畜禽糞便智能清掃機器人設計研究

孫玉萍 李宗唐

（西安培華學院，陜西 西安 710125）

在新的發展時期，依靠科學技術推動農業發展，無疑是一項重要的實踐命題。習近平于2013年11月提出精準扶貧思想［1］。從2013年至今，各地區政府響應習近平的號召，紛紛出臺了相應的扶貧政策，而養殖業憑借投資小、精準度高以及收入穩定等優點成為脫貧攻堅的主力軍。黨的十九大報告中提出了鄉村振興戰略，需要抓好農村人居環境建設，加強農村污染治理和生態環境保護等。

1 背景及目的

目前，國家為推動貧困區縣經濟的發展，鼓勵在不破壞生態環境的同時大力發展畜牧業和養殖業。然而，貧困地區家庭收入的來源主要為青壯年外出務工所得，在家中留守的多是婦女、兒童和老人。這一群體普遍存在勞動力缺乏、文化水平低的問題，對養殖沒有科學認識，對畜禽糞便不能進行科學處理，且環境保護意識薄弱，導致糞便污染管理不能有效開展［2］。

一些養殖戶環保意識薄弱，選擇在養殖場內設置下水道。對于畜禽類糞便的清理，他們選擇直接用水沖洗，并引流至場外不遠處的化糞池中，并經常將未處理的禽畜糞便直接作為肥料施加到農田中。由于養殖環境較差且未處理的糞便中含有大量有害物質，導致農田受污染情況嚴重。養殖戶盲目施加肥料，用量不符合農作物的生長需要，導致肥料施加量過大，使農作物出現了貪青、瘋長的情況，延長了農作物的生長周期，對農田造成了嚴重損害，同時大大減少了農作物收益。糞便和排泄物中的病原菌通過土壤、水源以及空氣等進行傳播，也會將病原體傳染給人們。

由于技術落后，貧困山區養殖粗放，大都深受疫病、技術服務等因素的困擾。從根本上解決這些問題，在不影響的發展下推動經濟進步，做到產業興旺、生態宜居，需要對畜禽的糞便進行科學化集中收集處理［3］。本項目提出一種基于無線通信技術和微處理器技術的智能清掃機器人，旨在從污染源頭對糞便進行處理，解決養殖過程中糞便收集清理問題。

2 整體設計方案

2.1 系統結構

本項目設計的智能清掃機器人，整體系統設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

清掃機器人通過無線傳感模塊將采集的障礙物信息（如畜禽糞便）運用無線技術進行傳輸，并將識別的內容解析和控制指令發送給主控制端實現機器人的轉彎、停留以及前進等功能。若檢測到前方出現障礙物，主控制端立刻向機器人發出停止指令，并將信號發送給清掃模塊，完成清掃［4］。

本項目也可集成多種無線模塊，實現清掃、物體實時跟蹤以及實地信息傳輸等多種功能。該項目中設計采用無線信息傳輸模塊，主要集成傳感器、處理單元和通信模塊節點，且各節點通過協議自組成一個分布式網絡。無線信息傳輸模塊將采集的障礙物信息經過優化后反饋給主控制器，主控制器把命令處理成對可控設備的相應操作指令，并將操作指令以電脈沖信號形式發出，而執行模塊將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的形式發送給清掃模塊，從而實現清掃。

2.2 系統主要功能

系統主要功能從以下3個部分來實現。第1部分由無線信息傳輸模塊和主控制器組成，實現對障礙物信息的采集；第2部分由主控器和接口電路組成控制總平臺，實現對該系統的總體控制；第3部分由主控制器、感應電機及周圍電路組成清掃模塊，實現對障礙物的清掃。通過以上3個部分最終實現整體系統功能，而在實現基本要求的基礎上，還可集成視頻遙控等功能，為養殖戶提供更加方便、快捷的服務［5］。

3 項目實施

3.1 主控制器

本系統選用基于ARM的32位增強型MCU作為主控制器，基本電路由其最小系統及電源指示燈組成，工作電壓2.0～3.6 V。由于電路需要的無線傳感模塊驅動電壓為5 V，所以需添加3.3 V穩壓芯片進行轉換。該芯片功耗低、性能高、成本低，滿足主控制系統對資源的需要。

3.2 傳感模塊

3.2.1 超聲波傳感器。采用HC-SR04超聲波模塊，模塊性能穩定，測距精確且精度高，盲區只有2 cm，符合系統對傳感器的要求。項目實施過程如圖2和圖3所示。

圖2 無線傳感器工作示意圖

圖3 執行模塊工作示意圖

整體實施過程如下：主控制器產生一個方波用來驅動無線傳感器發射檢測糞便的聲波，聲波碰到障礙物反射回無線傳感器接收端；若沒有檢測到糞便，則輸入低電平給主控制器，使得主控制器驅動無線傳感器繼續尋找糞便；若檢測到糞便，則輸入高電平給主控制器，使得主控制器驅動清掃模塊進行清掃。

3.2.2 壓力傳感器。壓力傳感器可以以一定的規律將壓力信號轉換成系統可以識別的電信號，在生活中極為常見。本項目的壓力傳感器模塊采用具有模數轉換的高精度、低成本的HX711芯片。該清掃機器人在清掃模塊備有清理箱，清理箱底部設有壓力傳感器。壓力傳感器可將清理箱所承受的質量轉為電信號，經過模數轉換發送給主控制器。提前預設清理箱的最大承重，傳感器將清理臂每清理一次時箱內實施重量反饋給主控制器。當“清理箱最大承重-清理箱內糞便質量≤1 kg”時，傳感器將信息發送給主控制器，主控制器停止檢測、清理、行進并驅動蜂鳴器報警，等待下一步處理。由于該機器人實用性較強，所以在制作出初步原理樣機后需要進行實地考察，根據實際情況改良原理樣機的方案，最終完成制作。

3.3 執行模塊

執行模塊由舵機、清潔工具及指示燈組成。芯片接收到無線傳感器的障礙物信息，通過調節PWM的占空比達到驅動舵機的目的。清掃工具與舵機相連，舵機轉動，帶動清潔工具執行清掃指令，從而實現對糞便的清理。

4 結語

近年來傳感器技術發展迅速，應用廣泛，作為本項目的技術核心，不僅節約了成本，而且減少了傳輸線路間的串擾，提高了產品性能和智能化水平，使得人們在使用過程中操作更為簡單、方便。項目所提出的智能清掃機器人通過對畜禽糞便進行收集，有助于后期的循環利用，利用自動化設備代替人工水沖洗，減少了水資源的浪費，初步防治了空氣污染和農田污染，為后續對糞便科學化處理提供了技術支持，實現了對養殖場環境污染的治理［6］。