一种基于物联网技术的畜禽舍环境监控系统及其工作方法与流程

本发明涉及一种畜禽养殖技术领域，特别涉及一种基于物联网技术的畜禽舍环境监控系统及其工作方法。

背景技术：

利用新兴的物联网技术和人工智能技术推动畜禽养殖产业的发展，将是一项前景远大的工程，是实现农业信息化的重要组成部分。随着畜禽养殖规模化发展，一个畜禽养殖公司可能在国内甚至国外有若干分散的养殖场，为了方便管理，就必须借助于互联网，管理者只需通过计算机或手机就能随时了解各养殖场乃至某台环境调控设备的运转情况，并对它们实行有效监控，这是畜禽舍环境监控系统的发展趋势，也是当今世界信息化的发展趋势。

我国畜禽养殖的规模化起始于20世纪90年代，与国外发达国家相比起步较晚，对畜禽舍环境监控系统的研究虽然取得了一定成果，但市场上成熟的畜禽舍环境监控产品还很鲜见。王丽丽等人针对大中型畜禽舍环境监测的诸多问题提出了一种分布式、低成本且智能化的禽舍环境监控解决方案，研究设计了基于RS-485总线的分布式禽舍环境监控测系统，该系统以多个多功能单片机控制器设计监测节点，并以个人计算机为监控服务器，成功实现了对畜禽舍内温度和氨气浓度的实时监测，但由于是有线监测，该系统存在布线复杂和维护困难的问题。2013年，吉林农业大学邹丽娜利用AT89S51单片机完成了 畜禽舍环境的无线实时监控，主要监测温湿度与氨气3个环境因子，且实现了环境调控设备的自动化控制，但是系统并未实现畜禽舍环境的远程监控。实施范围较小。2014年，浙江大学吴武豪利用单片机C8051F410+Si4432也成功实现了畜禽舍主要环境因子的实时监控，且成功的将监测数据接入以太网，为远程监控打下基础。目前国内外在畜禽舍环境监控系统方面的研究大多还停留在局域网范围内，且存在布线复杂、维护困难、无法实现远程监控等缺点。

影响畜禽健康生长和产能的环境因子很多，主要包含：温度，湿度、光照还有氨气浓度；温度是畜禽舍内最为重要的环境因子之一，畜禽对温度较敏感；出于养殖成本的考虑，一般畜禽舍的养殖密度较大，而成年畜禽的正常体温较高，且自身辐射热量巨大。在夏季高温时期，很难控制畜禽舍在适宜温度，易造成畜禽伤亡；湿度对于成年畜禽的影响和畜禽舍的温度相关密切，在高温和低温时，相对湿度过高或过低，会对畜禽的身体健康产生不利影响；氨气是畜禽舍主要的有毒气体，它由畜禽舍粪便分解产生，当氨气浓度高于一定浓度时，会诱发各类呼吸道疾病，同时也会对工作人员的身体健康造成伤害。温度、湿度和氨气耦合性较强，都是通过风机和湿帘加以控制，风机可以影响温度、湿度和氨气浓度，湿帘可以影响温度和湿度。除上述三个环境因子外，光照也是一个较为重要的环境因子，光照过强会使畜禽过于情绪化而烦躁不安，造成啄癖、神经质等。光照过低会使畜禽的采食量降低从而影响其生产能力及生长速度。但光强与温湿度、氨气浓度、风机、湿帘之间基本无关，相对独立，只与光强有关。尽 管国内外有很多相关研究，目前还未有针对上述环境因子的理想监控系统。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现畜禽舍温度、湿度、光照及氨气浓度的无线实时采集，并实现相关环境调控设备的自动化控制以及远程监控，最终达到将畜禽舍主要环境因子控制在适宜范围内，使畜禽舍环境始终保持相对适宜、减少畜禽热应激，达到使畜禽健康成长的目的的基于物联网技术的畜禽舍环境监控系统及其工作方法。

为解决上述技术问题，本发明的一种技术方案为：一种基于物联网技术的畜禽舍环境监控系统，其创新点在于：包括监测执行模块、数据传输模块、上位机监测平台以及移动终端；

所述监测执行模块设置在畜禽舍内，包括实时监测畜禽舍内环境因子的监测模块以及改善畜禽舍内环境的执行模块；所述检测模块包括温度传感器、湿度传感器、氨气传感器及光照传感器，每一种都具有多个，依据畜禽舍环境监测要求排布在畜禽舍内，所述执行模块为设置在畜禽舍内的湿帘、风机和日光灯，所述湿帘和风机分设在畜禽舍头尾两端，日光灯均匀布置于畜禽舍顶部；

所述数据传输模块为设置在监测执行模块以及上位机监测平台之间的用于两者之间信息交互的ZigBee无线传感网络，包括监测节点、控制节点、路由节点、协调节点及外围电路；所述监测节点与监测模块相连，用于采集信息；所述控制节点与执行模块相连，用于传 输控制信号；所述路由节点用来实现对采集到的信息及时有效地转发、处理和分析；所述协调节点是整个网络的中心；

所述上位机监测平台对监测模块上传的信息进行分析、显示、存储以及控制，并根据分析结果下发控制信号并控制执行模块，包括实时显示模块、数据处理模块、数据存储模块、控制模块以及报警模块，所述数据处理模块包括一模糊控制器，由监测模块收集到的温度信号、湿度信号及氨气浓度信号在该控制器内依次经过模糊化、模糊控制规则推理、反模糊化，输出可由执行模块执行的精确值；

所述移动终端通过连接在上位机监测平台上的ATK-SIM900A模块实现对于畜禽舍实时监控数据的查询及对畜禽舍内异常情况的报警。

进一步的，所述ZigBee无线传感网络主控芯片为CC2530，所述外围电路选取基于CC2530芯片的SZ2模块，所述监测模块连接在SZ2模块上。

进一步的，所述ZigBee无线传感网络与上位机监测平台之间连接有TCP/IP型网关，该网关与ZigBee无线传感网络之间无线连接，与上位机监测平台之间同时支持WiFi无线连接和RJ45接口有线连接。

进一步的，所述数据存储模块采用Microsoft Access数据库存储监测模块上传的异常数据，所述异常数据采用按种类独立存储的方式进行存储。

进一步的，所述光照传感器采集的光强信号在上位机监测平台内 利用阈值法对其进行单独控制。

进一步的，所述控制模块包括自动控制模式以及手动控制模式。

本发明的另一种技术方案为一种基于物联网技术的畜禽舍环境监控系统的工作方法，其创新点在于：包括以下步骤：

步骤一：信息采集：温度传感器、湿度传感器、氨气传感器及光照传感器按照一定的频率采集畜禽舍内的温度信号、湿度信号、氨气浓度信号及光强信号，并由ZigBee无线传感网络将其上传到上位机监测平台；

步骤二：数据融合：对于同一环境因子，在畜禽舍内分布多个同类型传感器，在不同位置对舍内的环境数据进行实时监测，在步骤(1)中同一时间同类型传感器上传的信号为由较多信号组成的信号组，该信号组在上位机数据处理模块内首先根据最优加权数据融合算法进行处理，最终得出一个环境因子估算值，各类型传感信号都经过该步骤转换成对应的环境因子估算值；

步骤三：数据控制：禽舍环境的模糊控制器采用三输入双输出的多维模糊控制算法，以温度估算值，湿度估算值，氨气浓度估算值为输入，以风机出风量和湿帘出水量为输出；模糊控制器对步骤(2)中计算出的各环境因子估算值进行模糊化处理，根据隶属度函数计算出其对应的变量论域上的隶属度值作为输入，然后根据模糊规则控制表中的模糊规则确定输出；光强信号估算值在数据处理模块中利用阈值法对其进行单独控制；

步骤四：指令输出：在模糊控制器内对该模糊输出量反模糊化， 并将反模糊化后的精确值作为控制器输出量，即风机出风量和湿帘出水量，并由ZigBee无线传感网络下发至风机和湿帘，控制其工作。

进一步的，所述步骤二中优加权数据融合算法的具体步骤是：

(1)根据各监测节点的历史测量数据，计算得出监测系统中n个同类型传感器的方差分别是同时假定某一个监测时刻需要估计的真值为x，且各监测节点在这一时刻的测量值为x₁,x₂,…,x_n，且各个测量值相互独立；

(2)由公式先求出

(3)将的值代入公式得出最优加权因子Wi；

(4)由公式计算出某时刻第i个监测节点测量值的算术平均值

(5)通过以上步骤可知各监测节点的测量方差对其加权因子的大小有直接影响，融合所得结果的准确性与其有密切关系，利用真实测量值计算得出测量方差和最优加权因子，将各计算结果代入公式 中即可得出融合后的估算值

进一步的，所述步骤三中模糊规则的设计过程，包括如下步骤，下述步骤中，NB、NS、ZO、PS和PB分别对应为负大、负小、零、正小和正大：

(1)根据畜禽舍工作人员的养殖管理经验，将输入量温度T的 变化范围确定在[T₁，T₂]，其变量论域为{t₁，t₂，t₃，t₄}，T₁<t₁<t₂<t₃<t₄<T₂，对应的变量语言为{NS，ZO，PS，PB}；

(2)湿度H的变化范围可以确定在[H₁，H₂]，它的变量论域为{h₁，h₂，h₃，h₄，h₅}，H₁<h₁<h₂<h₃<h₄<h₅<H₂，对应的变量语言为{NB，NS，ZO，PS，PB}；

(3)输入量有毒气体浓度N的变化范围确定在[N₁，N₂]，有毒气体浓度的变量论域为{n₁，n₂，n₃，n₄，n₅}；N₁<n₁<n₂<n₃<n₄<n₅<N₂，对应的变量语言为{NB，NS，ZO，PS，PB}；

(4)根据畜禽舍的具体情况，将输出量风机出风量F变化范围定为[1，5]，它的变量论域为{1，2，3,4,5}，其对应的变量语言为{NB，NS，ZO，PS，PB}；将输出量湿帘出水量W的变化范围定为[0，2]，它的变量论域为{0，1，2}，对应的变量语言为{ZO，PS，PB}；

(5)根据畜禽舍管理人员的多年管理经验，建立模糊规则控制表。

本发明的优点在于：

(1)该系统以物联网技术和模糊控制技术为支撑，充分利用ZigBee无线传感网络、TCP/IP网络和移动通信网络，提出了一种智能化的畜禽舍环境监控系统；系统利用SIM900A模块和上位机监测平台实现了手机终端对于ZigBee网络监控数据的访问；实现了畜禽舍环境的远程监控；基于ZigBee无线传输协议的传感器监控网络，解决了现有畜禽舍环境人工监测调节滞后、有线环境监控系统布线复杂和维护困难等问题；系统运行稳定、可靠，达到了设计要求。

(2)现代化畜禽舍一般是封闭的，因此一般畜禽的生长都要求有合理的光照时间；正常情况下，室内黑夜光照强度在0Lux左右，白天可能达到1000以上，但一般而言，白天禽舍内光照强度在300左右。对于光照的控制，不仅需要配合时间加以控制，同时要依靠光照强度做依据。

(3)为提高本监控系统的通用性，监控系统以影响成年畜禽生长的温度、湿度、光照、和氨气浓度4种主要环境因子为监控对象，温度、湿度及氨气浓度三者之间的耦合性较强，可通过以风机和湿帘为调控主体，实现成年畜禽环境的实时调控，更具代表性和通用性。

(4)为了便于利用ZigBee无线传感网络，系统主控芯片选用CC2530芯片，它可以用极低的成本组建功能强大的无线传感器网络；同时CC2530还具备不同的工作模式，且其工作模式间的转换时间很短，能够充分满足系统低功耗的要求；为了简化设计工作，监测系统选取了基于CC2530的SZ2模块；该模块集成了CC2530所需的所有外围支持电路，且引出了CC2530的所有I/O口，供电即可开发使用，大大调高了CC2530的硬件开发效率。

(5)ZigBee无线传感网络使用的Z-stack协议和上位机监测平台监测平台使用的TCP/IP协议并不兼容，要实现两个协议间数据的互通互联，必须借助ZigBee转TCP/IP网关，该网关连接简单，操作方便。

(6)对于PC机监测平台来说，如果对于每一次的数据都进行存储，不仅降低了程序的执行效率，也会浪费计算机的内存。同时畜禽 舍环境监控系统已经实现了畜禽舍环境的实时调控，综合以上考虑，监控系统只存储异常情况下的传感器更新的数据。这样不仅提高了程序运行的效率，而且节省了计算机的存储空间，同时并不影响管理人员对于异常情况的分析研究。监测平台采用Microsoft Access数据库对监测数据进行存储，具有速度快，代码量小等优点，是当前使用最广泛的数据库之一；采用按种类独立存储的方式进行存储，方便查询和分析。

(7)系统可以实现畜禽舍环境调控设备的自动控制，此过程无须用户干涉对用户完全透明。手动控制主要是为了应对特殊情况设置的功能。如冬日打扫除尘中，因为气温较低，为了保证畜禽舍内温度适宜，在自动控制中，风机一般不允许运行，即使运行，也是个别风机短时间运行来清洁空气。但冬日打扫过程中，会产生大量扬尘，使舍内空气较为污浊，若不及时清除，很可能会污染畜禽饲料，诱发畜禽呼吸道疾病等问题，所以需开启较多风机进行快速换气，以达到快速净化舍内空气的目的；畜禽舍环境调控设备的两种控制功能可在上位机监测平台的菜单栏中的控制项中切换。

(8)考虑目前畜禽舍环境监测节点的数据处理能力与实际需求，主要针对畜禽舍内多点测量，不同区域内同种传感器之间的测量差异造成的可信度不一致，本系统对于同一环境因子的数据融合选择最优加权数据融合算法，以便得出确定的控制算法输入值。

(9)本发明主要研究了温度，湿度和氨气浓度对畜禽舍的影响；同时控制的调控设备采用风机和湿帘，输入值和输出值都较为复杂； 模糊控制因为具备不需要被控对象的精确数学模型和利用控制法则来描述系统变量间关系的特点，简化了系统设计的复杂性，特别适用于这种输入输出量较为复杂的控制系统。

(10)光照与温湿度、氨气浓度、风机、湿帘之间基本无关，相对独立，只与光强有关；为此在本模糊控制器没有将光照作为输入量，在系统中利用阈值法对其进行单独控制，不仅可节约能源，且控制方法较为简单。

附图说明

图1为本发明一种基于物联网技术的畜禽舍环境监控系统及其工作方法的系统框架图。

图2为本发明一种基于物联网技术的畜禽舍环境监控系统及其工作方法的协调节点程序流程图。

图3为本发明一种基于物联网技术的畜禽舍环境监控系统及其工作方法的模糊控制器构成框图。

具体实施方式

我国是世界畜禽生产和消费第一大国，畜禽养殖的健康发展直接关系到我国的经济发展和社会稳定。为稳定肉类食品价格和品质，快速有效控制畜禽疫情，国家大力支持推动畜禽养殖向规模化、集约化方向发展。相关科学研究和生产实践表明：养殖环境的优劣直接影响畜禽健康生长和产品品质；同时，对养殖环境的有效监控成为防治畜禽疾病爆发和传播的重要手段之一。

本发明实现畜禽舍环境的无线实时监测和自动控制为目标，以物 联网技术为核心，融合ZigBee技术、移动网络通信技术、数据融合技术、模糊控制技术等，构建一个维护方便、实用性强的畜禽舍环境智能监控系统。

如图1所示，本发明一种基于物联网技术的畜禽舍环境监控系统包括监测执行模块、数据传输模块、上位机监测平台1以及移动终端2；

监测执行模块设置在畜禽舍内，包括实时监测畜禽舍内环境因子的监测模块6以及改善畜禽舍内环境的执行模块5；为提高本监控系统的通用性，监控系统以影响畜禽生长的4种主要环境因子(温度、湿度、光照及有毒气体浓度，由于畜禽舍内有毒气体较多，其中以氨气为最主要的气体，本发明以氨气浓度作为监控对象，更具代表性)为监控对象，以风机、湿帘和日光灯为调控主体，实现成年禽舍环境的实时调控。监测模块6包括传感器，传感器包括对应于4种主要环境因子的温湿度传感器、光照传感器及氨气传感器，并根据畜禽舍环境监测要求布置在禽舍内，执行模块5为设置在畜禽舍内的湿帘、风机及日光灯，湿帘和风机分设在畜禽舍头尾两端，日光灯均布布置于畜禽舍顶部。

数据传输模块为设置在监测执行模块以及上位机监测平台1之间的用于两者之间信息交互的ZigBee无线传感网络，ZigBee技术是一种便宜、低功耗、高可靠性的近距离无线组网技术，包括监测节点、控制节点、路由节点4、协调节点3及外围电路；监测节点与监测模块6相连，用于采集信息；控制节点与执行模块5相连，用于传输控 制信号；路由节点具有多个，实现对采集到的信息及时有效地转发、处理和分析；协调节点有且只有一个，负责初始化ZigBee网络信息，建立和运行整个ZigBee无线传感网络，为其他请求加入网络的节点分配网络地址，是整个网络的中心，其控制流程图如图2所示，这些功能在ZigBee协议中是物理层、媒体接入层和网络层的功能，在本系统中，所有监测节点的信息都需上传至上位机监测平台1监测平台，因此协调器作为网络的中心，需承担这一任务，这是协调器节点的程序开发中最关键的地方，ZigBee无线传感网络主控芯片为CC2530，外围电路选取基于CC2530芯片的SZ2模块，监测模块6连接在SZ2模块上。

ZigBee无线传感网络的监测数据需上传至上位机监测平台1监测平台，但是ZigBee网络使用的Z-stack协议和上位机监测平台1监测平台使用的TCP/IP协议并不兼容，要实现两个协议间数据的互通互联，必须借助ZigBee转TCP/IP网关。该网关与ZigBee之间可以实现无线连接，与上位机监测平台1之间同时支持WiFi无线连接和RJ45接口有线连接，连接简单，操作方便。

上位机监测平台1对监测模块6上传的信息进行分析、显示、存储以及控制，包括实时显示模块、数据存储模块、控制模块以及报警模块，控制模块控制执行模块动作；实现了监测数据的实时显示、监测数据的存储与查询、环境调控设备的自动、手动控制及远程短信报警的功能。监测数据的显示是畜禽舍环境监测平台的基本功能，虽然传感器数据的更新频率为20秒，但是由于传感器数量多，且每个传 感器的数据更新相互独立并无规律可循，为了保证传感器的数据更新能够及时有效地传递给畜禽舍管理人员，同时也为了保证畜禽舍环境能够得到有效精确的控制，在综合考虑程序运行效率的情况下，上位机监测平台1的采样频率为0.1秒。并根据分析结果下发控制信号并控制执行模块。

其次是监测数据的存储和历史监测数据的查询功能。由于畜禽舍多为封闭结构，在畜禽舍环境调控设备出现故障或者断电情况下，几分钟便可造成不可挽回的巨大损失。为此环境监测传感器的数据更新为20秒，且传感器数量较多，对于上位机监测平台1来说，如果对于每一次的数据都进行存储，不仅降低了程序的执行效率，也会浪费内存。同时畜禽舍环境监控系统已经实现了畜禽舍环境的实时调控，可以保证多数时间内畜禽舍环境适宜，没有必要存储下传感器更新的所有数据。综合以上考虑，监控系统只存储异常情况下的传感器更新的数据。这样不仅提高了程序运行的效率，而且节省了计算机的存储空间，同时并不影响管理人员对于异常情况的分析研究。上位机监测平台1采用Microsoft Access数据库对监测数据进行存储。Access数据库是微软Office系统程序之一，具有速度快，代码量小等优点，是当前使用最广泛的数据库之一；为方便查询和分析，采用按种类独立存储的方式进行存储。

历史监测数据的查询主要是为了方便畜禽舍管理人员对以往异常情况进行分析，使畜禽舍管理人员能够对以往经验进行总结并改进管理方法。历史数据查询是对Access数据库的数据进行查询。在查 询功能中，可对任一传感器的任一天数据进行查询，通过日期控件选定日期，在选定要查看的传感器，点击确定即可查询该传感器在某一时间段内的异常数据。

系统利用模糊控制算法实现畜禽舍环境调控设备的自动控制，此过程无须用户干涉对用户完全透明。手动控制主要是为了应对特殊情况设置的功能。如冬日打扫除尘中，因为气温较低，为了保证畜禽舍内温度适宜，在自动控制中，风机一般不允许运行，即使运行，也是个别风机短时间运行来清洁空气。但冬日打扫过程中，会产生大量扬尘，使舍内空气较为污浊，若不及时清除，很可能会污染畜禽饲料，诱发畜禽呼吸道疾病等问题，所以需开启较多风机进行快速换气，以达到快速净化舍内空气的目的。畜禽舍环境调控设备的两种控制功能可在上位机监测平台1的菜单栏中的控制项中切换；

由于畜禽舍封闭的环境特点，同一环境因子在畜禽舍内不同区域内的测量值会出现不同程度的差异，虽然每个传感器的测量值都真实地反映出测量区域的环境因子的值，但是在利用控制算法对畜禽舍环境调控设备进行控制时，必须有确定的输入值，所以在用模糊控制理论对环境进行调控之前，首先需要对同一环境因子的多个监测值进行多传感器数据融合，本系统对于同一环境因子的数据融合选择最优加权数据融合算法。

如图3所示，本发明采用模糊控制的方法，模糊控制器设计过程可以细分为三步：模糊化、模糊规则库、模糊推理和反模糊化；本发明的畜禽舍环境控制模糊规则库主要是根据畜禽舍管理人员的多年 管理经验制定，这是最简单有效的模糊控制器。利用输入量的隶属度函数将传感器测得的精确值求得各输入量的模糊量后，可以通过查询模糊控制规则表的方式，实现畜禽舍环境的自动控制。

通过上位机监测平台1实现手机远程报警，需要借助移动通信的电话网络。远程报警的重点在于畜禽舍出现异常情况时，能够及时警示管理者迅速采取措施，避免损失，因此报警必须要有高可靠性。目前2G网络相对3G和4G网络有更大的网络覆盖面积和信号稳定性。为此本系统采用2G移动网络短消息报警的方式。采用上位机监测平台1借助串口与短信报警模块相连，在监测数据出现异常情况时，在上位机监测平台1监测平台上生成短信内容，上位机监测平台1监测平台经由串口将报警短信内容传至短信模块，并控制短信模块向预设的畜禽舍管理人员的手机发送报警信息，以便于畜禽舍管理人员迅速做出反应并化解危机。短信报警和移动终端对于畜禽舍实时监控数据的查询功能通过ATK-SIM900A模块实现。ATK-SIM900A模块是ALIENTEK开发的一款高性能工业级GSM/GPRS模块，采用SMT封装，基于STE单芯片方案设计，使用ARM926EJ-S架构，性能稳定，功能强大，十分适合需要语音/短信/GPRS数据服务的系统开发。在车载跟踪、车队管理智能抄表与电力监控等众多方向有着广泛应用。ATK-SIM900A模块支持丰富的AT指令集，通过RS232接口与上位机监测平台1相连，开发简单，使用方便。

本发明的一种基于物联网技术的畜禽舍环境监控系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤一：信息采集：温度传感器、湿度传感器、氨气传感器及光照传感器按照一定的频率采集畜禽舍内的温度信号、湿度信号、氨气浓度信号及光强信号，并由ZigBee无线传感网络将其上传到上位机监测平台1；

步骤二：数据融合：对于同一环境因子，在畜禽舍内分布多个同类型传感器，在不同位置对舍内的环境数据进行实时监测，在步骤(1)中同一时间同类型传感器上传的信号为由较多信号组成的信号组，该信号组在上位机数据处理模块内首先根据最优加权数据融合算法进行处理，最终得出一个环境因子估算值，各类型传感信号都经过该步骤转换成对应的环境因子估算值；

步骤三：数据控制：禽舍环境的模糊控制器采用三输入双输出的多维模糊控制算法，以温度估算值，湿度估算值，氨气浓度估算值为输入，以风机出风量和湿帘出水量为输出；模糊控制器对步骤(2)中计算出的各环境因子估算值进行模糊化处理，根据隶属度函数计算出其对应的变量论域上的隶属度值作为输入，然后根据模糊规则控制表中的模糊规则确定输出；光强信号估算值在该步骤中利用阈值法对其进行单独控制；

步骤四：指令输出：在模糊控制器内对该模糊输出量反模糊化，并将反模糊化后的精确值作为控制器输出量，即风机出风量和湿帘出水量，并由ZigBee无线传感网络下发至风机和湿帘，控制其工作。

本发明中，为了保证监测的准确性，对于每一个环境因子都采用了多传感器同时监测的方法。在对畜禽舍环境调控设备进行控制时， 需要利用数据融合技术对监测数据进行处理，来给控制系统提供有效的输入量。模糊控制因为具备不需要被控对象的精确数学模型和利用控制法则来描述系统变量间关系的特点，简化了系统设计的复杂性，特别适用于本系统的控制系统。

在该工作方法中，步骤二中优加权数据融合算法的具体步骤是：

(1)根据各监测节点的历史测量数据，计算得出监测系统中n个同类型传感器的方差分别是同时假定某一个监测时刻需要估计的真值为x，且各监测节点在这一时刻的测量值为x₁,x₂,…,x_n，且各个测量值相互独立；

(2)由公式先求出

(3)将的值代入公式得出最优加权因子Wi；

(4)由公式计算出某时刻第i个监测节点测量值的算术平均值

(5)通过以上步骤可知各监测节点的测量方差对其加权因子的大小有直接影响，融合所得结果的准确性与其有密切关系，利用真实测量值计算得出测量方差和最优加权因子，将各计算结果代入公式 中即可得出融合后的估算值

以温度传感器的数据融合为例，3个温度传感器一段时间内测得的数据如表1所示，其中最后一组数据为当前时刻畜禽舍温度的实时 数据：

表1温度传感器数据

由以上数据可求得1、2、3三个传感器的方差分别为：0.062222、0.024722、0.051389，由公式(4-6)可计算得出，传感器1、2、3的加权系数分别为：0.211521、0.532369、0.256110。

由此可以判定当前畜禽舍的实时温度为：

其中，为计算出的各传感器加权系数，为各传感器监测的实时数据。

该工作方法中，步骤三中模糊规则的设计过程，包括如下步骤，下述步骤中，NB、NS、ZO、PS和PB分别对应为负大、负小、零、正小和正大：

(1)根据畜禽舍工作人员的养殖管理经验，将输入量温度T的变化范围确定在[T₁，T₂]，其变量论域为{t₁，t₂，t₃，t₄}，T₁<t₁<t₂<t₃<t₄<T₂，对应的变量语言为{NS，ZO，PS，PB}；

(2)湿度H的变化范围可以确定在[H₁，H₂]，它的变量论域为{h₁，h₂，h₃，h₄，h₅}，H₁<h₁<h₂<h₃<h₄<h₅<H₂，对应的变量语言为{NB，NS，ZO，PS，PB}；

(3)输入量有毒气体浓度N的变化范围确定在[N₁，N₂]，有毒气体浓度的变量论域为{n₁，n₂，n₃，n₄，n₅}；N₁<n₁<n₂<n₃<n₄<n₅<N₂对应的变量语言为{NB，NS，ZO，PS，PB}；

(4)根据畜禽舍的具体情况，将输出量风机出风量F变化范围定为[1，5]，它的变量论域为{1，2，3,4,5}其对应的变量语言为{NB，NS，ZO，PS，PB}；将输出量湿帘出水量W的变化范围定为[0，2]，它的变量论域为{0，1，2}，对应的变量语言为{ZO，PS，PB}；

(5)根据畜禽舍管理人员的多年管理经验，建立模糊规则控制表。

本发明的畜禽舍环境控制模糊规则控制表主要是根据畜禽舍管理人员的多年管理经验制定，这是最简单有效的模糊控制器。利用输入量的隶属度函数将传感器测得的精确值求得各输入量的模糊量后，可以通过查询模糊控制规则表的方式，实现畜禽舍环境的自动控制。该模糊控制规则表由输入量温度、湿度和有毒气体浓度模糊化后的各种组合经过模糊推理得到每一种组合状态下控制器的输出，即风机出风量与湿帘出水量。

由管理人员的经验可以知道，在禽舍的所有环境因子中，温度的管理最为重要，当温度在正方向上偏离适宜温度时最容易造成巨大损失，这时需要迅速降温，除最大限度通风外，还必须开启湿帘配合以求迅速降温，强通风下有毒气体浓度也会迅速降低达到最优水平，但是这种情况会使禽舍内部湿度增加，但为有效控制温度避免灾难性后果必须牺牲对湿度的调节。由于该模糊控制器共有3个输入量和2个 输出量，温度有4个语言变量，湿度和有毒气体浓度各有5个模糊语言，所有一共可以得到100条模糊规则，这些模糊规则通过“If-Then”语句描述如下：

If(T＝NS)and(H＝NB)and(N＝NB)Then(F＝NB)and(W＝ZO)；

If(T＝NS)and(H＝NB)and(N＝NS)Then(F＝NB)and(W＝ZO)；

……

……

If(T＝PB)and(H＝PB)and(N＝PS)Then(F＝PB)and(W＝PB)；

If(T＝PB)and(H＝PB)and(N＝PB)Then(F＝PB)and(W＝PB)；

因为输出量有3个，故以温度T为基准分情况绘制出如下4个模糊控制表：

表2F/W的模糊控制表(T＝NS)

表3F/W的模糊控制表(T＝ZO)

表4F/W的模糊控制表(T＝PS)

表4-5F/W的模糊控制表(T＝PB)

通过以上的模糊规则，模糊控制器可以输出关于控制量的模糊语言，这并不能用于控制风机和湿帘的开启和关闭，为此还需要一个将模糊语言转化为一个精确值的过程。如前文所述，已经给出了风机出风量F和湿帘出水量W各自的论域，对于风机出风量F而言，其模糊语言变量{NB，NS，ZO，PS，PB}分别对应其论域中{1,2,3,4,5}的精确值，而论域中的值则代表当前需要开启的风机个数，同样，对于湿帘出水量W，其模糊语言变量{ZO，PS，PB}分别对应其论域中{0,1,2}的精确值，0则表示湿帘全部关闭，1,2则代表湿帘开启的个数。由此便可实现对于温度T、湿度H和有毒气体浓度N的有效调节控制。

除温度、湿度、氨气浓度三个主要环境因子之外，光照也是较为重要的一个环境因子，选择合适的光照不仅能提高畜禽的生产能力， 也能够节约用电量，降低成本。

在该工作方法的步骤三中，在生产实践中，由于光照与温度、湿度及氨气浓度基本无关，出于控制畜禽作息时间的需要，光照可以通过日光灯开闭时间就能够控制。为此在模糊控制器没有将光照作为输入量，在系统中利用阈值法对其进行单独控制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。