CN107168403A - 一种基于can现场总线的鸡舍环境温度检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CAN现场总线的鸡舍环境温度检测系统，其特征在于：所述环境温度检测系统由基于CAN现场总线的鸡舍环境参数采集平台和鸡舍环境多点温度融合模型两部分组成；本发明不但有效解决了传统鸡舍环境温度监控系统由于设计不合理、设备落后、控制系统不完善等原因导致密闭式鸡舍内环境仍存在许多问题，而且有效解决了现有的鸡舍环境监测系统，没有根据鸡舍环境温度变化的非线性、大滞后和鸡舍面积大温度变化复杂等特点，对鸡舍环境的温度进行检测与融合，从而极大的影响鸡舍环境温度的调控问题。

Description

一种基于CAN现场总线的鸡舍环境温度检测系统

技术领域

本发明涉及农业牲畜养殖自动化装备的技术领域，具体涉及一种基于CAN现场总线的鸡舍环境温度检测系统。

背景技术

鸡舍的温度是影响肉仔鸡生长发育的一个重要环境因素，温度的控制是否得当直接关系到肉仔鸡的生长。肉鸡饲养前期个体小，绒毛稀、体温调节能力差，对环境温度的变化十分敏感。只有为其创造一个适宜的温度环境，才能能获得较高的成活率、增重速度和饲料报酬。因此，在肉仔鸡的整个饲养期内都要注意对鸡舍温度的控制。对肉鸡和蛋鸡的生产过程来说，鸡舍的温度控制最为关键。在每年夏季高热天气情况下，当温度在27℃以上时就会使得鸡群产生不利的应激反应。热应激反应会对鸡群的新陈代谢产生影响，使得鸡的采食量降低，影响肉和蛋的转化。严重时会直接引起各种疾病，进而导致鸡群死亡。在影响产蛋鸡生产性能的诸多因素中，鸡舍环境温度最为突出。每年夏季高温天气，当鸡舍温度持续超过27℃时便会不同程度地产生热应激。热应激状态影响产蛋鸡的采食量和营养物质代谢等生理机能，进而影响产蛋鸡的健康及其生产性能，甚至导致发病或成批地死亡。如何有效地搞好鸡舍的降温工作，为产蛋鸡群创造适宜的生活环境，尽可能地减少或避免由于鸡舍温度过高造成的不必要损失，是夏季产蛋鸡生产取得较好经济效益的关键。因此，搞好鸡舍的降温工作能够保证产出，提高肉和蛋的产量，使家禽养殖持续稳定地创造经济效益。适宜温度不仅能使鸡群健康成长，而且提高经济效益，最大程度地发挥生产性能。温度低时会导致鸡群采食量增多，从而增加生产成本，也可能导致腹泻、诱发呼吸道疾病。不论哪一种情况，都可能严重影响鸡群的健康成长。温度过高时，会显著抑制鸡群的食欲，尤其当温度超过40℃时，会导致鸡的死亡。高温也会引起产蛋量的下降，软壳蛋增多，高温也会使得精液稀薄，精子数量变少且没有活力，进而影响受精率。高温也会直接影响饲料的保质期，降低经济效益。肉仔鸡在适宜温度环境中,能获得较高的成活率增重速度和饲料报酬。温度适宜时,雏鸡在室内散布均匀、活泼好动、羽毛光顺、紧贴体表,睡眠时较为安静,吃食时争先恐后。温度太低时,雏鸡就会出现低温表现,雏鸡拥挤于热源附近或某角落,羽毛蓬松,精神萎顿，发出连续不断的叫声。这样时间长了,容易引起雏鸡感冒或被压死。必须立即加温,并驱散挤堆雏鸡。温度过高时,雏鸡远离热源,展翅爬卧,张口喘气,争相喝水,饮水器内常常无水,绒毛却湿了。时间长了,会使雏鸡体质衰弱,生长受阻,甚至热死。温度过高时要逐渐降温,但要注意,骤然降温会引起感冒。随着我国蛋鸡养殖行业的快速发展及蛋鸡单栋饲养量的不断增加，我国的鸡舍类型由最初的开放式鸡舍基本转变为密闭式鸡舍，实现了鸡舍内环境的人为控制，摆脱了鸡生产对外界气候环境的依赖，鸡舍环境得到很大程度改善，为蛋鸡提供适宜的、相对稳定的生活生产环境。但是由于鸡舍设计不合理、设备落后、控制系统不完善等原因导致密闭式鸡舍内环境仍存在许多问题，而相对于春、夏、秋三季，冬季鸡舍环境问题更为突出。密闭式鸡舍在冬季存在温度低、湿度高、氨气浓度高等问题，并且温度、湿度和气流等温热环境因素是影响动物生理机能、生产性能和健康的关键因素。查凌雁等研究密闭式鸡舍冬季环境特征及其对产蛋率的影响，韩玉坤研制基于CAN总线在大型鸡舍温度测控系统，王进圣等研究鸡舍环境控制系统，王欢等研制基于无线传输的鸡舍环境远程检测系统，李丽华等设计蛋鸡个体生产性能参数检测装置，但是这些系统都没有根据鸡舍环境温度变化的非线性、大滞后和鸡舍面积大温度变化复杂等特点，对鸡舍环境的温度进行检测与融合，从而极大的影响鸡舍环境温度的调控，本发明专利根据鸡舍环境温度变化的特点，提出一种基于CAN现场总线的鸡舍环境温度检测系统，该系统由基于CAN现场总线的鸡舍环境参数采集平台和鸡舍环境多点温度融合模型组成，实现对鸡舍环境温度的精确检测，对提高鸡舍的养殖效益起到很好的推动作用。

发明内容

本发明提供了一种基于CAN现场总线的鸡舍环境温度检测系统，本发明不但有效解决了传统鸡舍环境由于设计不合理、设备落后、控制系统不完善等原因导致密闭式鸡舍内环境仍存在许多问题，而且有效解决了现有的鸡舍环境监测系统，没有根据鸡舍环境温度变化的非线性、大滞后和鸡舍面积大温度变化复杂等特点，对鸡舍环境的温度进行检测与融合，从而极大的影响鸡舍环境温度的调控问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于CAN现场总线的鸡舍环境温度检测系统，所述环境温度检测系统由基于CAN现场总线的鸡舍环境参数采集平台和鸡舍环境多点温度融合模型两部分组成，基于CAN现场总线的鸡舍环境参数采集平台实现对鸡舍环境因子参数进行检测、调节和监控，鸡舍环境多点温度融合模型基于鸡舍环境多点温度传感器的区间数值的相似度矩阵与灰色关联度矩阵求得的相似度融合权重、灰色关联度融合权重和均方根组合权重实现对鸡舍环境多点检测点的温度值进行精确融合，提高鸡舍环境温度检测精确度、鲁棒性和可靠性。

本发明进一步技术改进方案是：

所述基于CAN现场总线的鸡舍环境参数采集平台由检测节点、控制节点和现场监控端组成，它们通过CAN现场总线构建成鸡舍环境参数采集平台。检测节点分别由传感器组模块、单片机和通信模块组成，传感器组模块负责检测鸡舍环境的温度、湿度、风速和有害气体等鸡舍小气候环境参数，由单片机控制采样间隔并通过通信模块发送给现场监控端；控制节点实现对鸡舍环境参数的调节设备进行控制；现场监控端由一台工业控制计算机和RS232/CAN通信模块组成，实现对检测节点检测鸡舍环境参数进行管理和对鸡舍环境多点温度进行融合。基于CAN现场总线的鸡舍环境参数采集平台见图1所示。

本发明进一步技术改进方案是：

所述鸡舍环境多点温度融合模型通过把鸡舍环境各个时段检测点温度传感器值转化为区间糊数，定义区间数的相似度和灰色关联度，构建相似度矩阵和灰色关联度矩阵，求得鸡舍环境各个检测点温度传感器值的相似度融合权重和灰色关联度融合权重，基于信息熵原理和两种融合权重求得鸡舍环境多点温度传感器值融合的组合权重，鸡舍环境各个检测点温度传感器值与各自温度传感器值融合的组合权重积的相加和为鸡舍环境多个检测点温度融合模型的值，该组合权重既考虑了不同检测点温度传感器的区间数值之间相似度，也考虑了不同检测点温度传感器的区间数值之间的灰色关联度，提高了鸡舍环境多点温度传感器值融合精度。具体方法见图2所示。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：

一、本发明针对温度传感网络测量鸡舍环境温度过程中，传感器精度误差、干扰和测量温度值异常等问题存在的不确定性和随机性，本发明专利将鸡舍环境温度传感器测量的温度值用区间数形式表示，有效地处理了鸡舍环境温度传感器测量参数的模糊性和不确定性，提高了鸡舍环境温度传感器融合值的客观性和可信度。

二、本发明将鸡舍环境温度参数转化为区间数形式，定义两两区间数的相似度，构建相似度矩阵，根据鸡舍环境每个检测点温度传感器区间数的相似度占整个鸡舍环境温度传感器的温度传感器区间数相似度和的比为该检测点温度传感器值的相似度融合权重α_i，提高了鸡舍环境温度融合值的精确性和科学性。

三、本发明将鸡舍环境温度参数转化为区间数形式，定义鸡舍环境每个检测点温度传感器区间数与该时刻鸡舍环境温度传感器极大和极小区间数值的灰色关联度，分别构建每个检测点温度传感器区间值与鸡舍环境极大区间值和极小区间值的灰色关联度矩阵，根据每个检测点温度传感器值的两种平均关联度积的倒数占整个鸡舍环境检测点温度传感器值与极大值和极小值的平均关联度积的倒数和的比为该检测点温度传感器值的灰色关联度融合权重β_i，提高了鸡舍环境温度融合值的精确性和科学性。

四、本发明根据最小相对信息熵原理，组合权重w_i与α_i和β_i都应尽可能接近，根据每个检测点的两种权重α_i与β_i积的均方根占整个鸡舍环境温度传感器的两种权重积的均方根和的比为该检测点温度传感器值融合的组合权重，该组合权重既考虑了该检测点温度传感器值的相似度融合权重α_i，也考虑了该检测点温度传感器值的灰色关联度融合权重β_i，该组合权重提高鸡舍环境温度融合值的精确性、可靠性和科学性，鸡舍环境温度融合值更加反映鸡舍环境温度值的真实性。

附图说明

图1基于CAN现场总线的鸡舍环境参数采集平台；

图2鸡舍环境多点温度融合模型；

图3检测节点功能图；

图4控制节点功能图；

图5现场监控端软件功能图；

图6鸡舍环境参数采集台平面布置图。

具体实施方式

1、系统总体功能的设计

本发明实现对鸡舍环境因子参数进行检测和鸡舍环境多点温度融合，该系统由基于CAN现场总线的鸡舍环境参数采集平台和鸡舍环境温度多点融合模型两部分组成。基于CAN现场总线的鸡舍环境参数采集平台包括鸡舍环境参数的检测节点1和调节鸡舍环境参数的控制节点2，通过CAN现场总线方式构建成测控网络来实现检测节点1、控制节点2和现场监控端3之间的现场通信；检测节点1将检测的鸡舍环境参数发送给现场监控端3并对传感器数据进行初步处理；现场监控端3把控制信息传输到检测节点1和控制节点2。整个系统结构见图1所示。

2、检测节点的设计

采用基于CAN现场总线的检测节点1作为鸡舍环境参数感知终端，检测节点1和控制节点2通过CAN现场总线方式实现与现场监控端3之间的信息相互交互。检测节点1包括采集鸡舍环境温度、湿度、风速和有害气体参数的传感器和对应的信号调理电路、STC89C52RC微处理器；检测节点的软件主要实现现场总线通信和鸡舍环境参数的采集与预处理。软件采用C语言程序设计，兼容程度高，大大提高了软件设计开发的工作效率，增强了程序代码的可靠性、可读性和可移植性。检测节点结构见图3。

3、控制节点

控制节点2在输出通路设计了4路D/A转换电路实现对温度、湿度、风速和有害气体的调节输出量控制电路、STC89C52RC微处理器和无线通信模块接口，实现对鸡舍环境控制设备进行控制，控制节点见图4。

4、现场监控端软件

现场监控端3是一台工业控制计算机，现场监控端3主要实现对鸡舍环境参数进行采集和多点温度融合，实现与检测节点1与控制节点2的信息交互，现场监控端3主要功能为通信参数设置、数据分析与数据管理和鸡舍环境多点温度融合。该管理软件选择了Microsoft Visual++6.0作为开发工具，调用系统的Mscomm通信控件来设计通讯程序，现场监控端软件功能见图5。鸡舍环境多点温度融合模型算法如下：

①、鸡舍环境温度传感器值的转化为区间数

设鸡舍有m个传感器均衡布置于鸡舍环境中实现对鸡舍温度进行检测，每个温度传感器每一段时刻检测的温度构成一个区间数，m个传感器在K(1，2，…n)时段构成的温度矩阵如1式所示。

②、基于灰色关联度的鸡舍温度传感器值的灰色关联度融合权重β_i的求取

A、定义鸡舍环境温度传感器值的灰色关联度

计算每个传感器在k时段与m个传感器在每个K(1，2，…n)时段极大温度值的关联度，定义如下公式：

B、构建鸡舍环境温度传感器值的灰色关联度矩阵

通过计算每个传感器在不同时段与极大温度值的灰色关联度，可以构建如下的关联度矩阵：

根据矩阵B可以得到每个传感器检测温度值与极大温度值的平均关联度，如下公式所示：

同理，计算每个传感器在k时段与m个传感器在每个K(1，2，…n)时段的极小温度值的关联度，定义如下公式：

同理，通过计算每个传感器在不同时段与极小温度值的灰色关联度，可以构建如下的关联度矩阵：

根据矩阵C可以得到每个传感器检测温度值与极小温度值的平均关联度，如下公式所示：

C、求取鸡舍环境温度传感器值的灰色关联度融合权重

根据每个传感器在不同时段检测温度值与极大温度值和极小温度值的灰色关联度的大小可知，如果关联度越大，该传感器检测鸡舍温度实际值偏离真实值越大，因此可以通过下面的公式确定，每个传感器在鸡舍温度融合中的权重，公式如下：

③、基于相似度的鸡舍环境温度传感器值的相似度融合权重α_i的求取

A、构建鸡舍环境温度传感器值的相似度矩阵

根据任意不同两个传感器在同一时段检测鸡舍环境温度的相似度，可以构建传感器检测鸡舍温度的相似度矩阵S，S如下所示：

B、定义鸡舍环境温度传感器值的相似度

在相似度矩阵中,s_ab表示a和b的相似度，a为和b为且设q_j(j＝1,2,3,4)为a^L，a^U，b^L，b^U中的第j大的数，sgn为符号函数。矩阵s每行的每个传感器的平均相似度为：

C、求取鸡舍环境温度传感器值的相似度融合权重

根据每个传感器检测鸡舍每个检测点的温度值的相似度占所有检测点传感器值的相似度和的比确定每个检测点传感器检测温度值在整个鸡舍温度值融合中的权重为：

④、基于最小相对信息熵原理的组合权重w_i的求取

根据相似度理论和灰色关联度确定鸡舍温度传感器参数融合的权重α_i和β_i，组合权重w_i，显然w_i与α_i、β_i和都应尽可能接近，根据最小相对信息熵原理有：

用拉格朗日乘子法解上述优化问题得：

⑤根据组合权重得到鸡舍环境多点温度融合模型为：

其中k为时间，i为检测点，x_i为k时刻第i个检测点温度，w_i为第i个检测点组合权重。

5、鸡舍环境温度检测系统的设计举例

根据鸡舍环境的状况，系统布置了检测节点1和控制节点2和现场监控端3的平面布置安装图，其中检测节点1均衡布置在被检测鸡舍环境中，整个系统平面布置见图6，通过该系统实现对鸡舍环境参数的采集与鸡舍环境温度检测。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于CAN现场总线的鸡舍环境温度检测系统，其特征在于：所述环境温度检测系统由基于CAN现场总线的鸡舍环境参数采集平台和鸡舍环境多点温度融合模型两部分组成，基于CAN现场总线的鸡舍环境参数采集平台实现对鸡舍环境因子参数进行检测、调节和监控，鸡舍环境多点温度融合模型基于鸡舍环境多点温度传感器的区间数值的相似度矩阵与灰色关联度矩阵求得的相似度融合权重、灰色关联度融合权重和均方根组合权重实现对鸡舍环境多点检测点的温度值进行精确融合，提高鸡舍环境温度检测精确度、鲁棒性和可靠性。

2.根据权利要求1所述的一种基于CAN现场总线的鸡舍环境温度检测系统，其特征在于：所述基于CAN总线的鸡舍环境参数采集平台由检测节点、控制节点和现场监控端组成，通过CAN现场总线实现它们之间的信息通信；检测节点负责检测鸡舍环境的温度、湿度、风速和有害气体的实际值，控制节点实现对影响鸡舍环境参数的调节设备进行控制；现场监控端实现对鸡舍环境参数进行管理和融合鸡舍环境多点温度值。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于CAN现场总线的鸡舍环境温度检测系统，其特征在于：所述鸡舍环境多点温度融合模型把鸡舍环境多个检测点温度传感器的温度值转化为区间数值，定义温度传感器的区间数值的相似度和灰色关联度，构建相似度矩阵和灰色关联度矩阵，鸡舍环境每个检测点温度传感器区间数的相似度占整个鸡舍环境温度传感器的温度传感器区间数相似度和的比为该检测点温度传感器值的相似度融合权重，每个检测点温度传感器区间值与鸡舍环境温度传感器极大和极小区间数值的平均关联度积的倒数占整个鸡舍环境检测点温度传感器区间数值与极大和极小区间数值的平均关联度积的倒数和的比为该检测点温度传感器值的灰色关联度融合权重，每个检测点温度传感器值融合的相似度融合权重和灰色关联度融合权重积的均方根占整个鸡舍环境温度传感器值的相似度融合权重和灰色关联度融合权重积的均方根和的比为该检测点温度传感器值融合的组合权重，鸡舍环境各个检测点温度传感器值与各自温度传感器值融合的组合权重积的相加和为鸡舍环境多个检测点温度融合模型的值。