胡振楠， 孫紅敏， 李曉明， 戴百生，2， 高 悅， 王鈺涵, 董 元

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部生豬養(yǎng)殖設(shè)施工程重點(diǎn)實(shí)驗室，黑龍江哈爾濱150030）

0 引言

隨著豬場現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的日漸推進(jìn)， 豬場中對生豬養(yǎng)殖的管理方式向智能化集約化方向發(fā)展[1]。 近年來，豬舍物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)同樣隨之完善，如豬舍環(huán)控系統(tǒng)、自動喂食系統(tǒng)、自動供水系統(tǒng)，但豬舍自動清糞系統(tǒng)常常被忽略，依然沿用傳統(tǒng)定時清理方式，生豬養(yǎng)殖過程中，豬的糞污清理是豬舍管理中重要的一環(huán)， 糞污在舍內(nèi)的長時間積累會釋放大量有害氣體[2]，嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量進(jìn)而影響生豬健康及豬肉品質(zhì)。 傳統(tǒng)糞污清理采用定時清糞，由于清糞設(shè)備負(fù)載重量較大，往往一天清理一次，雖然節(jié)約人力， 但忽略糞污在舍內(nèi)積累而造成空氣質(zhì)量下降的問題。 根據(jù)舍內(nèi)環(huán)境變化對舍內(nèi)進(jìn)行糞污清理是清糞系統(tǒng)必須考慮的因素之一[3-4]，在糞污清理過程中，清糞設(shè)備可能受到損壞、卡頓、過載，進(jìn)而造成糞污在舍內(nèi)殘留，相關(guān)文獻(xiàn)表明， 新鮮糞便的表面積增加會加速釋放NH3、CO2、H2S 等有害氣體[5]，嚴(yán)重影響舍內(nèi)空氣質(zhì)量，因此動態(tài)了解清糞設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)能有效避免因設(shè)備損壞帶來的舍內(nèi)空氣環(huán)境下降問題。 針對上述問題，本文設(shè)計出一種豬舍自動清糞控制系統(tǒng)， 基于云服務(wù)器根據(jù)豬舍內(nèi)實(shí)時環(huán)境自動清理。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 需求設(shè)計

隨著物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)隨之興起，以往只能由工人現(xiàn)場操作的工作逐漸由物聯(lián)網(wǎng)所替代， 通過云服務(wù)器， 管理者只需在終端管理系統(tǒng)或者APP 上就能進(jìn)行操作，省時省力高效準(zhǔn)確的完成既定工作。 基于豬舍傳統(tǒng)的定時清理系統(tǒng)， 本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出自動清糞控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、室外溫度檢測設(shè)備、刮糞板運(yùn)行監(jiān)測設(shè)備、刮糞板與卷簾門，以及控制整體運(yùn)行的控制箱，一個電腦端豬舍管理系統(tǒng)，一個APP。自動清糞系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 自動清糞系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.2 舍內(nèi)外環(huán)境采集設(shè)備

不同地區(qū)豬舍內(nèi)外環(huán)境有所不同， 及時了解豬舍內(nèi)外環(huán)境變化對改善豬的生長環(huán)境至關(guān)重要。 溫度是影響豬健康生長的重要條件之一[6]，過涼過熱都會對生豬造成影響。 在本文設(shè)計的系統(tǒng)中，在糞溝外側(cè)帶有自動開關(guān)的卷簾門，清糞時卷簾門自動升起，完畢后自動關(guān)閉，同時設(shè)有常開功能，用于加強(qiáng)通風(fēng)維持舍內(nèi)的空氣質(zhì)量，清理糞便過程中進(jìn)行通風(fēng)換氣需考慮溫度環(huán)境的限制，夏季豬舍結(jié)合自然通風(fēng)，舍內(nèi)保持良好通風(fēng)環(huán)境，冬季豬舍需要維持舍內(nèi)溫度，盡量減少熱量流失帶來的溫度變化，豬舍內(nèi)外溫度數(shù)據(jù)采集設(shè)備對環(huán)境進(jìn)行檢測，為調(diào)節(jié)豬舍環(huán)境控制方式提供有效支持。

1.3 刮糞板運(yùn)行監(jiān)測設(shè)備硬件設(shè)計

刮糞板狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備在刮糞板開始運(yùn)行時采集刮糞板運(yùn)行速度、運(yùn)行的距離、刮糞板的姿態(tài)角（橫滾角、俯仰角、偏航角）、角加速度，同時將數(shù)據(jù)上傳至云端，并在刮糞板停止運(yùn)行時結(jié)束發(fā)送。 該裝置設(shè)計安裝在刮糞板上，實(shí)現(xiàn)對刮糞板運(yùn)行姿態(tài)的檢測，并回傳角度數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)處理及警報設(shè)備，通過故障分類器可確定故障類型和等級并決定是否報警，具體如圖2 所示。

圖2 硬件設(shè)計

主從設(shè)備的主要部件分別是主控芯片、 通信模塊和運(yùn)動狀態(tài)檢測模塊。 主控芯片STM32F103，用于進(jìn)行決策控制；數(shù)據(jù)收發(fā)模塊為NEF24L01，由NORDIC 生產(chǎn)的工作在2.4 GHz～2.5 GHz 的ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片；運(yùn)動狀態(tài)檢測模塊為MPU6050，用于檢測刮糞板在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的傾角，速度參數(shù)[7-8]。 同時該裝置配有報警裝置和顯示屏幕。

1.4 豬舍刮糞板與自動保溫隔熱門

針對北方寒地氣候特點(diǎn)，為防止清糞時豬舍內(nèi)熱量流失，課題組已設(shè)計完成一種與刮糞板運(yùn)行關(guān)聯(lián)的自動保溫隔熱門。豬舍刮糞板為常見機(jī)械式干濕分離刮糞板[9]，具體尺寸因豬場糞溝尺寸而定，為保證豬舍在嚴(yán)寒環(huán)境以較小的熱量損失將糞污自動清理至舍外， 在豬舍排糞出口安裝自動保溫隔熱門，刮糞板運(yùn)行時，該門自動打開，直至清理完畢，該門自動回落，整個清糞過程舍內(nèi)外熱量交換較少，對舍內(nèi)溫度影響較小，同時在舍外環(huán)境適宜時，可常開自動保溫隔熱門，加強(qiáng)舍內(nèi)外通風(fēng)換氣，實(shí)現(xiàn)冬季保溫、夏季換氣的雙重功能，刮糞板與保溫隔熱門的運(yùn)作示意圖如圖3 所示。

圖3 自動保溫隔熱門設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

1.5 豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)器和移動端APP

本文自動控制系統(tǒng)的主機(jī)端配套開發(fā)一套控制管理系統(tǒng)， 通過布置在豬舍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集模塊以及控制單元可以將舍內(nèi)外環(huán)境參數(shù)和刮糞板的運(yùn)動狀態(tài)信息、 自動保溫隔熱門的開關(guān)情況、 清糞模式等直接顯示在系統(tǒng)后臺，對特殊天氣情況，刮糞板故障、保溫隔熱門故障進(jìn)行實(shí)時反饋和警報， 整個豬場按照注豬舍類型分類編號在管理系統(tǒng)中監(jiān)控管理。

本系統(tǒng)涉及與后臺系統(tǒng)相匹配的移動端APP， 豬場內(nèi)外工作人員可隨時查看豬舍內(nèi)狀況， 可遠(yuǎn)程發(fā)送指令控制舍內(nèi)清糞設(shè)備開始工作， 工作過程中的意外狀況手機(jī)端可實(shí)時掌握。

1.6 云服務(wù)器部署神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

為開發(fā)本系統(tǒng)，課題組于2019 年3—5 月在黑龍江畜牧科技園區(qū)的母豬舍安裝傳感器等設(shè)備，實(shí)時采集包括溫濕度、二氧化碳、氨氣、硫化氫等環(huán)境參數(shù)。目前，采集的數(shù)據(jù)已經(jīng)上傳到云端，同時記錄每天的清糞時間。 下一步將通過對數(shù)據(jù)的分析，建立清糞次數(shù)、清糞時間和環(huán)境質(zhì)量的關(guān)系模型， 實(shí)現(xiàn)由舍內(nèi)空氣質(zhì)量控制清糞設(shè)備的運(yùn)行。其中，室外溫度檢測設(shè)備，用于檢測室外溫度，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至控制箱。 環(huán)境監(jiān)測設(shè)備用于實(shí)時采集豬舍環(huán)境信息，每10min 采集一次，包括按其濃度、二氧化碳濃度、硫化氫濃度、粉塵等級、溫濕度、光照、氣壓，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端（已有設(shè)備）。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立清糞次數(shù)、清糞時間和環(huán)境參數(shù)關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)由舍內(nèi)空氣質(zhì)量驅(qū)動清糞設(shè)備運(yùn)行，模型的整體訓(xùn)練結(jié)果如圖4 所示。

圖4 模型擬合效果圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

通過硬件設(shè)計完成了對主控單元和刮糞板運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測裝置的實(shí)現(xiàn)。 主控板系統(tǒng)架構(gòu)為ARM+4G LET Modem，實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)中心交互數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)中心的設(shè)置啟動或者停止刮板工作；采集刮板的姿態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)上報系統(tǒng)中心后可以根據(jù)刮板姿態(tài)數(shù)據(jù)判斷刮板工作狀態(tài)。判斷刮板是否變形等狀態(tài)；控制保溫門板開啟關(guān)閉狀態(tài)，門板可以配置成常開狀態(tài)或者刮板運(yùn)行到相應(yīng)位置后打開/關(guān)閉模式；采集系統(tǒng)電氣元件狀態(tài)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)；姿態(tài)檢測采集器系統(tǒng)架構(gòu)為ARM+IOT/無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)+鋰電池供電，采用低功耗設(shè)計，電池供電設(shè)計工作壽命＞1 年；實(shí)現(xiàn)采集三軸角度傳感器數(shù)據(jù)； 低功耗發(fā)送采集的角度數(shù)據(jù)；定時發(fā)送電池電量數(shù)據(jù)，方便決策充電計劃。具體如圖5 所示（左為主控單元，右為刮板姿態(tài)采集器）

圖5 硬件實(shí)現(xiàn)圖

2.2 豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)器與手機(jī)端APP 實(shí)現(xiàn)

通過在豬舍內(nèi)外安裝環(huán)境參數(shù)傳感器， 實(shí)時將數(shù)據(jù)上傳至環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)器， 利用在云端部署環(huán)境數(shù)據(jù)與清糞時間頻次的關(guān)系模型， 實(shí)時將模型結(jié)果反饋給控制單元，進(jìn)而控制豬舍動態(tài)清糞和保溫隔熱門的開關(guān)。 環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)器后臺數(shù)據(jù)如圖6 所示。

基于功能設(shè)計實(shí)現(xiàn)的清糞控制系統(tǒng)APP， 其系統(tǒng)采用mvp 架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)功能包括：實(shí)時接收并顯示由控制箱發(fā)送至云端的數(shù)據(jù)，如室外溫度檢測設(shè)備、當(dāng)天刮糞時間及次數(shù)、當(dāng)前運(yùn)行模式（獨(dú)立、聯(lián)合）、卷簾門的狀態(tài)（開、關(guān)）、是否處于清糞狀態(tài)（是、 否）、 涉及傳感器是否存在故障（是、否）等；實(shí)時接收并顯示環(huán)境采集設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)；實(shí)時接收刮糞板監(jiān)測設(shè)備的部分?jǐn)?shù)據(jù)， 包括速度及運(yùn)行距離，如果接收到速度為0，則判斷為故障；如果接收到故障信息，則通過APP 向用戶發(fā)出警報信息；設(shè)有設(shè)備模塊、環(huán)境模塊、清理模塊和歷史記錄模塊等功能。 具體如圖7所示。

圖6 環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)器展示

圖7 APP 功能展示圖

3 結(jié)論

本文通過對豬舍清糞過程的分析， 開發(fā)設(shè)計一套豬舍自動清糞控制系統(tǒng)，打破傳統(tǒng)定時清糞模型，實(shí)現(xiàn)糞污的動態(tài)清理，減少糞污在舍內(nèi)留存的時間，在一定程度上降低有害氣體釋放總量，從而改善豬舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，對生豬生存生長環(huán)境做出了極大改善， 同時實(shí)現(xiàn)對豬舍清理裝置的狀態(tài)監(jiān)測，降低人力成本，解決了豬舍清糞控制環(huán)節(jié)面臨的難題。