家禽照明解决方案：鸡舍照明系统

家禽照明解决方案：鸡舍照明系统

目录：
1. 禽舍照明布局分析与设计
2. 配光分析
3. 照明控制方案
4. 整体控制方案
5. 供电方式方案

本文档介绍了禽舍照明解决方案的综合设计。文档详细介绍了系统的配置和规格，采用距离高度比来评估照明分布和单个灯具的光输出，概述了照明控制策略，建立了系统控制方法，并设定了每个部分开关电源的设计标准。

1.鸡舍照明布局分析与设计

1.1 鸡舍内部布局

该鸡舍长120米，宽16米，总面积为1920平方米。为了降低用电成本，项目负责公司要求安装新的LED照明。考虑到鸡在养殖周期不同阶段的照明需求以及鸡舍不同区域肉鸡的生长差异，公司指定将鸡舍划分为四个不同的照明区域。每个区域均设有独立的照明控制，鸡舍还配备一个中央控制中心。

基于这些要求，我们开发了照明系统布局解决方案，包括一个中央控制中心和四个独立控制的区域。员工可以通过中央控制中心管理每个区域的照明。为了确保在饲养过程中所有鸡只都能获得均匀的照明条件，光线必须均匀分布在鸡舍的整个地面上。

1.2 鸡生长周期的光照要求

照明在促进肉鸡生长和增重方面发挥着至关重要的作用，因此照明技术在现代家禽养殖中至关重要。肉鸡在不同的生长阶段有不同的照明需求。在育雏阶段，刚孵出的雏鸡视力有限，因此通常使用高强度照明来鼓励它们采食和饮水，以支持它们的健康发育。在成鸡阶段，较低强度的照明有助于降低肉鸡的活动水平，最大限度地减少啄食和其他行为，从而有助于增重。在上市阶段，低强度照明有助于使肉鸡平静下来，使工作人员更容易处理它们。

鸡养殖周期三个阶段的照明需求如下：0至7日龄（育雏期）需要50勒克斯；8至45日龄（生长期）需要10勒克斯；出栏期需要5勒克斯。因此，在整个鸡养殖周期中，照明必须持续进行，所需的光照水平会根据鸡的年龄而变化。

1.3 控制要求

鸡舍内的照明控制区域，包括员工控制区和主饲喂区。主饲喂区又细分为四个不同的区域。主控制中心位于员工控制区内，四个区域分别由一个下级控制节点进行管理。总体规格如下：

（1）主控中心必须能够单独管理每个区域的照明，允许设置例如关闭、51lx、10lx和50lx照明。

（2）为了确保安全，由于喂食期间员工进出频繁，电源电压必须保持在安全阈值以下。

（3）所有照明设备必须采取充分的防雨、防水和防雷击措施。

2. 光分布分析

鸡舍内的照明为一般照明。饲喂期间，地面必须有均匀的照明。鸡舍内照明的均匀性取决于安装照明灯具的数量、高度和间距。根据承包商的要求，鸡舍内的照明灯具将安装在3米的高度。

2.1 距离高度比与照度均匀性

本文采用距离高度比法来确定照明灯具的布局和所需数量。距离高度比定义为两盏相邻灯具之间的最大距离与其安装高度之比，以确保工作表面的照明一致性，如图 3(a) 所示，该比值表示系统中 s 与 h 的比值。假设没有反射，地面照度由装置中每盏灯具的光输出决定。图 3(a) 和 (b) 分别展示了两盏和四盏相邻灯具的地面照度计算方法示意图。

图3 距离与高度比示意图

图 3(a) 展示了两盏相邻的灯 A 和 B 的情况，它们的类型、安装高度 (h) 和距离 (s) 都相同。点 M 和 Q 分别位于灯 A 和 B 正下方的地面上，而 N 是线段 MQ 的中点。灯 A 的垂直线与连接灯 A 和点 N 的线之间形成的角度 θ 称为照明角度。如果灯 A 为点 M 提供照度 E₀，那么为了使点 N 接收到 E₀，灯 A 和 B 都必须在点 N 贡献 E₀/2 的照度，确保点 M、N 和 Q 的照度水平相等或接近相等，从而保持两盏灯之间地面照度均匀。

图 3(b) 描绘了四盏相邻的灯 A、B、C、D 的排列方式，它们呈正方形排列。为了实现均匀照明，每盏灯必须在几何中心点 O 处提供 E₀/4 的照度，确保 O 点的总照度等于每盏灯的 E₀，从而保证四盏灯的地面照度均匀。

当将照明灯具视为均匀照明的点光源时，地面上任意一点的照度均受照明角度θ的影响。如图3(a)所示，灯具A在地面任意位置的照度贡献可用以下公式表示：

Eₙ=E₀cos³θ。

Eh表示地面任意一点的照度，Eo表示灯具正下方M点的照度。照度与照射角度的关系曲线如图4所示。将图3(a)和图3(b)中的E₀/2和Eo/4代入公式，可得相邻两盏灯和相邻四盏灯实现均匀照射所需的照射角度θ₁和θ₂，分别为θ=37.5°和θ₂=51°。

图4 EA函数曲线

图 3(a) 展示了一个三角关系，揭示了两盏灯和四盏灯的距离与高度比，如下所示：S₁/h=2tanC 和 S₂/h=√2tanθ₂，其中 S₁ 和 S₂ 分别是每种情况下相邻两盏灯之间的距离。代入 h=3m，我们发现 S₁≈4.60m，S₂≈5.23m。假设鸡舍的宽度为 16m，结果表明，仅使用沿着鸡舍 120m 中心线的两盏相邻灯无法在边缘提供均匀的照明。因此，为了在整个鸡舍中实现一致的照明分布，需要使用四盏相邻的灯。

2.2 鸡舍照明设计方案

相邻四盏灯的照明设置要求灯间距小于5.23米。考虑到冗余设计和鸡舍尺寸（宽16米，长120米），共计96盏灯，采用4×24阵列布置。每行24盏灯，灯间距5米；每列4盏灯，灯间距4米。行列相邻灯间距均小于5.23米，满足要求。图中照明效果图为每盏灯1/4照明区域的覆盖范围，相邻四盏灯的1/4照明圈相互重叠，保证了整个区域照明的均匀性。

2.3 单个灯所需的光通量

在鸡的饲养周期中，最初的7天是育雏期，此时光照强度达到峰值。在此期间，鸡舍内所有灯具必须为鸡舍地面提供平均50勒克斯的照度。

鸡舍地面平均照度与必要光通量的关系用公式（2-5）20.21表示：

式中，E表示平均照度，Φ表示所需光通量，C表示利用系数，K表示维护系数，S表示照明灯具覆盖面积。

利用系数（Cu）受灯具安装高度、墙体材质等影响，参考利用系数表，Cu取0.9；维护系数（K）受灯具老化、灰尘积聚等因素影响，也取0.9。

将平均照度50勒克斯、鸡舍面积等相关数值代入公式，即可计算出总光通量Ø：

总共有96盏灯，每盏灯的光通量为：

3. 照明控制解决方案

3.1 照明灯具功率及总能耗

该照明系统采用5730封装SMD LED灯珠，其光通量Ø为601m122。每个照明单元中的LED数量（记为n）可按下式确定：

为了确保冗余，每个照明单元由 24 个 SMD LED 组成，总光通量为 1,440lm，以满足照明需求。每个 5730 SMD LED 的额定功率为 0.5W，工作电压范围为 2.9-3.1V。因此，单个照明单元所需的功率 P₁ 计算如下：

P=0.5瓦×24=12瓦

通过分析，可以确定每个照明单元包含24个SMD LED，总额定功率为12W。由于LED灯珠数量和功率要求较高，且每个LED的额定电压为3V，而人体接触的最低安全电压为36V，因此每个照明单元中的LED灯珠采用2×12串并联混合配置连接。

鸡舍内有 96 盏灯，总耗电量为：

P₂=12W×96=1152W

3.2 灯光照明控制

与标准二极管类似，它们具有正向死区、正向工作区、反向截止区和反向击穿区。

当施加于 PN 结的正向电压 u 超过开启电压 UF 时，LED 进入正向工作区。该区域的特性曲线非常陡峭，表明 LED 具有非常低的阻抗。即使正向电压在该区域内的微小波动也会导致 LED 电流显著增加；例如，微小的电压波动 ΔV 就会导致电流发生很大的变化 ΔI。LED 的正向工作电流与施加的正向电压呈指数关系：

其中 Is 表示反向饱和电流。图 132531 中的曲线图说明了 LED 的光通量 φ 与平均电流 Iav 之间的关系。该曲线表明，光通量随着平均电流的增加而线性增加。因此，通过调节流过发光二极管的电流，可以调节 LED 的光通量，从而控制鸡舍的照明水平。

LED灯珠的工作电流与其工作电压密切相关。此外，电流会显著影响温度，从而直接影响LED的使用寿命。因此，设计电源以保持恒定电压至关重要。LED灯珠的光通量与平均电流成正比，因此可以通过调节平均电流来控制亮度。这可以通过PWM（脉冲宽度调制）方法来调节亮度。

基于此分析，考虑鸡舍饲养周期各个阶段、各个区域的照明控制需求，每个区域的24盏LED灯采用占空比可调的PWM方式，对各自区域的照明进行管理。

4.整体控制解决方案

整体控制方案如图15所示，包括主控制中心、通信通道和4个从控制节点。该控制方案采用嵌入式技术实现。主控制中心和从控制节点的程序控制器均采用ATmega16微处理器，该微处理器集成UART，通过串行传输进行通信。由于主控制中心与从节点之间的控制总线长度超过100米，作者制定了HJF通信协议，以确保通信的可靠稳定。

4.1 主控中心

主控中心作为操作员与主控设备之间的接口，并管理从属控制节点。为了方便饲养人员操作，主控中心采用旋钮开关控制照明，并通过LED指示灯显示运行状态。四个旋钮用于操作四个单刀四掷开关，分别控制鸡舍四个区域的光照状态：关闭、5lx、10lx和50lx。三个LED指示灯分别对应5lx、10lx和50lx的光照水平。实际应用中，主控中心将四个区域的运行需求编写成HJF通信协议帧，并通过协议总线发送至各分区的控制模块。

4.2 沟通渠道

通信通道负责接收、解析主控信息，并将其传输至各个从控节点。主控中心与养殖区域最远的从控点距离超过100米，而微处理器的UART串口传输范围超过10米，容易造成丢包。为了实现远距离通信，设计了发送器和接收器，将UART数据转换为HJF数据格式，并通过总线建立HJF协议通信通道。

4.3 从控制节点

照明控制系统采用PWM调光，PWM控制脉冲由从控制节点生成。控制拓扑如图14所示。从控制节点通过解析来自通信信道接收器的消息来检索操作需求，并根据这些需求生成具有适当占空比的PWM控制脉冲。该PWM脉冲调节36V电源与每个分区中相应照明灯具之间的连接，从而通过管理平均电流来控制照明。

5.供电方式解决方案

5.1 电源参数指标

鸡舍内96盏照明灯具总功率为1152W，每个控制分区功率为288W。为保证用电安全，采用36V安全直流电压源。同时，为满足安全绝缘标准，输入输出必须隔离，因此每个控制分区均采用隔离拓扑的开关电源。因此，根据分析结果并结合企业具体情况，为每个分区设计了独立的开关电源，并留有冗余余量。开关电源具体参数如下：

输入电压：交流220V市电；输出电压：直流36V；最大输出功率：400W；最大输出电流：11.12A；工作效率：≥90%；工作温度范围：-50℃至+60℃；绝缘特性：输入与输出隔离，所有输出端口以及交流220V输入端口与地均能耐高压。

5.2 常见的隔离拓扑

隔离拓扑包括正激式拓扑、反激式拓扑、双端正激式拓扑、推挽式拓扑、半桥拓扑和全桥拓扑。这些拓扑具有隔离变压器，使其能够提供高电压和高功率输出。

5.3 一次电源拓扑的选择

本文通过分析比较各种常见拓扑结构，并考虑到鸡舍各控制区36V/400W的供电标准，确定双端正激拓扑作为所设计开关电源的主要直流转换拓扑。双端正激拓扑具有以下几个优点：

（1）它非常适合中小功率开关电源，是300-500W范围内开关电源的理想选择，特别是本文讨论的36V/400W分区电源。

（2）拓扑结构简单，易于实现，大大降低了生产成本，适合大规模生产，符合业务需求。

（3）双端正激拓扑结构中开关管压降极小，电路工作时无需直接偏置，对功率开关管和高频变压器的要求较低。

（4）该拓扑结构输出稳定、转换效率高、开关损耗小、发热量小、性能可靠，适合在户外环境中长期不间断运行。