4K61S4为核心，采用DHT11检测温湿度、MQ135检测氨气浓度，并采集压力传感器的数据，根据各传感器的参数控制保温装置、换气装置、散热装置和传送带等装置运行[11-13]。其中，主控台系统中包含电源、ESP32-32E单片机、TFT屏、ZigBee局域网通信等部分；控制器系统中包含IAP15W4K61S4单片机、ZigBee局域网通信、电源、DHT11温湿度采集、MQ135氨气采集、按键控制、指示灯、自动粪便清理、湿度控制、自动喂食、遮光控制等电路；微信小程序可查看幼雏生长周期、鸡舍内温湿度、氨气浓度等实时数据。
在主控台系统中，ZigBee局域网通信电路用于接收控制器的数据，然后由ESP32-32E单片机进行处理后在TFT屏上显示各个鸡舍的数据，并由ESP32-32E把数据送到云服务器，然后通过微信小程序实现远程查看。主控台硬件系统框图如图1所示。
在控制器系统中，IAP15W4K61S4单片机收集DHT11温湿度传感器、MQ135氨气传感器的数据，通过ZigBee局域网通信电路发送到主控台，并且判断各项数据是否超出阈值，进而控制加热或降温电路的启动。控制器系统控制自动喂食电路、自动清理粪便电路的定期运行；还可通过按键实时调节鸡舍内环境参数，实现根据实际情况对鸡舍环境进行灵活的调节。控制器硬件系统框图如图2所示。
1.2主控台设计方案
主控台功能为显示各个鸡舍的数据并发送到微信小程序。在主控台系统中，采用2.4 in的TFT屏显示来自控制器的实时数据，若鸡舍某项参数超出阈值，则蜂鸣器发出警告。
在预选方案中，LCD12864显示屏可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可以完成图形显示，但无法实现界面的灵活切换，需要外接点触按键才能实现；OLED屏不仅更轻薄、能耗低、亮度高、发光率好、可以显示纯黑色，并且还可以做到弯曲，大大提高了实用性和安全性，但同样需要外加点触按键才能实现界面的切换，这将会增大主控台的体积。最终选用2.4 in的TFT屏作为显示装置，其信号传递采用SPI通信协议实现，通过逐行扫描的方式驱动TFT屏。
1.3控制器设计方案
1.3.1功能需求分析
(1)控制器根据幼雏生长所需的温湿度控制各个模块协调运作，同时以鸡舍内幼雏的生长周期为参数调节鸡舍内的饲养环境[14]。
(2)通过压力传感器测出鸡舍内幼雏的体重，换算出当前幼雏的生长周期，设置饲料投放量参数进而控制饲料的投放。
(3)将多个鸡舍的环境参数和生长周期等数据发送到主控台。
1.3.2方案设计
在控制器系统中，IAP15W4K61S4单片机获取并处理DHT11温湿度传感器和MQ135氨气传感器采集的数据，判断是否启动外接设备控制各个鸡舍的生长环境。
以一个鸡舍为例，当鸡舍内部的温度低于该批次周期幼雏的生长温度时，控制舵机调节加热装置，增大其输出功率，使鸡舍内的温度提高至阈值并相对稳定。温度过高时，控制器降低加热装置输出功率，并控制舵机启动散热装置进行降温，降至阈值后，散热装置停止运作。
正常运作下换气装置慢速运行，实现鸡舍内外空气的交换；若MQ135氨气传感器检测到鸡舍内氨气浓度超标，换气装置提高转速，加快空气的交换，使鸡舍内环境参数保持在适合幼雏生长的范围内。
控制器主控芯片通过压力传感器测出鸡舍内幼雏的体重，换算出当前幼雏的生长周期，设置饲料投放量参数进而控制饲料的投放。控制器主控芯片控制继电器使传送带定期转动，实现粪便的清理。
2软件系统设计方案
2.1控制器设计
上电后控制器系统初始化，包括打开换气装置进行空气交换、打开保温装置使鸡舍内温度逐步上升至适宜温度，及持续光照24 h以上，避免幼雏出现恶癖。DHT11温湿度传感器实时获取鸡舍内温度，当鸡舍内温度过冷或过热时采取相应的措施。根据幼雏的生长体重，投喂幼雏所需的饲料量，提供其生长所需的光照时间；同时利用机械结构清理鸡舍内的粪便。当MQ135氨气传感器检测到鸡舍内氨气浓度超出阈值时，触发程序外部中断转而执行降低气体浓度的程序，保证鸡舍内氨气浓度在合理范围内。控制器主控芯片检测手动调整按键是否被按下，若出现意外或需要人为调整的情况时，手动按下选择模式按键并通过加减按键调整具外设的工作参数，避免因外部不可抗力因素而造成无法挽回的巨大损失。控制器程序框图如图3所示。
2.1.1温度控制
为保证幼雏成活率必须使鸡舍内温度保持在合适的范围内，通过DHT11温湿度传感器实时获取当前鸡舍内温度数值后，通过ZigBee模块向主控台发送温度数据，同时判断当前温度是否处于阈值范围内。若温度过高，开启散热装置同时调低保温装置的输出功率，此后再次判断是否超出温度上限，若仍过热则重复执行上述操作；若温度过低，调高保温装置输出功率，工作3 s后再次判断是否低于温度下限，若仍过冷则重复执行上述操作。通过不断调整功率使保温装置的输出功率达到最佳效果，保证鸡舍内温度恒定在最适合幼雏生长的范围内。
2.1.2氨气检测
MQ135氨气传感器采集数据接入IAP15W4K61S4单片机上的外部模拟量数据采集引脚，进行AD模数转换，IAP15W4K61S4单片机对采集的数据作进一步处理转化成氨气浓度(ppm)后。判断当前所获取的氨气浓度是否超出阈值，若处于正常范围内，则发送阈值状态；若超出阈值，则开启换气装置进行换气同时启动传送带清理幼雏所产生的粪便，此后再次检测氨气浓度是否处于正常范围内，若仍超出阈值，则重复上述操作。
2.1.3光照与喂食控制
开始育雏时，向主控台发送开始育雏信息并记录下当前日期。打开遮光板连续照明24 h以上，同时启动小程序的喂食定时器和照明定时器。喂食定时器计时完成后，通过压力传感器获取鸡舍内幼雏的质量，以质量数据作为参数设置质量等级。根据质量等级的不同，控制投放的饲料量并且开启传送带清理鸡舍内粪便。照明定时器计时完成后，关闭遮光板并重新设置定时时间。根据质量等级的不同控制光照时长，给幼雏提供充分的照明时间。
2.1.4手动调节模式
当控制器主控芯片检测到保温装置控制按键被按下时，进入保温装置调节模式，加按键用于增加保温装置的工作功率，减按键用于减少保温装置的工作功率；当检测到风扇控制按键被按下时，进入风扇调节模式，加按键用于开启风扇，减按键用于关闭风扇。实现了根据现场实际情况人为手动灵活调整鸡舍内温度。
2.2主控台设计
通过ZigBee模块接收控制器发送的相关数据(包括鸡舍内温度、氨气浓度、生长周期)，利用主控台的ESP32-32E芯片将获得的数据转化成JSON格式后通过MQTT通信协议发送到微信小程序的服务器上[15]。同时，主控台对接收到的数据实时显示在TFT屏并进行相应的数据处理：获取到温度数据后判断是否超出温度范围，若超出范围蜂鸣器报警；获取到氨气浓度数据后判断是否超出浓度范围，若超出范围蜂鸣器报警；接收到生长周期数据后，判断该鸡舍是否开始育雏，若已经开始育雏则从服务器中获取当前日期并实时显示在TFT屏上。主控台程序框图如图4所示
2.3微信小程序
用户启动硬件，利用MQTT通讯协议将数据转化成JSON的格式并发送到MQTT服务器中，小程序通过域名、id、密钥等连接服务器，同时获取各传感器的参数并进行处理，通过不同的函数处理不同的数据。如：获取氨气浓度数据判断是否超出阈值，若浓度过高小程序上弹窗提醒，若浓度处于正常值，小程序显示不超标；获取温度数据，在主界面中显示实时温度。开始育雏时启动喂食定时器和照明定时器，并且小程序记录当前的时刻，获取传感器的标志位，判断两个定时器是否完成计数；若计数完成则小程序会记录当前标志位，同时发送wx.request请求到服务器中，控制器可从MQTT服务器中获取定时结果。微信小程序程序框图如图5所示。
3鸡舍结构设计
该设计以长80 cm、宽80 cm、高50 cm的拼装式铁笼为本体，传送带整体装置安装于鸡舍底网下方，传送带机械架上的刮片用于刮落附着在传送带上的粪便，离地面约高8 cm。加热装置安装于笼子顶部，以光的形式产热，并设计出6叶对开的叶子遮光板，遮光板以交错的方式安装，实现遮光板在关闭状态下仍然可传导热量。控制器固定在鸡舍前门，方便操作和观察；自动喂养装置通过专用管道进行投喂。鸡舍外围用铝膜珍珠棉保温铝箔密封整个鸡舍装置，尽可能减少热量损失。
4测试验证与结果分析
4.1温湿度检测与控制功能测试
在控制器系统中，加热装置的功率可调范围为35~270 W，鸡舍内最高温度可加热至52℃。当舵机每旋转1°，调压器输出功率改变1 W。
当DHT11温湿度传感器检测到当前温度超出阈值后，控制器获取当前温度数据并计算出超温度差值，控制继电器导通使散热装置工作，同时减小舵机的旋转角度来控制调压器的输出功率，降低加热装置的发热功率。使得鸡舍内温度降低到适合育雏生长的范围内，并确保加热装置的加热功率能提供相对恒定的、适宜的温度。经测试，在室温24℃情况下，加热装置的输出功率每降低10 W，鸡舍内温度在10 s内可降低1℃。
当DHT11温湿度传感器检测到当前温度低于阈值后，控制器获取当前温度数据并计算出低温度差值，增大舵机的旋转角度来控制调压器的输出功率，增大加热装置的发热功率。使鸡舍内温度提高到适合育雏生长的范围内，并控制鸡舍内温度恒定在合适范围内。经测试，室温24℃情况下，加热装置的输出功率每提升10 W，25 s后可将鸡舍内温度提高1℃。
4.2氨气浓度检测与粪便清理功能测试
当MQ135氨气传感器检测到鸡舍内氨气浓度超出阈值后，控制器通过主控芯片控制排气继电器导通使排气装置工作；同时控制传送继电器导通使承载鸡舍内粪便的传送装置工作，杜绝鸡舍内因粪便堆积而造成氨气浓度超标的情况发生。经测试，排气装置每降低1 ppm氨气浓度需要用时15 s，传送带装置的传送速度1.47 cm/s；从检测到鸡舍内氨气浓度超标，到启动排气、完成粪便清理后，使鸡舍内氨气浓度降至阈值，共需要30 s。智能育雏鸡舍实物如图6所示。
5结束语
本文通过IAP15W4K61S4单片机对智能育雏鸡舍进行控制和检测，搭配无线通讯模块实时发送鸡舍温湿度、光照、空气等环境数据，并通过ZigBee通信模块构建的自组网进行数据交互，微信小程序可对鸡舍内的环境和喂养情况进行远程实时检测和控制。针对因温度不适导致集体发病、氨气浓度超标导致死亡、清理粪便工作繁重等问题提出可行的解决方案，为乡村家禽育雏提供更科学的养殖方式和更易于控制的养殖设备，助力中小型养殖场以及家鸡自主养殖户，为幼雏在每个生长阶段提供可靠的、科学的恒定温湿度和良好的空气，增大从幼雏到半成鸡的存活率，进而降低中小型家禽育雏的养殖成本，具有较高的社会价值以及广阔的市场前景。
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