用于清洁养殖场空气环境的在线驻极体检测与控制系统的制作方法

本发明涉及畜牧业与自动化装置，具体为用于清洁养殖场空气环境的在线驻极体检测与控制系统。

背景技术：

1、空气环境控制对畜禽的生产性能和健康有着重要的影响，良好的空气环境可以提高动物的饲料转化效率和生产率，减少疾病的发生和传播，改善畜禽的养殖效益；在实际生产作业过程中，一般从空气流通、温湿度控制的角度对空气环境进行控制。

2、目前，传统的养殖方式往往依赖于人工监控和手动调整养殖环境，在一些已经实现了数字化转型的畜牧业养殖场中，主流控制方案则是实时采集温度、湿度、二氧化碳、nh3浓度等空气环境参数，通过环境控制器间接控制风机转速、进出风口开放面积等途径来达到控制空气流通与舍内温湿度的目的；但对空气中存在的病毒，一直以来缺乏行之有效的清洁手段；其原因主要有以下几点：

3、1)普通的纤维过滤材料主要依靠布朗扩散、截留、惯性碰撞、重力沉降等机械阻挡作用来过滤空气中的微粒，因此对粒径小于1μm的粒子过滤效果不理想；

4、2)当过滤材料纤维十分细小和密实时，会导致过滤材料空气阻力增大，影响空气流通效果；

5、3)普通的纤维过滤材料对微生物不具有杀灭作用，无法从根本上抑制病毒的传播与扩散；

6、4)普通的过滤材料上容易滋生有害微生物，存在二次污染的可能；

7、使用驻极体纤维虽然能够避免以上问题，但在吸附较多灰尘后，其所携带的静电会随着时间的延长而消失，导致过滤效率急剧下降，甚至释放部分已吸附的灰尘。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供用于清洁养殖场空气环境的在线驻极体检测与控制系统，可消杀空气中细菌，可实现驻极体模组工作状态及效率的实时检测，节约驻极体模组在使用过程中产生的人力管理成本，避免频繁清洗导致的驻极体模组寿命缩短，实现畜舍内无菌微正压通风环境，降低畜禽疾病发生概率，提高养殖效益，解决了上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、用于清洁养殖场空气环境的在线驻极体检测与控制系统，包括：

4、驻极体模组导电状态监控模块，用于监控驻极体模组的导电性能，确定出驻极体模组导电状态；

5、驻极体模组过滤效率检测模块，用于实时检测驻极体模组滤材过滤前与过滤后空气中所含的pm2.5浓度，通过pm2.5浓度差，确定出驻极体模组过滤效率；

6、射频发射模块，用于接收驻极体模组导电状态及驻极体模组过滤效率数据，基于驻极体模组导电状态及驻极体模组过滤效率数据，确定出饲养动物参数，且将接收的饲养动物参数传输给射频接收模块；

7、射频接收模块，用于接收压差传感器、温湿度传感器及风速传感器获取的畜舍内外压差值、养殖环境温湿度及畜舍入风口实时风速，基于畜舍内外压差值、养殖环境温湿度及畜舍入风口实时风速，确定出畜舍环境参数，且将接收的畜舍环境参数及饲养动物参数传输给微控制器单元；

8、微控制器单元，用于基于畜舍环境参数及饲养动物参数建立最小通风量控制模型与最适压差控制模型；

9、智能决策模块，用于根据最小通风量控制模型与最适压差控制模型生成对应的控制策略；

10、执行模块，用于接收微控制器单元传来的设备控制指令，并执行相应的动作来调整ec风机、ac风机、幕帘、湿帘设备的运行状态；

11、显示模块，用于实时显示畜舍环境参数、饲养动物参数及外部设备运行状态，且配合人机交互界面进行告警信息的输出。

12、优选的，所述微控制器单元为基于gd32f407芯片的g2l-arm系列环境控制器。

13、优选的，驻极体模组过滤效率检测模块在检测驻极体模组过滤效率时，执行以下操作：

14、在驻极体模组的前表面和后表面均设置颗粒物传感器；

15、通过驻极体模组前表面的颗粒物传感器实时检测未经驻极体模组过滤的污染空气中的pm2.5浓度；

16、通过驻极体模组后表面的颗粒物传感器实时检测经过驻极体模组过滤的洁净空气中的pm2.5浓度；

17、基于污染空气中的pm2.5浓度及洁净空气中的pm2.5浓度，确定出pm2.5浓度差，基于pm2.5浓度差，确定出驻极体模组过滤效率。

18、优选的，风速传感器获取畜舍入风口实时风速后，通过畜舍入风口实时风速计算单位时间内驻极体模组过滤的空气体积，作为驻极体单位模组生命周期预测模型的输入因子；

19、温湿度传感器获取养殖环境温湿度后，养殖环境温湿度作为最小通风量控制模型的输入因子；

20、压差传感器获取畜舍内外压差值后，畜舍内外压差值作为最适压差控制模型的输入因子。

21、优选的，智能决策模块为微正压通风控制模型，该微正压通风控制模型简化后的微分方程为：

22、

23、其中：p是畜舍内外环境相对压力，是微正压通风控制模型需要控制的目标变量，p会受到畜舍内外温度差异、正压空气流量、畜舍内外气体扩散量因素的影响；t是时间；k是一个与通风系统特性相关的参数；pin是畜舍内环境的绝对压力；

24、pout是畜舍内空气通过通风系统排除出后的压力，畜舍内空气被排出后会迅速与外部环境平衡，一般情况下，pout近似等同于大气压，可以视为一个常数；fin是外部通风系统提供的正压空气流量；fout是畜舍内空气通过排风系统排除的流量；v是畜舍内空气的体积；

25、该模型将保持压差的目的分解为送风风机与抽风风机的运行效率关系；结合最小通风量控制模型与最适压差控制模型，生成一组设备控制策略。

26、优选的，最小通风量控制模型为基于创造适宜畜禽生长环境为目标，综合实时温度t、湿度h、有害气体浓度c进行建模、分析并得到的决策路径，该最小通风量控制模型的决策结果为一组外部设备控制指令。

27、优选的，综合实时温度t、湿度h、有害气体浓度c进行建模，包括如下步骤：

28、s1：确定适宜的生长环境范围，包括温度范围tmin到tmax、湿度范围hmin到hmax、以及有害气体浓度的安全水平，其中，生长环境范围根据畜禽的类型和生长阶段进行调整；

29、s2：根据设定上述参数，基于pid控制器或模型预测控制算法实现控制策略；

30、s3：基于压差传感器、温湿度传感器及风速传感器数据和控制算法，建立室内环境参数的动态模型，描述温度、湿度和有害气体浓度之间的相互作用，其中，动态模型为一组微分方程，分别为：

31、温度t(t)的微分方程：

32、湿度h(t)的微分方程：

33、有害气体浓度c(t)的微分方程：

34、tin表示舍内温度,tout表示舍外温度，hin表示舍内湿度,hout表示舍外湿度，cin表示舍内有害气体浓度,cout表示舍外有害气体浓度，ft是用来描述实时温度随时间变化的函数，fh是用来描述湿度随时间变化的函数，fc是用来描述有害气体浓度随时间变化的函数,t是时间。

35、优选的，最适压差控制模型为基于保证室内外压差环境为目标，综合畜舍体积、密封系数及实时压差数据进行建模，计算并得到的决策路径，该最适压差控制模型的决策结果为一组实际通风效率需求；

36、其中，最适压差控制模型的数学表达为：

37、e＝f(s,k,δp)＝(vin-vout)/s

38、其中，s为畜舍体积；k为密封系数，表示畜舍的密封程度，值越小表示密封性越好；δp为实施压差；vin是进入畜舍的新鲜空气体积流率；vout是畜舍排出空气体积流率；e是通风效率，表示空气流通的效果。

39、若考虑实际压差对通风效率的影响，假设通风效率e与畜舍体积s成反比，与密封系数k成反比，而与实时压差δp成正比，可以将公式具体化为：

40、

41、其中，s为畜舍体积；k为密封系数，表示畜舍的密封程度，值越小表示密封性越好；δp为实施压差；vin是进入畜舍的新鲜空气体积流率；vout是畜舍排出空气体积流率；e是通风效率，表示空气流通的效果。

42、优选的，微控制器单元处理来自于射频接收模块发送的畜舍环境参数及饲养动物参数时，使用非线性多元回归方法拟合预测驻极体单位模组生命周期预测模型，公式如下：

43、f(t,v)＝β0+β1t+β2v+β3t2+β4v2+β5tv+ε

44、其中：f(t,v)是过滤效率的预测值；t是时间；v是驻极体体积；β0，β1，......，β5是回归系数，根据采集到的数据特点估计；ε是误差项。

45、优选的，微控制器单元参考驻极体单位模组生命周期预测模型的推理结果，在维持畜舍内实际通风效率满足实际通风效率需求的同时，矫正最小通风量控制模型的决策结果，并将最终的外部设备控制指令下发至执行模块；执行模块根据微控制器单元发送的外部设备控制指令，通过模拟量信号输出、继电器开闭方式控制ec风机、ac风机、幕帘、湿帘设备的运行状态。

46、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

47、1、本发明在畜舍入风口处使用驻极体模组代替普通的纤维滤材，可保证流畅通风的同时达到消杀空气中细菌的目的，可实现驻极体模组工作状态及效率的实时检测，极大地提高驻极体模组的应用效果，构建人机交互界面，使多个传感器采集值、驻极体模组状态与外部设备状态等数据直观的呈现给用户，辅助用户决策驻极体模组的清洗周期，节约驻极体模组在使用过程中产生的人力管理成本，同时也避免了频繁清洗导致的驻极体模组寿命缩短；

48、2、本发明通过畜舍配备的各类传感器单元，实时监控畜舍环境状态，配合最小通风量控制模型，持续优化外部设备的智能控制策略，结合驻极体模组过滤效率与风机组的智能控制策略，自动关闭过滤效率低于阈值的驻极体模组对应的风机组，将送风风机组、抽风风机组分别编组管理，配合舍内外压差传感器，计算实际通风效率需求，自动控制风机转速与进出风幕帘开度，实现畜舍内无菌微正压通风环境，降低了畜禽疾病发生概率，提高养殖效益。