豬舍自動清糞控制系統設計與實現*

胡振楠， 孫紅敏， 李曉明， 戴百生，2， 高 悅， 王鈺涵, 董 元

（1.東北農業大學電氣與信息學院，黑龍江哈爾濱150030；2.農業農村部生豬養殖設施工程重點實驗室，黑龍江哈爾濱150030）

0 引言

隨著豬場現代化建設進程的日漸推進， 豬場中對生豬養殖的管理方式向智能化集約化方向發展[1]。 近年來，豬舍物聯網控制系統同樣隨之完善，如豬舍環控系統、自動喂食系統、自動供水系統，但豬舍自動清糞系統常常被忽略，依然沿用傳統定時清理方式，生豬養殖過程中，豬的糞污清理是豬舍管理中重要的一環， 糞污在舍內的長時間積累會釋放大量有害氣體[2]，嚴重影響空氣質量進而影響生豬健康及豬肉品質。 傳統糞污清理采用定時清糞，由于清糞設備負載重量較大，往往一天清理一次，雖然節約人力， 但忽略糞污在舍內積累而造成空氣質量下降的問題。 根據舍內環境變化對舍內進行糞污清理是清糞系統必須考慮的因素之一[3-4]，在糞污清理過程中，清糞設備可能受到損壞、卡頓、過載，進而造成糞污在舍內殘留，相關文獻表明， 新鮮糞便的表面積增加會加速釋放NH3、CO2、H2S 等有害氣體[5]，嚴重影響舍內空氣質量，因此動態了解清糞設備運行狀態能有效避免因設備損壞帶來的舍內空氣環境下降問題。 針對上述問題，本文設計出一種豬舍自動清糞控制系統， 基于云服務器根據豬舍內實時環境自動清理。

1 系統設計

1.1 需求設計

隨著物聯網發展，農業物聯網隨之興起，以往只能由工人現場操作的工作逐漸由物聯網所替代， 通過云服務器， 管理者只需在終端管理系統或者APP 上就能進行操作，省時省力高效準確的完成既定工作。 基于豬舍傳統的定時清理系統， 本文基于物聯網技術提出自動清糞控制系統，系統包括環境監測設備、室外溫度檢測設備、刮糞板運行監測設備、刮糞板與卷簾門，以及控制整體運行的控制箱，一個電腦端豬舍管理系統，一個APP。自動清糞系統整體架構如圖1 所示。

圖1 自動清糞系統整體架構

1.2 舍內外環境采集設備

不同地區豬舍內外環境有所不同， 及時了解豬舍內外環境變化對改善豬的生長環境至關重要。 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。 在本文設計的系統中，在糞溝外側帶有自動開關的卷簾門，清糞時卷簾門自動升起，完畢后自動關閉，同時設有常開功能，用于加強通風維持舍內的空氣質量，清理糞便過程中進行通風換氣需考慮溫度環境的限制，夏季豬舍結合自然通風，舍內保持良好通風環境，冬季豬舍需要維持舍內溫度，盡量減少熱量流失帶來的溫度變化，豬舍內外溫度數據采集設備對環境進行檢測，為調節豬舍環境控制方式提供有效支持。

1.3 刮糞板運行監測設備硬件設計

刮糞板狀態監測設備在刮糞板開始運行時采集刮糞板運行速度、運行的距離、刮糞板的姿態角（橫滾角、俯仰角、偏航角）、角加速度，同時將數據上傳至云端，并在刮糞板停止運行時結束發送。 該裝置設計安裝在刮糞板上，實現對刮糞板運行姿態的檢測，并回傳角度數據至數據處理及警報設備，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 硬件設計

主從設備的主要部件分別是主控芯片、 通信模塊和運動狀態檢測模塊。 主控芯片STM32F103，用于進行決策控制；數據收發模塊為NEF24L01，由NORDIC 生產的工作在2.4 GHz～2.5 GHz 的ISM 頻段的單片無線收發器芯片；運動狀態檢測模塊為MPU6050，用于檢測刮糞板在運行過程中產生的傾角，速度參數[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，為防止清糞時豬舍內熱量流失，課題組已設計完成一種與刮糞板運行關聯的自動保溫隔熱門。豬舍刮糞板為常見機械式干濕分離刮糞板[9]，具體尺寸因豬場糞溝尺寸而定，為保證豬舍在嚴寒環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，整個清糞過程舍內外熱量交換較少，對舍內溫度影響較小，同時在舍外環境適宜時，可常開自動保溫隔熱門，加強舍內外通風換氣，實現冬季保溫、夏季換氣的雙重功能，刮糞板與保溫隔熱門的運作示意圖如圖3 所示。

圖3 自動保溫隔熱門設計結構圖

1.5 豬舍環境數據服務器和移動端APP

本文自動控制系統的主機端配套開發一套控制管理系統， 通過布置在豬舍內的數據采集模塊以及控制單元可以將舍內外環境參數和刮糞板的運動狀態信息、 自動保溫隔熱門的開關情況、 清糞模式等直接顯示在系統后臺，對特殊天氣情況，刮糞板故障、保溫隔熱門故障進行實時反饋和警報， 整個豬場按照注豬舍類型分類編號在管理系統中監控管理。

本系統涉及與后臺系統相匹配的移動端APP， 豬場內外工作人員可隨時查看豬舍內狀況， 可遠程發送指令控制舍內清糞設備開始工作， 工作過程中的意外狀況手機端可實時掌握。

1.6 云服務器部署神經網絡模型

為開發本系統，課題組于2019 年3—5 月在黑龍江畜牧科技園區的母豬舍安裝傳感器等設備，實時采集包括溫濕度、二氧化碳、氨氣、硫化氫等環境參數。目前，采集的數據已經上傳到云端，同時記錄每天的清糞時間。 下一步將通過對數據的分析，建立清糞次數、清糞時間和環境質量的關系模型， 實現由舍內空氣質量控制清糞設備的運行。其中，室外溫度檢測設備，用于檢測室外溫度，并將數據發送至控制箱。 環境監測設備用于實時采集豬舍環境信息，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，并將數據發送至云端（已有設備）。通過對數據進行分析，建立清糞次數、清糞時間和環境參數關系模型，實現由舍內空氣質量驅動清糞設備運行，模型的整體訓練結果如圖4 所示。

圖4 模型擬合效果圖

2 系統實現

2.1 硬件實現

通過硬件設計完成了對主控單元和刮糞板運行狀態監測裝置的實現。 主控板系統架構為ARM+4G LET Modem，實現與系統中心交互數據，根據系統中心的設置啟動或者停止刮板工作；采集刮板的姿態數據，數據上報系統中心后可以根據刮板姿態數據判斷刮板工作狀態。判斷刮板是否變形等狀態；控制保溫門板開啟關閉狀態，門板可以配置成常開狀態或者刮板運行到相應位置后打開/關閉模式；采集系統電氣元件狀態，遠程監控系統的狀態；姿態檢測采集器系統架構為ARM+IOT/無線數傳網絡+鋰電池供電，采用低功耗設計，電池供電設計工作壽命＞1 年；實現采集三軸角度傳感器數據； 低功耗發送采集的角度數據；定時發送電池電量數據，方便決策充電計劃。具體如圖5 所示（左為主控單元，右為刮板姿態采集器）

圖5 硬件實現圖

2.2 豬舍環境數據服務器與手機端APP 實現

通過在豬舍內外安裝環境參數傳感器， 實時將數據上傳至環境數據服務器， 利用在云端部署環境數據與清糞時間頻次的關系模型， 實時將模型結果反饋給控制單元，進而控制豬舍動態清糞和保溫隔熱門的開關。 環境數據服務器后臺數據如圖6 所示。

基于功能設計實現的清糞控制系統APP， 其系統采用mvp 架構，實現功能包括：實時接收并顯示由控制箱發送至云端的數據，如室外溫度檢測設備、當天刮糞時間及次數、當前運行模式（獨立、聯合）、卷簾門的狀態（開、關）、是否處于清糞狀態（是、 否）、 涉及傳感器是否存在故障（是、否）等；實時接收并顯示環境采集設備上傳的數據；實時接收刮糞板監測設備的部分數據， 包括速度及運行距離，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 向用戶發出警報信息；設有設備模塊、環境模塊、清理模塊和歷史記錄模塊等功能。 具體如圖7所示。

圖6 環境數據服務器展示

圖7 APP 功能展示圖

3 結論

本文通過對豬舍清糞過程的分析， 開發設計一套豬舍自動清糞控制系統，打破傳統定時清糞模型，實現糞污的動態清理，減少糞污在舍內留存的時間，在一定程度上降低有害氣體釋放總量，從而改善豬舍內環境質量，對生豬生存生長環境做出了極大改善， 同時實現對豬舍清理裝置的狀態監測，降低人力成本，解決了豬舍清糞控制環節面臨的難題。