專利名稱：基于can現(xiàn)場(chǎng)總線的豬舍環(huán)境有害氣體多點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的豬舍環(huán)境有害氣體多點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)。屬 于農(nóng)業(yè)牲畜養(yǎng)殖自動(dòng)化裝備的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，養(yǎng)殖場(chǎng)豬舍的有害氣體不僅影響生豬的正常生長(zhǎng)，也損害大氣的環(huán)境。 因此，在對(duì)其凈化之前必須測(cè)量有害氣體的狀況。這些氣體來(lái)源于多個(gè)方面,如 動(dòng)物呼吸、動(dòng)物皮膚、飼料、動(dòng)物糞尿和污水等，其中動(dòng)物糞便和污水是養(yǎng)殖場(chǎng) 氣味的主要發(fā)生源。動(dòng)物糞便是一個(gè)含有碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、 維生素及其代謝產(chǎn)物等多種成分的復(fù)雜化合物，這些化合物是微生物繁殖生長(zhǎng)的 營(yíng)養(yǎng)來(lái)源。在厭氧條件下，這些物質(zhì)被微生物消化降解產(chǎn)生各種帶有氣味的有害
氣體；和動(dòng)物糞便一樣，污水在缺氧條件下也會(huì)產(chǎn)生有害氣體。但與養(yǎng)殖場(chǎng)有關(guān) 的有害氣體的種類(lèi)到底有多少,至今仍是一個(gè)尚未解決的問(wèn)題。目前，已識(shí)別出的
氣體有168種之多。它們主要?dú)w屬于含硫化合物、含氮化合物、揮發(fā)性脂肪酸和 酮類(lèi)等。由于這些氣體常混合在一起，所以很難區(qū)分出養(yǎng)殖場(chǎng)的氣味到底與那種 特定的氣體有關(guān)。 一般認(rèn)為氨氣(NH3)、 二氧化碳(C02)、硫化氫(H2S)和粉塵4 種有害氣體是養(yǎng)殖場(chǎng)豬舍氣體的主要來(lái)源。由于養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)空間比較大,污染氣體 濃度不斷變化并且在場(chǎng)內(nèi)的分布狀況也是離散的，氣味的濃度與溫度、氣源的距 離等都有關(guān)系，所以測(cè)量規(guī)模較大豬舍養(yǎng)場(chǎng)內(nèi)部有害氣體的濃度十分困難。因此， 必須采取不同的測(cè)量方法。歐洲、澳大利亞和北美農(nóng)業(yè)氣體測(cè)量普遍采用嗅覺(jué)測(cè) 量法一動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)測(cè)量法，許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)采用這種方法，動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)測(cè)量法用 一系列稀釋比的空氣采樣樣本值訓(xùn)練氣味猜測(cè)者。對(duì)于每一個(gè)稀釋比,每一個(gè)猜 測(cè)者判定氣味是否存在，如果存在其濃度是多少，氣味猜測(cè)者聞低濃度的采樣氣 體，如果猜測(cè)者不能確定3個(gè)稀釋樣本的差異，測(cè)試組織者降低氣體濃度，上述測(cè) 試過(guò)程重新開(kāi)始，直到猜測(cè)者能夠察覺(jué)3個(gè)稀釋樣本的不同為止；氣體探測(cè)管技 術(shù)-手壓泵能夠吸入預(yù)先設(shè)定的一定體積的采樣氣體，當(dāng)采樣氣體通過(guò)細(xì)長(zhǎng)的氣 體探測(cè)管時(shí)產(chǎn)生顯色反應(yīng)，不同的顏色可以用來(lái)評(píng)定某種氣體的濃度廢氣濃度 的傳感器測(cè)試，隨著固態(tài)型和電子型傳感器技術(shù)的蓬勃發(fā)展,氨氣、硫化氫等傳 感器已經(jīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，缺點(diǎn)是測(cè)量精度低，容易產(chǎn)生漂移，受測(cè)試環(huán)境濕度和其他氣體的影響，而且測(cè)量手段單一，不能綜合反應(yīng)豬舍環(huán)境有害氣體濃度的總 體狀況；這些測(cè)試方法具有可靠性低、準(zhǔn)確性低和實(shí)時(shí)性差等特點(diǎn)，它們不能準(zhǔn) 確測(cè)量出豬舍有害氣體的濃度，特別是豬舍有害氣體的成分復(fù)雜，它們之間有的 相互作用和相互影響，它們的形成過(guò)程復(fù)雜，因此采用單一的測(cè)量方法是不能夠 有效地測(cè)量出有害氣體的濃度，基于以上認(rèn)識(shí)本發(fā)明的檢測(cè)裝置旨在提出一種結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、多點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)和基于組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息融合測(cè)量方法，易于工程實(shí)現(xiàn)
的測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)造方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)可靠性低、準(zhǔn)確性低和實(shí)時(shí)性差的不足，本發(fā)明提供 一種準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)多點(diǎn)同時(shí)檢測(cè)豬舍有害氣體系統(tǒng)的構(gòu)造方法。采用該方法構(gòu)造的 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有測(cè)量準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性高、采用智能方法來(lái)融合多點(diǎn)濃度 信息等優(yōu)點(diǎn)；釆用該方法構(gòu)造的測(cè)量系統(tǒng)可以根據(jù)豬舍有害氣體的分布狀況把該 系統(tǒng)的進(jìn)氣口分布在測(cè)量豬舍的不同部位，實(shí)時(shí)多點(diǎn)同時(shí)檢測(cè)豬舍有害氣體濃度 的實(shí)際狀況，在智能信息融合過(guò)程中根據(jù)豬舍內(nèi)有害氣體的檢測(cè)點(diǎn)的濃度等級(jí)確 定影響系數(shù)，這樣系統(tǒng)可以得到豬舍環(huán)境每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)、幾個(gè)檢測(cè)點(diǎn)或者整個(gè)豬舍 環(huán)境有害氣體濃度的實(shí)際分布狀況。
實(shí)際生產(chǎn)中，因?yàn)樨i舍環(huán)境面積比較大，有害氣體的分布情況比較復(fù)雜，單 獨(dú)測(cè)量一個(gè)或者幾個(gè)點(diǎn)不能代表豬舍環(huán)境有害氣體的實(shí)際狀況。因此，本系統(tǒng)根 據(jù)豬舍環(huán)境的實(shí)際狀況，開(kāi)發(fā)了基于現(xiàn)場(chǎng)總線具有能夠同時(shí)檢測(cè)多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的測(cè) 量系統(tǒng)，系統(tǒng)由多個(gè)檢測(cè)單元和檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)組成，檢測(cè)單元用于采集豬舍環(huán) 境有害氣體數(shù)據(jù)，通過(guò)該檢測(cè)單元的通信接口上傳給檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)；檢測(cè)單元
的CAN總線通信接口和CAN/232接口用于連接檢測(cè)單元和檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)，實(shí) 現(xiàn)檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)和各檢測(cè)單元之間的信息交互。檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)豬舍環(huán) 境的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和模式識(shí)別等。
檢測(cè)單元設(shè)計(jì)檢測(cè)單元由數(shù)據(jù)采集電路和通信接口單元組成，數(shù)據(jù)采集電 路由豬舍氣體進(jìn)氣口、潔凈空氣進(jìn)氣口、進(jìn)氣電磁閥、排氣口、排氣電磁閥、風(fēng) 扇和傳感器陣列、溫濕度傳感器以及濾波電路、信號(hào)調(diào)理電路和C8051F020單片 機(jī)構(gòu)成。通信接口由CAN協(xié)議芯片SJAIOOO、光電隔離電路、抗干擾電路和收 發(fā)電路組成。(在圖1中可以看出有兩個(gè)檢測(cè)單元，每個(gè)檢測(cè)單元包括信號(hào)采集
4和后面的通信部分)。(圖1)
CAN總線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)它包括每個(gè)檢測(cè)單元的通信接口和CAN/RS232等組 成，通信接口由CAN協(xié)議芯片SJA1000、光電隔離電路、抗干擾電路和收發(fā)電路 等組成，為了實(shí)現(xiàn)檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的通信，系統(tǒng)采用CAN/RS232 模塊實(shí)現(xiàn)檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換，CAN總線的通信接口的通信軟 件包括協(xié)議芯片的初始化、接收模塊和發(fā)送模塊等。(圖2、 5)
檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)定時(shí)從串口讀取檢測(cè)單元上傳的從檢測(cè)點(diǎn)采集的有害氣體 的數(shù)據(jù)；工業(yè)控制計(jì)算機(jī)對(duì)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、曲線顯示、數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)和歷史査詢等；為了對(duì)整個(gè)豬舍的有害氣體狀況進(jìn)行識(shí)別，在對(duì)檢測(cè)單元的數(shù) 據(jù)平滑數(shù)據(jù)預(yù)處理后對(duì)它們進(jìn)行特征值提取，得到特征值后同時(shí)送給已經(jīng)訓(xùn)練好 的多組神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辯識(shí)器對(duì)豬舍的有害氣體狀況進(jìn)行判別。根據(jù)GB/T1804國(guó)家畜 禽舍環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的要求，把豬舍環(huán)境的有害氣體的狀況分為5個(gè)等級(jí)清潔、良好、 合格、基本合格和有害等五級(jí)，它們的數(shù)字特征值分別為1、 2、 3、 4和5。(圖 4)
組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是15-20-5神經(jīng) 元構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)，輸入15個(gè)神經(jīng)元對(duì)應(yīng)5個(gè)傳感器的15個(gè)特征值，分別對(duì)應(yīng) 每個(gè)傳感器測(cè)量周期內(nèi)測(cè)量的最大值、穩(wěn)定值和平均值作為該測(cè)量點(diǎn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 輸入，中間層采用20個(gè)神經(jīng)元，傳遞函數(shù)為S型正切函數(shù)，輸出層采用5個(gè)神 經(jīng)元，傳遞函數(shù)為S型對(duì)數(shù)函數(shù)，對(duì)應(yīng)有害氣體的5個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)等級(jí)神經(jīng)元輸 出為l，其余為O;多個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出通過(guò)融合系數(shù)對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn) 的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出進(jìn)行融合得到總的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出。(圖3)
融合系數(shù)的選擇由于本系統(tǒng)的測(cè)量點(diǎn)在豬舍環(huán)境中的高度不同，不同測(cè)量 點(diǎn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出釆用不同的融合方法。對(duì)同一高度的測(cè)量點(diǎn)是采用各個(gè)測(cè)量點(diǎn) 的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的和除以測(cè)量點(diǎn)的個(gè)數(shù)得到同一高度的融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最終輸 出，由此得到同一高度測(cè)量點(diǎn)的有害氣體的濃度等級(jí)。對(duì)于豬舍環(huán)境不同高度測(cè)
量點(diǎn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合系數(shù)的選取在得到同一高度測(cè)量點(diǎn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出基礎(chǔ)
上，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的5個(gè)神經(jīng)元的值分別乘上它們的數(shù)字特征值，然后把它們
累加得到該高度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的總的特征值，該高度測(cè)量點(diǎn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的融合系 數(shù)等于該高度總的特征值除以不同測(cè)量高度總的特征的累加和，因此該豬舍環(huán)境測(cè)量點(diǎn)總的融合系數(shù)為1，這樣就把不同高度測(cè)量點(diǎn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出融合到整個(gè) 豬舍環(huán)境的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出，由此得到整個(gè)豬舍環(huán)境有害氣體的等級(jí)。
傳感器陳列設(shè)計(jì)根據(jù)畜禽舍環(huán)境的生長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1807的要求，影響生豬 生長(zhǎng)的主要有害氣體為氨氣、硫化氫、二氧化碳等，系統(tǒng)選擇TGS系列傳感器 對(duì)它們有高度的敏感性。傳感器的組成見(jiàn)下表。
傳感器型號(hào)性能標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)范圍
TGS2602對(duì)有氣味氣體的高敏感度l-10ppm有味氣體
TGS823對(duì)氨氣具有高敏感性氨氣5-100 ppm
TGS825對(duì)硫化氫具有高敏感度硫化氫5~100卯m
TGS4160對(duì)二氧化碳有高敏感性二氧化碳5~5000 ppm
DSM501A粉塵粉塵(Xl 10ppm
軟件部分包括檢測(cè)單元處理器的監(jiān)測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和信息傳 輸、CAN總線接口的通信軟件實(shí)現(xiàn)檢測(cè)單元和檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交互(圖 5， 6);檢測(cè)中心軟件由實(shí)時(shí)檢測(cè)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、模式識(shí)別和信息融 合等軟件構(gòu)成整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)，其中檢測(cè)中心軟件采用基于多神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 的模式識(shí)別方法，根據(jù)每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)有害氣體濃度等級(jí)選擇融合系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè) 檢測(cè)點(diǎn)的有害氣體的狀況進(jìn)行融合，最終判斷整個(gè)豬舍有害氣體的狀況。為了實(shí) 現(xiàn)對(duì)每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的氣體狀況進(jìn)行判別，檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)軟件采用VB開(kāi)發(fā)了由數(shù) 據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、特征值提取算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練以及單個(gè)點(diǎn)有害氣 體濃度狀況進(jìn)行模式識(shí)別和多個(gè)點(diǎn)有害氣體濃度進(jìn)行模式識(shí)別方法等模塊(圖 2、 3、 4)。
本發(fā)明的原理在引入了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和多點(diǎn)信息融合技術(shù)以及對(duì)有害氣體 敏感性的傳感器陣列結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)豬舍環(huán)境的多點(diǎn)有害氣體同時(shí)檢測(cè)，提高了 檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，多個(gè)檢測(cè)單元共用了檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的 共享和融合，減低了檢測(cè)裝置的研制成本，在模式識(shí)別中考慮了不同高度檢測(cè)點(diǎn) 氣體濃度對(duì)整個(gè)豬舍環(huán)境的影響程度和多神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(即一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)不同檢測(cè)點(diǎn)的信息進(jìn)行融合，系統(tǒng)可以根據(jù)檢測(cè)結(jié)果采 用相對(duì)應(yīng)的有害氣體的凈化策略。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于-
61、 實(shí)時(shí)性高采用了基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、對(duì)有害氣體有高度敏感性的傳感 器陣列和信息融合方法來(lái)同時(shí)識(shí)別豬舍的多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)有害氣體的分布狀況，采用 了智能方法對(duì)不同檢測(cè)點(diǎn)同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合，提高了檢測(cè)的可靠性、 準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，為系統(tǒng)對(duì)豬舍有害氣體的凈化策略提供依據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生豬 生長(zhǎng)環(huán)境有害氣體的高效凈化。檢測(cè)單元的進(jìn)氣口直接布置在豬舍環(huán)境典型位置 的檢測(cè)點(diǎn)，可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和模式識(shí)別，實(shí)時(shí)反映單個(gè)或者幾個(gè)甚至整個(gè)豬 舍的同一時(shí)刻有害氣體的分布狀況。
2、 系統(tǒng)的性價(jià)比高通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)連接多個(gè)檢測(cè)單元，實(shí)現(xiàn)了不同檢 測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的信息共享，共用一臺(tái)檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)，改變了傳統(tǒng)一個(gè)檢測(cè) 單元需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)的高成本狀況。
3. 準(zhǔn)確性高這個(gè)系統(tǒng)考慮了豬舍環(huán)境的同一時(shí)刻不同高度檢測(cè)點(diǎn)有害氣體 的分布的不同狀況，釆用不同的信息融合系數(shù)，最后融合得到的豬舍環(huán)境整個(gè)有 害氣體狀況等級(jí)。改變了傳統(tǒng)的單點(diǎn)和分時(shí)檢測(cè)準(zhǔn)確性差、實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題；系 統(tǒng)可以根據(jù)豬舍有害氣體分布和豬舍面積的大小等實(shí)際狀況可以靈活地增加或 者減少檢測(cè)單元或者選擇放置檢測(cè)位置。這樣可以在同一時(shí)間了解整個(gè)豬舍有害 氣體的分布狀況，并根據(jù)系統(tǒng)的智能評(píng)價(jià)方法給出一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)、同一高度檢測(cè)點(diǎn)、 不同高度檢測(cè)點(diǎn)的有害氣體評(píng)價(jià)的等級(jí)。特別是采用了高度敏感性傳感器陣列技 術(shù)來(lái)采集反映豬舍環(huán)境多種有害氣體狀況的典型數(shù)據(jù)，克服了傳統(tǒng)方法的單一氣 體傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確性低的問(wèn)題。
4. 可擴(kuò)展性檢測(cè)中心的計(jì)算機(jī)可以直接接入企業(yè)的信息管理網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn) 企業(yè)信息資源互享，養(yǎng)殖戶通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)企業(yè)的WEB服務(wù)器，隨時(shí)了解豬舍的 過(guò)去和現(xiàn)在有害氣體狀況。該系統(tǒng)可方便地用于豬舍生長(zhǎng)環(huán)境的自動(dòng)化控制以及 與生豬生長(zhǎng)溫度、濕度和光照度等小氣候環(huán)境控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程豬舍 小氣候環(huán)境因子智能控制，通用性強(qiáng)和性價(jià)比高。豬舍的環(huán)境控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí) 根據(jù)有害氣體的分布狀況，調(diào)整相關(guān)有害氣體的凈化裝備的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有害氣 體及時(shí)凈化。
本發(fā)明在設(shè)計(jì)生豬生長(zhǎng)環(huán)境控制的網(wǎng)絡(luò)化管理、智能化自動(dòng)控制或追溯豬肉 生產(chǎn)過(guò)程生豬生長(zhǎng)環(huán)境信息中有很高的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)用前景非常廣闊。


圖1基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的多點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。
圖2采集數(shù)據(jù)處理流程結(jié)構(gòu)框圖。
圖3檢測(cè)中心組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合算法框圖。
圖4檢測(cè)中心軟件結(jié)構(gòu)框圖。
圖5檢測(cè)單元數(shù)據(jù)采集器軟件工作流程圖。
圖6檢測(cè)單元CAN總線的收發(fā)信息流程圖。
圖7 —個(gè)豬舍有害氣體采樣點(diǎn)布置圖。
具體實(shí)施方案
檢測(cè)單元的布置圖7為檢測(cè)一個(gè)豬舍有害氣體分布狀況的氣體采樣點(diǎn)的
平面布置圖，該豬舍長(zhǎng)為30米，寬為10米，高為3米，豬欄為兩列，中間和兩 側(cè)為走道，在圖中的圓圈代表進(jìn)氣口的采樣點(diǎn)，其中l(wèi)代表該進(jìn)氣口采樣點(diǎn)距離 地面0. 3米，2代表該進(jìn)氣口采樣點(diǎn)距離地面1米(與成豬的高度基本相當(dāng))，3代 表該進(jìn)氣口的采樣點(diǎn)距離地面2米,采樣點(diǎn)在豬舍中有三種高度，不同高度的氣
體采樣點(diǎn)間隔布置，它們分布在豬欄附近，便于反映有害氣體對(duì)生豬生長(zhǎng)的影響， 檢測(cè)單元和計(jì)算機(jī)放在控制室中.
采樣由于豬舍環(huán)境的有害氣體的高度離散性，并且隨著時(shí)間的變化它的分 布狀況和濃度有較大改變,系統(tǒng)確定每隔1小時(shí)檢測(cè)1次有害氣體的分布狀況， 每次采集1000組左右數(shù)據(jù)，每隔1秒采集1組數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)和整個(gè)豬 舍有害氣體有害氣體的狀況進(jìn)行識(shí)別.
檢測(cè)結(jié)果:對(duì)同一高度檢測(cè)點(diǎn)各個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出的融合是采用各個(gè)檢測(cè)點(diǎn) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)累加和除以檢測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，得到同一高度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)總的 輸出，對(duì)0. 3米高度的采樣點(diǎn)的有害氣體檢測(cè)結(jié)果等級(jí)為基本合格(處于合格和 不合格之間，參考國(guó)家畜禽舍環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求)，它的總的特征值為3.8，在1米高 處的檢測(cè)點(diǎn)的等級(jí)為良好，它的總的特征值為1.9,在2米高處的檢測(cè)點(diǎn)等級(jí) 為清潔，它的總的特征tt為1. 3，在測(cè)量中發(fā)現(xiàn)對(duì)于靠近通風(fēng)處測(cè)量點(diǎn)有害氣體 的狀況明顯好于同一高度其他測(cè)量點(diǎn).對(duì)于整個(gè)豬舍環(huán)境神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的融合算 法是:根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同高度檢測(cè)點(diǎn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合系數(shù)的選擇方法確定0. 3 米高的檢測(cè)點(diǎn)的融合系數(shù)為3. 8/(3. 8+1. 9+1. 3)=0. 54，同理，1米高處測(cè)量點(diǎn)的 融合系數(shù)為0. 27， 2米高處測(cè)量點(diǎn)的融合系數(shù)為0. 19,反之得到總的融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出為=0.19*1 + 0. 27*2 + 0. 54*4 =2. 89,它接近3，所以整個(gè)豬舍環(huán)境的有 害氣體的等級(jí)為合格.
具體的實(shí)施分為以下五步
1. 確定豬舍環(huán)境有害氣體測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)單元的氣路結(jié)構(gòu)，根據(jù)生豬養(yǎng)殖環(huán)境 有害氣體分布不確定性，檢測(cè)困難等特點(diǎn)，系統(tǒng)確定在影響豬舍有害氣體濃度的 有代表性的不同高度的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)同時(shí)檢測(cè)，并確定檢測(cè)點(diǎn)的分布狀況和進(jìn)氣口
的布置。檢測(cè)單元?dú)饴泛羞M(jìn)氣口、通氣管道、排氣口、電磁閥、風(fēng)扇、氣體
反應(yīng)室(圖1)。
2. 根據(jù)對(duì)有害氣體有敏感性的傳感器陣列(TGS系列)輸出特性和輸出的信 號(hào)微弱的問(wèn)題，系統(tǒng)決定采用濾波電路、信號(hào)調(diào)理電路，由調(diào)理放大電路的輸出 經(jīng)過(guò)采樣電路送給C8051F020單片機(jī)的A/D接口 ；并對(duì)在單片機(jī)中定時(shí)采集的有 害氣體的數(shù)據(jù)并進(jìn)行濾波處理(圖l)。
3. 根據(jù)數(shù)據(jù)采集單元多、不分主從站點(diǎn)的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu) 作為多個(gè)采集點(diǎn)和檢測(cè)中心的通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)由釆集單元的C8051F020單片 機(jī)、光電隔離電路、抗干擾電路、CAN收發(fā)器和CAN/RS232轉(zhuǎn)換器組成檢測(cè)單元 和檢測(cè)中心的通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)C認(rèn)總線網(wǎng)絡(luò)采集單元的單片機(jī)定時(shí)間把檢測(cè)點(diǎn)的 有害氣體數(shù)據(jù)上傳檢測(cè)中心的RS232串口 (圖l)。
4. 在檢測(cè)中心，檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)根據(jù)采樣周期定時(shí)從串口讀取檢測(cè)點(diǎn)上傳的 數(shù)據(jù)；檢測(cè)中心的計(jì)算機(jī)對(duì)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和 歷史査詢等，為了對(duì)整個(gè)豬舍的有害氣體狀況進(jìn)行識(shí)別，在對(duì)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)平滑 預(yù)處理后對(duì)它們進(jìn)行特征值提取(檢測(cè)周期中的最大值、穩(wěn)定值和平均值)，得 到特征值后同時(shí)給已經(jīng)訓(xùn)練好的多神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辯識(shí)器對(duì)豬舍的有害氣體狀況進(jìn)行 判別和確定融合系數(shù)，結(jié)果包括清潔、良好、合格、基本合格和有害等5個(gè)等 級(jí)，識(shí)別結(jié)果包括單個(gè)測(cè)量點(diǎn)的結(jié)果、多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的結(jié)果和整個(gè)豬舍的環(huán)境的 有害氣體的狀況的結(jié)果，整個(gè)檢測(cè)中心的組態(tài)軟件采用VB和Matlab集成開(kāi)發(fā)(圖 2,圖3，圖4)。
5. 在檢測(cè)單元采用Keil C語(yǔ)言編制程序，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和CAN 通信系統(tǒng)(圖5和圖6)。
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權(quán)利要求
1、一種基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的豬舍環(huán)境有害氣體多點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括多個(gè)檢測(cè)單元和檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)，各檢測(cè)單元通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)與檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)和各檢測(cè)單元之間的信息交互，其中檢測(cè)單元用于采集豬舍環(huán)境有害氣體數(shù)據(jù)，并由通信接口和CAN/232轉(zhuǎn)換電路上傳給檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)；檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)用于對(duì)豬舍環(huán)境的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和模式識(shí)別。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的豬舍環(huán)境有害氣體多點(diǎn)測(cè)量 系統(tǒng)，其特征在于，檢測(cè)單元由數(shù)據(jù)采集電路和通信接口單元組成，數(shù)據(jù)采集電 路由豬舍氣體進(jìn)氣口、潔凈空氣進(jìn)氣口、進(jìn)氣電磁閥、排氣口、排氣電磁閥、風(fēng) 扇和傳感器陣列、溫濕度傳感器以及濾波電路、信號(hào)調(diào)理電路和C8051F020單片 機(jī)構(gòu)成；通信接口由CAN協(xié)議芯片SJA1000、光電隔離電路、抗干擾電路和收 發(fā)電路組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的豬舍環(huán)境有害氣體多點(diǎn)測(cè)量 系統(tǒng)，其特征在于，檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)具體是用于定時(shí)從串口讀取檢測(cè)單元上傳的 從檢測(cè)點(diǎn)采集的有害氣體的數(shù)據(jù)；對(duì)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、曲線顯示、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史查詢等；為了對(duì)整個(gè)豬舍的有害氣體狀況進(jìn)行識(shí)別，在對(duì)檢測(cè)單 元的數(shù)據(jù)平滑數(shù)據(jù)預(yù)處理后對(duì)它們進(jìn)行特征值提取，得到特征值后同時(shí)送給已經(jīng) 訓(xùn)練好的多組神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辯識(shí)器對(duì)豬舍的有害氣體狀況進(jìn)行判別。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的豬舍環(huán)境有害氣體多點(diǎn)測(cè)量 系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是15-20-5神經(jīng)元構(gòu) 成的三層結(jié)構(gòu)，輸入15個(gè)神經(jīng)元對(duì)應(yīng)5個(gè)傳感器的15個(gè)特征值，分別對(duì)應(yīng)每個(gè) 傳感器測(cè)量周期內(nèi)測(cè)量的最大值、穩(wěn)定值和平均值作為該測(cè)量點(diǎn)的祌經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸 入，中間層采用20個(gè)神經(jīng)元，傳遞函數(shù)為S型正切函數(shù)，輸出層采用5個(gè)神經(jīng) 元，傳遞函數(shù)為S型對(duì)數(shù)函數(shù)，對(duì)應(yīng)有害氣體的5個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)等級(jí)神經(jīng)元輸出 為1，其余為0;多個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出通過(guò)融合系數(shù)對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出進(jìn)行融合得到總的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的豬舍環(huán)境有害氣體多點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括多個(gè)檢測(cè)單元和檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)，各檢測(cè)單元通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)與檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)和各檢測(cè)單元之間的信息交互，其中，檢測(cè)單元用于采集豬舍環(huán)境有害氣體數(shù)據(jù)，并上傳給檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)；檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)用于對(duì)豬舍環(huán)境的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和模式識(shí)別。本發(fā)明系統(tǒng)適用于對(duì)生豬生長(zhǎng)環(huán)境的豬舍的有害氣體進(jìn)行多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量，可以同時(shí)得到一個(gè)或幾個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的有害氣體的分布狀況，通過(guò)對(duì)多點(diǎn)信息的融合可以得到整個(gè)豬舍有害氣體的狀況等級(jí)，提高了檢測(cè)的可靠性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，降低了系統(tǒng)的成本，應(yīng)用前景非常廣闊。
文檔編號(hào)G01N33/00GK101561427SQ20091002783
公開(kāi)日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2009年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月15日
發(fā)明者孫月平, 李發(fā)忠, 田傳幫, 趙德安, 馬從國(guó) 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)