基于PLC的生豬智慧養殖模式創新研究

蔡杰 楊立新 劉艷芳

摘要：生豬智慧養殖模式能極大地節省養殖環節人力成本，提高生豬養殖效率，實現豬舍“無人化”管理，是生豬養殖業發展必然趨勢。結合湖北省生豬養殖模式現狀與需求，提出了基于PLC的生豬智慧養殖模式，并對該模式的軟硬件設計進行了詳細分析，為湖北省生豬養殖模式開辟了新的途徑。

關鍵詞：生豬；智慧養殖；PLC；模式創新

中圖分類號：S828 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）20-0138-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.20.032 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： Pig breeding mode can save manpower cost in breeding link， raise pig breeding efficiency and realize “unmanned” management of pig house， which is an inevitable trend of pig breeding industry. Based on the current situation and demand of Hubei pig breeding mode， this paper puts forward the design of pig intelligent breeding mode based on PLC， and analyzes the software and hardware design of the model in detail.

Key words： pig； intelligent breeding； PLC； model innovation

2017年中央一號文件強調加快“互聯網+”現代農業行動，強化科技創新驅動，加強智慧農業科技研發和實施智慧農業工程，推進農業物聯網試驗示范和農業裝備智能化[1，2]。湖北省是生豬養殖大省，萬頭以上規模化養豬場近800家，居全國第一。目前，中國生豬養殖正在向規模化、專業化轉變，如何從智慧養殖模式創新方面加強示范和引導，成為破解湖北省生豬產業發展瓶頸的主要問題。

1 湖北省生豬養殖模式現狀

為深入了解湖北省在生豬智慧養殖技術與裝備應用方面的現狀與需求，對湖北省10家生豬養殖企業調研。湖北省生豬養殖總體生產水平仍然較低，傳統人工養殖方式比例仍然較高，大部分中小規模豬場（年出欄1萬頭以下）僅使用一些簡單的養殖設備，主要工作如飼喂、清糞、環境控制等仍由人工完成。只有小部分資金充足、規模較大、信息化素養較高的豬場在部分環節使用了智能裝備和信息化管理手段[3]。此次調研企業中3家生產規模較大的企業智能裝備使用水平較高，使用了智能飼喂設備、環境控制設備、繁殖母豬發情懷孕檢測設備等，但其在功能設計、智能化程度等方面仍需改進和完善（表1）。

2 生豬智慧養殖模式設計

針對當前生豬養殖環節智慧養殖技術現狀與需求，選定了智能環境控制、自動清糞、養殖過程監控、智能飼喂4個養殖生產環節，開展功能設計與系統集成，采用基于PLC的自動控制系統，使用傳感器采集豬舍環境數據，智能控制豬舍內環境調節設備、自動清糞設備、自動送料線等，實現生豬養殖的環境智能控制、糞便自動清理、養殖視頻監控與智能喂養[4-6]。同時，開發智農物聯云服務平臺電腦與手機版，養殖管理人員通過電腦或手機可遠程查看豬舍內環境數據、視頻圖像，根據管理經驗設置豬舍內環境調節、清糞、送料線等設備控制規則，達到生豬智慧養殖目的，全面提升生豬養殖效率與管理水平。

2.1 系統硬件設計

系統設計采用手動控制與自動控制結合的方式。系統手動控制由繼電器、交流接觸器、空氣開關等電氣元件構成。自動控制方式采用基于PLC的自動控制系統，將豬舍智能環境控制、自動清糞、智能飼喂3個系統進行集成，統一由智能控制器進行控制，不同子系統采取不同控制規則與算法。其中環境控制系統采用模糊控制算法，自動清糞、智能飼喂系統則采用軟件平臺設置自動開啟與關閉時間與次數方式進行遠程智能控制（圖1）。

2.1.1 環境智能控制系統 系統包括環境傳感器、無線傳輸模塊、智能控制器等。系統通過環境傳感器實時在線采集豬舍內環境信息（空氣溫濕度、光照度、二氧化碳濃度、氨氣濃度等），利用ZigBee無線通信與網絡通信技術實現環境數據實時傳輸，通過智能控制器實現對環境調節設備（如風機、濕簾、燈光等）的開啟或關閉，以達到智能調節豬舍環境的目的。

智能控制器（圖2）是系統核心組件，該設備采用模塊化設計，硬件結構由可編程控制器、交流接觸器以及部分電氣設備組成。環境傳感器將環境參數轉換為485數字信號傳送到可編程控制器，可編程控制器根據匯總到的環境數據，再根據事先設定的程序來開啟或關閉繼電器。可編程控制器設有顯示功能，可根據預先設置的參數決定要采取的措施，并將信息傳給下位機，由下位機控制執行裝置。控制器設有自動、手動兩種模式，可通過電控箱外部旋鈕實現模式的自動轉換。

在傳感器選擇上，充分考慮到豬舍內部環境情況，特別是夏天豬舍內部屬于高溫高濕環境，且舍內含有腐蝕性氣體氨氣、二氧化碳、硫化氫等，因此選擇帶外殼的防水防塵耐腐蝕等級較高的傳感器。在空氣溫濕度傳感器選擇上，溫度量程應該最少在-20～50 ℃之間，精度最低在0.5 ℃。二氧化碳傳感器選擇上，選擇量程最少為0～5 000 mg/L，測量精度在5%以內。氨氣傳感器選擇上，選擇量程最少為0～100 mg/L，測量精度在5%以內。傳感器輸出信號采用RS485數字信號輸出，支持標準的MODBUS協議，可直接將數據上傳到數據采集模塊。

2.1.2 自動清糞系統 自動清糞系統由電機、可翻轉式刮糞板、導尿管、電控箱、轉角輪等部件組成，刮糞板通過電機開啟正轉、反轉或關閉，電機則通過繼電器、交流接觸器與智能控制器連接，由智能控制器按一定控制規則控制。管理者可根據管理經驗，通過設置每天電機開啟時間、次數來控制刮糞板自動清糞。自動清糞組件可采用目前市場上較為成熟的固液分離型自動清糞機，其驅動電機采用雙繩輪單驅動的形式，通過牽引繩帶動兩個刮糞板形成一個閉合環路，刮糞板工作時將豬糞從糞道清理到儲糞池中。刮板裝置主要利用磨擦力自動落下抬起，工作時刮板自動落下，返回時刮板自動抬起。自動清糞系統可以降低工人的勞動強度，衛生清潔程度高，可進一步提高豬場的生產效率。

2.1.3 自動飼喂系統 自動飼喂系統包括自動送料線與飼喂器。自動送料線由料塔、不銹鋼絞龍、電機、控制箱、送料管、下料口等部分組成。自動送料組件可采用目前市場上較為成熟的產品，當電機開啟，顆粒狀飼料在絞龍的轉動下，通過絞龍的推力和自身重力向前運動，通過送料管和下料口被逐個輸送到干濕料槽內。電機由智能控制器通過管理者設定的控制規則進行控制開啟或關閉，其也可以根據送料情況自行關閉，由限位器自動檢測豬舍尾端料槽中的料位，當尾端料槽中料滿，限位器檢測到料滿狀態，輸料電機自動停止輸料。

2.2 系統軟件設計——智農物聯云服務平臺

系統采用純 B/S（瀏覽器和服務器）結構，根據服務器類型（Windows/Linux等）采用Jdk1.8.x版本開發環境和Java開發語言，面向對象的方法進行信息管理系統的開發。數據是信息系統的核心，主要用來保存產品屬性、流程數據，系統采用PostgreSQL9.5.x數據庫。該平臺分為預警中心、控制中心、數據分析、視頻監控四大模塊。

2.2.1 預警中心 通過環境傳感器對養殖舍內環境（包括二氧化碳、氨氣、溫度、濕度、光照度等）信號的自動檢測、傳輸和接收。通過手機、電腦等終端可實時查看豬舍內環境參數。提供上限值、下限值參考。設置功能；具備智能分析、告警功能；提供與其他養殖控制系統的管理接口。

2.2.2 控制中心 對養殖舍內環境（包括光照度、溫度、濕度等）的集中、遠程、聯動控制。實現養殖舍內環境調節設備的手動、自動控制模式自由轉換。其中環境控制器根據設定環境閾值，利用模糊控制算法，根據專家經驗及自我優化形成控制規則，實現養殖舍環境的智能控制與調節。自動清糞系統和飼喂系統則采用平臺設置定時開啟或關閉時間、次數，根據管理者管理經驗實現對自動清糞機、自動送料線驅動電機的智能控制，平臺也可以通過發送開關量的方式直接開啟或關閉。

2.2.3 數據分析 傳感器數據可以實時保存在數據庫，方便隨時調取查看場景數據，實現對養殖舍各類信息的存儲、分析和管理，傳感歷史數據（時、天、周、月）查看。K線圖和柱狀圖相結合，清晰分析基地情況，同時為控制設備調節提供數據參考。

2.2.4 視頻監控 實現養殖場實時視頻查看，攝像頭控制。實現養殖過程的各種監控功能（圖3），如圖像監看、云鏡控制、錄像存儲、智能檢索、網絡傳輸等。管理層可按不同權限級別觀看所監看的圖像，可以隨時隨地通過網絡連接到養殖場視頻監控系統進行監控。

3 應用瓶頸與對策

湖北省生豬養殖多以小規模生產為主，由于對物聯網認識的不足，導致多數中小企業對物聯網技術應用不夠重視，加之物聯網設備在養殖場地的前期投入較大，很大程度上阻礙了其廣泛應用的腳步。因此，改革生豬養殖小規模生產經營現狀，尤其是在經歷了2014—2015年生豬價格低潮，部分粗放式養殖企業被淘汰的沉痛教訓之后，生豬養殖業應理性的通過政府項目投入扶持，結合市場規律，適當引導擴大養殖規模，集中連片生產，從而提高自動化、機械化和新技術的應用水平，同時也為農業物聯網技術和設備的實施和應用提供合適的環境，實現生產、管理和經濟效益的共贏局面。

4 應用前景

傳統集約化養豬生產過程中大量使用人工存在諸多問題。一是工人自身素質的差異而難以保持生產過程的標準化操作；二是人員變動或工作過程中頻繁出入豬舍會導致管理和疫病控制難度加大；三是隨著中國勞動力資源的日益緊缺，勞動力成本逐年提高。本研究通過生豬智慧養殖模式設計，旨在打破當前以人工為主，設備為輔的生豬養殖主流業務模式，探索解放設備、機械生產力，實現設備、機械在準確信息和養殖模型指導下，擺脫人為約束，真正實現生豬健康養殖的智能化、無人化、精準化管理，同時為今后養殖企業采取智能化生產提供模式借鑒。

中國生豬產業發展目前正朝高效、生態、環保方向發展，智慧養殖技術應用能幫助規模化養殖企業實現標準化生產，提升生產效率，節約生產成本。特別是在經歷了價格低潮和無情淘汰之后，生豬養殖企業將會越來越重視如何通過信息化手段來提高養殖管理效率。同時，中國農村勞動力大量轉移，適度規模養豬場和養豬設備必將有較快的發展，智慧養殖技術與裝備今后的需求量必將隨市場需求而增大。因此，順應中國發展“互聯網+農業”大潮，開展生豬智慧養殖模式創新，具備良好的發展前景。

參考文獻：

[1] 閆 宇.生豬規模化養殖豬舍環境測控和生豬管理系統的研究與實現[D].合肥：安徽農業大學，2017.

[2] 靳 敏，王春光，李海軍，等.豬舍環境監控系統的研究現狀及發展趨勢[J].黑龍江畜牧獸醫，2017（9）：67-70.

[3] 吳武豪.基于物聯網的豬舍環境監控系統研究[D].杭州：浙江大學，2014.

[4] 周麗萍，陳 志，苑嚴偉，等.豬舍環境無線傳感器網絡監控系統研究[J].自動化技術與應用，2016，35（1）：56-60.

[5] 李澤政.傳送帶自動清糞設備及工藝在規模豬場中應用效果的研究[D].杭州：浙江大學，2015.

[6] 陳主平，黃萍方，萬 露，等.信息化對我國生豬產業影響探討[J].畜禽業，2017，28（9）：82-83.