曹永峰，陳高峰, 2，王飛仁，曾志雄，呂恩利，郭嘉明

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州市，510642； 2. 廣州迦恩科技有限公司，廣州市，511363；3. 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州市，510550)

0 引言

斷奶后的仔豬喜食粥料，尤其是與母乳物理狀態(tài)較為相似，帶有香甜味和適當(dāng)腥味的粥料[1-4]。保育階段的仔豬飼喂粥料，具有明顯降低豬群腹瀉率、降低料肉比、減少飼料浪費(fèi)、提高仔豬生長(zhǎng)性能等優(yōu)點(diǎn)[5-9]。在目前規(guī)?；i場(chǎng)中，國(guó)外針對(duì)液態(tài)飼喂的研究較為深入，德國(guó)WEDA公司開發(fā)的全自動(dòng)液態(tài)飼喂系統(tǒng)，可在飼料中調(diào)整營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充供給，加快豬只生長(zhǎng)速度，但其設(shè)備成本較高。近幾年，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)生豬飼喂設(shè)備開展了大量研究，黃會(huì)男[10]分析了保育豬智能飼喂器的排料性能，得到了飼料顆粒的物性參數(shù)，利用EDEM軟件仿真優(yōu)化得到了較好的排料組合參數(shù)。喬愛民等[11]通過結(jié)合靜態(tài)測(cè)量及LS-SVR回歸模型的質(zhì)量遞推補(bǔ)償方法，對(duì)粥料器每日的送料量進(jìn)行質(zhì)量補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了對(duì)粥料器日送料量的精確控制。張伏等[12]設(shè)計(jì)了仔豬自動(dòng)精細(xì)飼喂系統(tǒng)，并通過豬場(chǎng)應(yīng)用性試驗(yàn)表明，使用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)飼喂，在仔豬轉(zhuǎn)欄后第2周與第3周仔豬平均日增重量是人工喂養(yǎng)的2倍。

實(shí)現(xiàn)飼喂粥料的方式主要有液態(tài)發(fā)酵式、濕拌料式和水泡料式三種[13-15]。本文以水泡料作為主要方向，從保育豬飼喂標(biāo)準(zhǔn)和采食習(xí)性出發(fā)，設(shè)計(jì)了保育豬智能粥料飼喂系統(tǒng)，主要采用嵌入式控制器、食槽液位監(jiān)測(cè)裝置、螺旋輸送機(jī)搭配雨刮電機(jī)；輔助以手持終端、中央控制器及云平臺(tái)技術(shù)。搭建了樣機(jī)測(cè)試平臺(tái)，并對(duì)關(guān)鍵部件參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，獲得了最優(yōu)組合參數(shù)，可為規(guī)?；i場(chǎng)保育豬智能化粥料飼喂設(shè)備的研發(fā)提供參考。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與工作原理

系統(tǒng)總體框架如圖1所示，保育豬智能粥料飼喂系統(tǒng)由機(jī)械本體(圖2)、中央控制器、手持終端和云平臺(tái)組成。機(jī)械本體為供料供水的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；手持終端為人員與系統(tǒng)的交互工具，可實(shí)現(xiàn)豬群信息及飼喂信息的調(diào)整和輸入；中央控制器通過CAN總線通訊的形式來(lái)收集各個(gè)機(jī)械本體的設(shè)備信息、飼喂信息，各類信息在中央控制器界面和云平臺(tái)界面集中顯示。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

圖2 機(jī)械本體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作原理流程如圖3所示，通過手持終端將飼喂方案輸入到本體控制器中，當(dāng)?shù)竭_(dá)飼喂時(shí)間時(shí)，本體控制器根據(jù)流量計(jì)數(shù)據(jù)判斷供水是否正常。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

正常工作模式下：系統(tǒng)根據(jù)水料比計(jì)算水量，通過流量計(jì)監(jiān)測(cè)供水量，并控制電磁閥開閉完成定量下水。同時(shí)排料電機(jī)帶動(dòng)螺旋輸送機(jī)進(jìn)行供料。水和飼料同時(shí)進(jìn)入食槽，飼料在水的浸泡作用下，并結(jié)合豬只的拱動(dòng)拌成粥料。隨著供水供料量的增加，系統(tǒng)通過余料監(jiān)測(cè)裝置識(shí)別到滿料狀態(tài)時(shí)，停止供水供料。當(dāng)供料量達(dá)到本次設(shè)定料量后，或者未達(dá)到本次設(shè)定料量，但只要飼喂時(shí)長(zhǎng)已經(jīng)達(dá)到30 min，設(shè)備便停止工作，結(jié)束本餐次飼喂。無(wú)水工作模式下：為了保證仍能完成飼喂工作，系統(tǒng)僅根據(jù)送料電機(jī)運(yùn)行時(shí)間計(jì)算排料量。當(dāng)達(dá)到設(shè)定料量，或者未達(dá)到設(shè)定料量，但飼喂時(shí)長(zhǎng)已達(dá)到50 min，均結(jié)束本餐次飼喂。

2 機(jī)械本體關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 螺旋輸送機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

機(jī)械本體結(jié)構(gòu)中，螺旋輸送機(jī)是最核心的部件，根據(jù)儲(chǔ)料倉(cāng)及整機(jī)布置方案，螺旋輸送機(jī)布置方式采用縱向布置方案。根據(jù)保育期仔豬單日最大采食量、單臺(tái)設(shè)備下飼喂豬只頭數(shù)最大上限、單日總飼喂時(shí)長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)排料量，需供料速度為0.021 6 t/h。螺旋輸送機(jī)參數(shù)計(jì)算如式(1)[16-17]。

Q=3 600F·ρ·ν·ε

(1)

式中：Q——螺旋輸送機(jī)物料輸送速度，t/h；

F——料槽內(nèi)物料層橫截面面積，m2；

ρ——物料密度，t/m3；

ε——傾斜輸送系數(shù)；

ν——物料軸向移動(dòng)速度，m/s。

通常不考慮物料軸向阻滯的影響，則

ν=S·N/60

(2)

式中：S——螺旋輸送機(jī)葉片螺距，m；

N——螺旋轉(zhuǎn)速，r/min。

F=π·φ·D2/4

(3)

式中：φ——填充系數(shù)；

D——螺旋輸送機(jī)葉片外徑，m。

螺旋輸送機(jī)在輸送物料的過程中，螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速過高會(huì)導(dǎo)致離心力過大，物料向外拋，導(dǎo)致無(wú)法輸送，故有n≤nmax。

(4)

式中：nmax——螺旋輸送機(jī)的最大轉(zhuǎn)速，即臨界轉(zhuǎn)速，r/min；

A——物料的綜合特性系數(shù)。

(5)

式中：Z1——螺旋輸送機(jī)螺距與外直徑的比例系數(shù)，取Z1=0.625。

圖4 螺旋輸送機(jī)參數(shù)示意圖

根據(jù)相關(guān)資料[18]，取ε=0.46，φ=0.3，所選物料密度ρ=0.6 t/m3。將上述參數(shù)代入式(5)得D≥32.68 mm，故取D=40 mm，S=25 mm。絞龍軸直徑

d=α·D

(6)

α一般取值為0.2～0.35，故d取值范圍為8～14 mm，根據(jù)螺旋輸送機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)，取d為12 mm。

2.2 破拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

排料過程中，儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)由于飼料顆粒之間的黏結(jié)性和摩擦阻力，顆粒料吸潮或靜電作用，飼料顆粒之間、飼料顆粒與倉(cāng)壁之間的黏附力增加，粘附在壁面形成料拱[19-20]。為避免飼料結(jié)拱，在螺旋輸送機(jī)上方設(shè)計(jì)兩個(gè)剛性結(jié)構(gòu)來(lái)破壞料拱，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，上破拱結(jié)構(gòu)可擾動(dòng)儲(chǔ)料倉(cāng)中上部的飼料，下破拱結(jié)構(gòu)可擾動(dòng)排料口附近的飼料。在上下破拱結(jié)構(gòu)的作用下，整個(gè)儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)飼料一直處于被動(dòng)態(tài)擾動(dòng)的狀態(tài)，無(wú)法粘結(jié)成料拱?？杀ＷC倉(cāng)內(nèi)飼料排料順暢，避免飼料粘附倉(cāng)壁的現(xiàn)象。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 破拱結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

粥料機(jī)的供水系統(tǒng)主要包括：手閥、過濾器、流量計(jì)、電磁閥及噴水頭等。電磁閥和流量計(jì)選用型號(hào)為WFS-E-NP006S-4一體閥，一體閥流量計(jì)流量精度為2～20 L/min±5%。供水系統(tǒng)示意如圖6所示。經(jīng)過濾器過濾，可避免雜質(zhì)進(jìn)入流量計(jì)和電磁閥，導(dǎo)致部件工作失效。噴水頭周向共有6個(gè)出水口，水由各出水口噴出，進(jìn)入食槽與飼料混合，實(shí)現(xiàn)水泡料的目的。在排料過程中，排料口下方存在豬只接觸不到的區(qū)域，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)出現(xiàn)飼料黏結(jié)，噴水頭在出水過程中，可實(shí)現(xiàn)清洗落料口下方食槽上積料的功能，保證食槽內(nèi)衛(wèi)生。

圖6 供水系統(tǒng)示意圖

2.4 食槽液位監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

食槽液位監(jiān)測(cè)裝置工作原理為：探針底部接觸到水料液面時(shí)，探針通過水料液體介質(zhì)與不銹鋼食槽導(dǎo)通，搭鐵線和探針線間形成閉合回路，閉合信號(hào)反饋到本體控制器，控制器判定為食槽料滿，停止下水下料工作。裝置工作示意圖如圖7所示。

圖7 余料監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件

本體控制器采用STM32嵌入式技術(shù)，主芯片型號(hào)為STM32F103ZET6，其增強(qiáng)型72 MHz的主頻和大容量高速存儲(chǔ)器保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。利用A/D采集電路通過較高分辨率的霍爾傳感器對(duì)系統(tǒng)水流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)，同時(shí)配有相關(guān)的電路模塊如串行通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路等，便于相關(guān)飼喂數(shù)據(jù)在上傳中央控制器前進(jìn)行暫存。

3.1.1 控制系統(tǒng)主電源電路

控制系統(tǒng)主電源電路如圖8所示。

圖8 主電源電路圖

系統(tǒng)主電源由24 VDC開關(guān)電源提供，為提高系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性能，設(shè)計(jì)了以單片集成開關(guān)芯片LM2596為核心的隔離DC/DC系統(tǒng)主電源。LM2596可提供150 kHz的固定開關(guān)頻率，共有24 V、5 V、3.3 V三路電源，24 V用于為電機(jī)、一體閥執(zhí)行部件進(jìn)行供電，5 V用于各類模擬電路供電；并通過AMS1117-3.3轉(zhuǎn)換輸出電壓為3.3 V的正向低壓，用于為STM32F10-3ZET6在內(nèi)的數(shù)字電路供電。

3.1.2 通訊控制電路

系統(tǒng)通訊接口主要有RS-232串口通信、CAN總線通信、WIFI模塊通訊和A/D采集和控制輸出電路等。系統(tǒng)通過WIFI模塊與手持終端進(jìn)行通訊；RS-232為薄膜按鍵板通訊接口，可進(jìn)行單臺(tái)設(shè)備的簡(jiǎn)單按鍵操作；CAN總線與中央控制器通訊，完成信息采集和上傳。通訊控制電路如圖9所示，RS-232通訊電路中采用MAX3232芯片，電路采用3.3 V電源供電，以確保在120 kbit/s數(shù)據(jù)速率下維持RS-232輸出電平。CAN總線通訊電路中設(shè)計(jì)有ISO1050DUBR電鍍隔離CAN轉(zhuǎn)發(fā)器，擁有高達(dá)1 Mbit/s的傳輸速率，保證了多臺(tái)設(shè)備向中央控制器數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α?/p>

圖9 通訊模塊控制電路

3.1.3 電機(jī)控制電路

電機(jī)控制電路如圖10所示。系統(tǒng)選用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直流雨刮電機(jī)，關(guān)鍵參數(shù)為：80 W，DC24 V，轉(zhuǎn)矩39 N·m，30 r/min，粥料機(jī)設(shè)計(jì)滿載40 kg儲(chǔ)料量，故選用較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。同樣控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的IO口驅(qū)動(dòng)能力必須選用較大的驅(qū)動(dòng)電流，采用IRF530電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，以達(dá)到電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率。電路中設(shè)計(jì)有型號(hào)為TLP-521-1XSM的光電耦合器，最大隔離電壓為2 500 Vrms(Vrms為交流電壓的有效值)，用于減小電壓的干擾，增強(qiáng)電路的安全性。

圖10 電機(jī)控制電路

3.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)主要包括手持終端和中央控制器界面。手持終端可將豬群信息及飼喂信息通過WIFI無(wú)線傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，如豬只頭數(shù)、日齡、欄位信息及水料比等；實(shí)現(xiàn)了人員與設(shè)備非必要不接觸，增加了養(yǎng)殖生物安全等級(jí)。中央控制器以CAN總線通訊的形式來(lái)收集各個(gè)設(shè)備的設(shè)備信息、飼喂信息，如：故障信息、豬只信息和飼料消耗信息。中央控制器所收集各類信息，通過4G模塊上傳云平臺(tái)集中顯示。

4 粥料機(jī)性能試驗(yàn)

4.1 粥料機(jī)排料性能試驗(yàn)

4.1.1 試驗(yàn)方案

為測(cè)試機(jī)械本體的排料性能，搭建如圖11所示的試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)平臺(tái)包括：機(jī)械本體、數(shù)字電子秤、穩(wěn)壓電源、轉(zhuǎn)數(shù)傳感器和轉(zhuǎn)數(shù)數(shù)顯記錄儀。試驗(yàn)使用飼料密度為0.6 t/m3，平均顆粒直徑為2.79 mm，粉末率為5.42%。以排料通道內(nèi)徑D1值、絞龍安裝高度E值和破拱結(jié)構(gòu)形式作為試驗(yàn)因素，以填充效率λ值(螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈所排出的物料質(zhì)量)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行正交試驗(yàn)，設(shè)定試驗(yàn)因素水平如表1所示。

(a) 示意圖

表1 因素水平對(duì)照表

試驗(yàn)用飼料拆袋后用2 mm孔徑篩進(jìn)行篩除粉末料，每次從篩選出來(lái)的飼料中稱取10 kg顆粒料加入儲(chǔ)料倉(cāng)。試驗(yàn)前上電開機(jī)預(yù)運(yùn)行，使飼料顆粒充滿螺旋輸送機(jī)葉片空間，轉(zhuǎn)數(shù)器清零，數(shù)字秤去皮校準(zhǔn)。上電啟動(dòng)開始試驗(yàn)，當(dāng)數(shù)字秤顯示實(shí)時(shí)重量為990～1 000 g 時(shí)，斷電停止試驗(yàn)。記錄排料重量、電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)和時(shí)間，即完成一次試驗(yàn)。按照此試驗(yàn)方法重復(fù)進(jìn)行，直至儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)顆粒料全部排出，結(jié)束本組試驗(yàn)。

4.1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

填充效率λ值直接影響到排料機(jī)構(gòu)的排料效率，填充效率越高、越穩(wěn)定，排料性能越好。將表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS軟件中進(jìn)行方差分析[21]。分析結(jié)果如表3所示，絞龍安裝高度和破拱形式對(duì)填充效率影響極顯著(P<0.01)；排料通道內(nèi)徑對(duì)填充效率影響顯著(P<0.05)。對(duì)填充效率影響最大的因素是破拱形式，其次是螺旋輸送機(jī)安裝高度，排料通道內(nèi)徑的影響最小。無(wú)破拱結(jié)構(gòu)的情況下，會(huì)導(dǎo)致顆粒料在進(jìn)料口附近黏結(jié)結(jié)拱，導(dǎo)致顆粒料進(jìn)入螺旋輸送機(jī)的速度降低，上下破拱結(jié)構(gòu)相結(jié)合的形式，排料過程無(wú)阻塞，填充效率較高。螺旋輸送機(jī)頂部螺旋葉片安裝太靠近進(jìn)料口時(shí)，顆粒料進(jìn)入螺旋輸送機(jī)葉片效率低，導(dǎo)致填充效率較低。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

表3 方差分析表

進(jìn)行Duncan多重比較分析得到，如表4、表5和表6所示數(shù)據(jù)，“A”因素3水平最好，“C因素”3水平最好，“B”因素影響程度比較小?！癇”因素中，1水平和3水平之間差異不顯著，3水平和2水平之間差異不顯著，1水平和2水平之間差異顯著，其λ值最大時(shí)為2水平。

表4 因素A對(duì)λ值影響的Duncan多重比較表

表5 因素B對(duì)λ值影響的Duncan多重比較表

表6 因素C對(duì)λ值影響的Duncan多重比較表

故最優(yōu)組合為A3B2C3，即當(dāng)E值為60 mm，D1值為42 mm，破拱形式為上下破拱結(jié)構(gòu)相結(jié)合的形式下，填充效率λ值最大，即該參數(shù)組合為最優(yōu)組合，使用最優(yōu)組合參數(shù)測(cè)試得到填充效率λ值為14.2 g/r。

4.2 水量精度及液位監(jiān)測(cè)效果試驗(yàn)

4.2.1 水量精度修正試驗(yàn)

保育豬粥料飼喂系統(tǒng)中，供水精度直接影響到粥料效果，進(jìn)而影響到飼喂效果，故精準(zhǔn)供水在整個(gè)系統(tǒng)中是非常關(guān)鍵的。對(duì)比控制系統(tǒng)的理論下水量和實(shí)際排出的水量，得到水量誤差為11.19%，本體控制器通過控制電磁閥的開啟時(shí)間，來(lái)控制供水量。故可通過縮短原有電磁閥的開啟時(shí)間來(lái)進(jìn)行修正。試驗(yàn)表明，以式(7)作修正后，誤差為1.43%。如圖12所示為修正前后與理論水量曲線對(duì)比。

圖12 供水精度修正前后對(duì)比

T1=(1-0.111 9)T0

(7)

式中：T0——修正前開啟時(shí)間，s；

T1——修正后開啟時(shí)間，s。

修正前較理論水量，水量多出35 mL左右，修正后曲線基本浮動(dòng)于理論水量上下，通過修正為系統(tǒng)提供了更精準(zhǔn)的水量。

4.2.2 食槽液位監(jiān)測(cè)性能試驗(yàn)

通過在食槽中調(diào)配不同水料比的粥料，進(jìn)行食槽液位監(jiān)測(cè)裝置的效果試驗(yàn)(圖13)。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)水料比≥1.5∶1時(shí)，粥料有水析出的狀態(tài)下，探針同食槽間形成閉合回路，控制器可判斷為食槽料滿，停止下水下料。水料比在1.5∶1和1∶1之間時(shí)，較為黏稠，探針需插入黏稠的料內(nèi)，才能形成閉合回路，無(wú)法滿足工作要求；當(dāng)水料比<1∶1時(shí)，食槽內(nèi)飼料浸泡效果較差，同樣無(wú)法滿足工作要求。

圖13 臨界點(diǎn)粥料狀態(tài)

5 結(jié)論

1) 為實(shí)現(xiàn)保育豬飼喂粥料，降低飼喂成本，節(jié)省人工，本文設(shè)計(jì)了保育豬智能粥料飼喂系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括機(jī)械本體、手持終端、中央控制器和云平臺(tái)四部分。系統(tǒng)操作便捷，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可滿足保育豬飼喂需求。

2) 通過搭建樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行關(guān)鍵部件參數(shù)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，螺旋輸送機(jī)安裝高度為60 mm，排料通道內(nèi)徑42 mm，破拱結(jié)構(gòu)采用上下破拱結(jié)構(gòu)結(jié)合的形式，螺旋輸送機(jī)填充效率最佳，該參數(shù)組合下λ值為14.2 g/r，且整個(gè)儲(chǔ)料倉(cāng)壁面無(wú)結(jié)拱現(xiàn)象。

3) 通過供水精度修正試驗(yàn)，提高了系統(tǒng)供水精度，修正后誤差為1.43%。使用不同水料比的粥料，測(cè)試食槽液位監(jiān)測(cè)裝置得到，當(dāng)水料比≥1.5∶1時(shí)，滿足系統(tǒng)工作要求。