鸡场温度湿度自动控制系统设计与研究

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摘 要：随着高新技术的快速发展，由人工监控的鸡场已逐步转化成了现代化的养鸡场，且已实现了系统控制的自动化，解决了先前由人工监控引起的温度、湿度等控制的不合理性。本文中笔者采用FPGA可编程逻辑阵列，设计了一种自动化的鸡场温度湿度控制系统，并对该系统进行了深入探讨及修正。

【关键词】FPGA 温度控制 湿度控制

在新时代的社会背景下，人民生活水平的提高也带动了畜牧业的发展。随着养殖业的普遍发展，其发展环境下的卫生控制也越来越受到社会人士的广泛关注。目前，鸡场的发展逐步由先前的开放式发展转换为封闭式人工饲养的发展模式。鸡场温度与湿度的控制是保证鸡场封闭式管理模式下正常运作的首要前提，因此，为了创建舒适的生活环境，满足鸡生理需求的环境，提高鸡场的经济效益，笔者设计了一种自动化的控制系统，实现了鸡场温度与湿度的优化控制。

1 FPGA的介绍

FPGA（Field-Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物――模糊控制器。它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路出现的，同时它的出现不仅解决了定制电路的不足，还克服了原来可编程器件有限门电路数的不足。FPGA是在逻辑单元阵列LCA的概念上产生的，它主要包括三个方面，即内部连线、可配置逻辑模块CLB、输出输入模块IOB。传统上FPGA只能实现相对较小的逻辑电路，但是随着电子工艺的不断提高，FPGA在性能及容量方面均得到了很大程度的提升，且目前它已被广泛应用于大规模的逻辑电路中。

FPGA是通过小型查找表来实现组合逻辑的，每个查找表连接到一个触发器的输入端，然后通过触发器驱动其它的逻辑电路或者输入/输出驱动，由此构成了可实现组合逻辑功能和实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，它们通过金属线相互连接。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据而实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能、各模块之间、模块与输入/输出端口间的连接，最终决定了FPGA所要实现的功能。FPGA的芯片主要由可编程输入输出单元、完整的时钟管理、基本可编程逻辑单元、丰富的布线资源、嵌入块式的RAM、内嵌专用硬件模块以及内嵌的底层功能单元七个部分组成，详见图1所示。在加电的状态下，FPGA芯片将EPROM中的数据读入片内办成RAM中，在完成配置后，它进入工作状态。在掉电状态下，FPGA将恢复为白片，内部存在的逻辑关系也将消失，所以说，FPGA芯片可以重复使用且灵活性较高。所以FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

目前，FPGA的发展比较迅速，应用范围也越来越广泛。常见的有产品研发方面、电路设计方面以及系统的应用方面等，其在非电子领域的应用发展也越来越受到普及。

2 基于FPGA的鸡场温度、湿度自动控制系统的设计

鸡的生长速度与它的生长环境密切相关。鸡场温度与湿度的控制对鸡的生长发挥着重要的影响。然而对于大规模的养殖场而言，单一的人工温度、湿度控制很难真正的做到控制的及时性，因此，在现代的养鸡场中需要开发一种自动化的控制系统，及时解决鸡场内温度、湿度的控制问题，为鸡的生长提供一个舒适的环境，提高养殖场的经济效益。

2.1 基于FPGA的鸡场温度、湿度控制系统

图2为基于FPGA的鸡场温度、湿度控制系统流程图。基于FPGA的鸡场温度、湿度控制系统可以通过对系统环境数据进行采集的方式进行变量的数据整合，再根据主控器发出的指令信号做出相应的调节。由于控制过程中缺乏数学模型的建立，所以通过该种方式形成的控制系统较为复杂。目前，模糊控制理论的应用越来越广泛，它在基于计算机模拟的基础上，通过模糊应用数学等建立的反馈式自动控制系统，为系统温度、湿度控制的实现提供了良好的保障。根据FPGA的高集成度等诸多优点可知，将FPGA应用于养殖场的温度与湿度控制的比较可行性的。

在鸡场的温度、湿度控制中考虑到电路设计的复杂性，除了额外的组成部分外，控制温度、湿度的模块主要包括四个组成部分，即知识库、输入采集数据的模糊化、输出参数的清晰化、模糊逻辑推理。

2.2 基于FPGA的鸡场温度、湿度自动控制系统的组成部分

基于FPGA的鸡场温度、湿度自动控制系统的组成部分如图2所示，由图中各处分布的黑色小圆点代表温度、湿度传感器，它主要用于将收集的鸡场的温度、湿度数据传输到中央FPGA系统中；方形的黑色装置表征鸡场的升温配置，当鸡场的温度过低时，可以通过暖风设备提高鸡场的温度；三角形的标志代表加湿器，当过鸡场的湿度较低时，通过开启加湿器，增强鸡场内部的湿度；同时还要做好鸡场的通风工作，即在该系统中有表征通风装置的长方形线条――排风扇。通常情况下，排风扇一般设置在鸡场的一侧，与鸡场的窗户相对，加快空气流动。当鸡场内温度过高时也可以打开通风设备进行降温。中心位置的方形代表FPGA控制模块，主要包括时钟模块、调理电路以及FPGA模块，且是鸡场温度、湿度控制系统设置的核心所在。

2.3 基于FPGA的鸡场温度、湿度自动控制系统的工作流程

在鸡场内，通过场内各处的温度、湿度传感器对鸡场温度、湿度的实时监测，及时将采集到的数据通过输入电路反馈到FPGA系统模块中的调理电路中。在此过程中传感器接收到的是模拟信号的传输数据，因此它需要经过调理电路模块将模拟信号转化为数字信号，然后传输到FPGA模块中进行相应的数字信号处理。

根据模糊理论，处理在FPGA模块收集到的信号。一类为温度、湿度的偏差；它用来表征温度、湿度变化的绝对值，客观的反映了温度、湿度的变化率，根据结果判断是否需要对鸡场的温度、湿度进行处理；一类为温度、湿度偏差的变化率。它则是反映温度、湿度变化快慢的物理量，根据鸡场内温度、湿度变化的快慢，判断是否需要对温度、湿度做出改变，是需要做升温处理还是降温处理，需要处理多长时间、多大力度等。通过FPGA对数据信息的模糊化，确定信号的类别及相应的处理方式，以此来控制输出电路的工作状态。

例如，在此对鸡场内降温的过程进行了分析说明。当鸡场内的温度下降时，鸡场内温度的变化可以通过在各处安放的传感器展现出来，并将接收到的温度变化数据传输到调理电路，通过调理电路将传输的模拟信号转化为数字信号，再传送到FPGA模块，FPGA模块经过详细的分析判断出温度偏差及温度的变化率，然后采用相应的处理方式进行升温处理，通过电路传达升温指令，开启升温装置，从而提高鸡场内的温度。同时，在升温的过程中，FPGA模块同时也在监测鸡场内的温度变化，当鸡场内的温度达到某一变化区域时，鸡场内的升温装置则会自动停止工作，从而保持鸡场内温度的恒定。然而当鸡场内的温度再次出现较大波动时，以上工作过程又发生相应循环，知道温度保持恒定。所以说，鸡场内的温度变化一直处于一个动态的变化过程中，因此要尽量降低鸡场内温度的波动性，确保鸡场温度变化的精细状态，减少电力资源的浪费，减少成本开支，延长鸡场内各设备的使用寿命，节约成本。鸡场内湿度的控制过程也如温度的控制过程所示。

3 结语

总之，基于FPGA的鸡场温度、湿度控制方式在实现系统控制自动化的同时，又可以提高鸡场的经济效益，降低了由人工控制环境下温度、湿度控制不及时问题的难度，节省了大量的人力财力，发挥了科学技术的重要作用。

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作者简介

张双侠（1967 年12 月-），男，现为新疆昌吉职业技术学院机械工程系教授。研究方向：计算机辅助设计与制造、自动控制技术。

梁军虎（1975 年2 月-），男，新疆人。现为新疆昌吉职业技术学院机械工程系一级实习指导教师，焊工高级技师。

作者单位

新疆昌吉职业技术学院机械工程系 新疆昌吉 831100