一種禽舍智能清潔自走小車(chē)的設(shè)計(jì)

謝佳偉 張敬楊 梁宇濤 劉建勇 李東明

1、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院 2、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 3、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院

隨著我國(guó)人們經(jīng)濟(jì)水平和生活消費(fèi)水平的提升，中國(guó)農(nóng)業(yè)漸漸地形成一定的集約化生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)趨勢(shì)。此外，我國(guó)現(xiàn)代畜禽養(yǎng)殖業(yè)正在形成一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。但由于家禽養(yǎng)殖企業(yè)存在一定的不足，如養(yǎng)殖裝備智能化水平低下、養(yǎng)殖人員技術(shù)水平不高等，也產(chǎn)生了一系列問(wèn)題：養(yǎng)殖人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，人力成本高，生產(chǎn)效率低，企業(yè)效益差；養(yǎng)殖企業(yè)的養(yǎng)殖裝備科技含量較低、智能化水平較差，且仍以人力為主，導(dǎo)致人禽接觸過(guò)多，家禽染病概率增大；養(yǎng)殖場(chǎng)的養(yǎng)殖環(huán)境較差，禽舍糞污處理難度大，然而國(guó)家對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境的要求日漸嚴(yán)格，家禽養(yǎng)殖企業(yè)面臨的生存壓力日益增加。發(fā)展高端生豬養(yǎng)殖裝備制造業(yè)，力求將自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化技術(shù)成功運(yùn)用到生豬養(yǎng)殖機(jī)械設(shè)備中，從而實(shí)現(xiàn)科技興畜的目的。

1 清潔自走小車(chē)的總體結(jié)構(gòu)

禽舍智能清潔自走小車(chē)由電池驅(qū)動(dòng)，以艾莫迅FX3U-16MR型三菱PLC 為控制核心，通訊模塊為RS-485 網(wǎng)關(guān)。

（1）傳感器組：一氧化碳( CO)、傳感器、氨氣( NH3 )、傳感器、硫化氫( H2S) 傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器和溫濕度傳感器。（2）電池組：4 塊12V 38Ah 蓄電池。（3）行進(jìn)結(jié)構(gòu)：行進(jìn)電機(jī)。（4）清掃結(jié)構(gòu)：直流電機(jī)、滾筒毛刷、水箱、防水罩、紫外線(xiàn)消毒燈。

圖1 小車(chē)的行進(jìn)結(jié)構(gòu)

圖2 滾筒毛刷與防水罩

2 清潔自走小車(chē)的主要功能

（1）自動(dòng)行進(jìn)：小車(chē)通過(guò)前后紅外傳感器檢測(cè)墻面，控制小車(chē)在漏縫地板上的運(yùn)動(dòng)。

（2）地面清掃：小車(chē)行走時(shí), 直流電機(jī)通過(guò)齒輪帶動(dòng)滾筒毛刷轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行地面清掃工作。

（3）無(wú)傷驅(qū)禽：在小車(chē)正常清掃的過(guò)程中，如果超聲波傳感器檢測(cè)到軌道上存在家禽，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出聲音，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)禽的無(wú)傷驅(qū)趕。

（4）遠(yuǎn)程通訊：有害氣體、溫濕度傳感器把檢測(cè)到的氣體濃度與溫濕度遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)控終端，并實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端對(duì)小車(chē)的遠(yuǎn)程操控。

3 清潔自走小車(chē)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控制器

主控制器為艾莫迅FX3U-16MR 型三菱PLC。該P(yáng)LC 提供數(shù)字量16 入10 出、模擬量2 入2 出通道，此外還提供RS-485 MODBUS 串口。

3.2 傳感器

溫濕度傳感器：選用RS485 型高精度溫濕度變送器傳感器，該傳感器測(cè)量準(zhǔn)確、抗干擾強(qiáng)、性能穩(wěn)定。

有害氣體傳感器：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)舍內(nèi)有害氣體濃度, 并通過(guò)RS-485 遠(yuǎn)程通訊模塊把氣體濃度數(shù)據(jù)傳送到終端。

超聲波傳感器：選用UB500-18GM45-E4-V15 超聲波控制器，該傳感器利用回波測(cè)距原理和時(shí)差測(cè)量技術(shù)，具有防水防油、感應(yīng)靈敏、抗干擾強(qiáng)的特點(diǎn)。

紅外傳感器：選用漫反射紅外線(xiàn)E18-D80NK 光電開(kāi)關(guān)傳感器，檢測(cè)距離在80cm 內(nèi)可調(diào)，該傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見(jiàn)光干擾小、靈敏度較高、安裝方便等特點(diǎn)。

3.3 通訊模塊

采用智聯(lián)物聯(lián)ZP3000 系列遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)485 通訊。該網(wǎng)關(guān)支持國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)的FDD-LTE、TDD-LTE、WCDMA (HSPA+)、CDMA2000 (EV-DO)、TD-Scdma 3G/4G 移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)制式，為用戶(hù)提供方便快速的高速網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。采用高性能的32位專(zhuān)業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信處理器, 以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺(tái)，為用戶(hù)提供安全、高速、穩(wěn)定可靠的3G/4G 無(wú)線(xiàn)路由網(wǎng)絡(luò)，并支持2 個(gè)以太網(wǎng)RJ45 接口和通信串口。

3.4 行進(jìn)結(jié)構(gòu)

行進(jìn)電機(jī)采用直流電機(jī)，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速線(xiàn)電壓由PLC 的DA通道給予，以控制小車(chē)行進(jìn)速度。通過(guò)短接電機(jī)控制器倒車(chē)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

3.5 清掃結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)通過(guò)齒輪驅(qū)動(dòng)滾筒毛刷轉(zhuǎn)動(dòng)，從而進(jìn)行清掃工作。通過(guò)PLC 程序控制，當(dāng)清潔小車(chē)正向行走時(shí)，滾筒毛刷的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)檎驖L動(dòng), 當(dāng)清潔小車(chē)反向行走時(shí), 滾筒毛刷的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)榉聪驖L動(dòng)。此外，水箱中的水通過(guò)管道流到滾筒毛刷以便達(dá)到更好的清掃效果。當(dāng)清潔小車(chē)停止工作時(shí)，主控制器自動(dòng)切斷清潔小車(chē)大部分供電，僅保留有害氣體、溫濕度傳感器，從而達(dá)到節(jié)約用電的目的。

3.6 硬件電路

小車(chē)整體電氣PLC 接線(xiàn)圖如圖3 所示。

圖3 PLC 接線(xiàn)圖

驅(qū)動(dòng)器使用電池組24V 電源，電機(jī)控制器取用電池組48V電源。環(huán)境檢測(cè)傳感器接入FX3U-16MR 型PLC 中采集有害氣體濃度。FX3U-16MR 型PLC 的X 輸入口接入紅外光電傳感器、超聲波傳感器的信號(hào)線(xiàn)和手動(dòng)按鈕。此外，將檢測(cè)信號(hào)或者手動(dòng)控制作為后續(xù)各種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)條件。PLC 的Y 口接入直流電機(jī)、蜂鳴器。將電源負(fù)極接入FX3U-16MR 型PLC 的公共端C0 口，控制相應(yīng)Y0、Y1、Y2 口，即可使所需電路構(gòu)成回路。通過(guò)定時(shí)程序操作電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。清掃小車(chē)中的PLC 作為從機(jī)，從機(jī)需要被上位機(jī)控制，從機(jī)與上位主機(jī)的通訊由RS－485 遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)。

4 清潔自走小車(chē)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 電路控制程序

小車(chē)的運(yùn)行由電路控制程序控制，工作流程圖如圖4 所示。

圖4 小車(chē)工作流程圖

4.2 通訊協(xié)議

清潔自走小車(chē)作為從站，通過(guò)RS－485 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)通訊與監(jiān)控終端主站之間傳輸數(shù)據(jù)。通過(guò)組態(tài)程序通過(guò)RS－232 通訊位機(jī)觸摸屏連接顯示禽舍內(nèi)氣體濃度數(shù)據(jù)及清潔自走小車(chē)運(yùn)行狀態(tài)，其中PLC 主站與觸摸屏之間的通訊協(xié)議為: 傳輸速度9600bps,奇校驗(yàn)（Odd Parity）數(shù)據(jù)位7，停止位1。

5 結(jié)論

該智能清潔自走小車(chē)能夠在不同家禽養(yǎng)殖場(chǎng)中正常運(yùn)行，從而有效地提高了清掃效率，降低了人禽接觸，降低了家禽的染病率，提高了幼仔的成活率，降低了勞動(dòng)力投入，節(jié)約了養(yǎng)殖人員人工成本，從而降低養(yǎng)殖企業(yè)的養(yǎng)殖成本，減少人禽接觸，降低家禽的染病率，切實(shí)保障養(yǎng)殖人員以及養(yǎng)殖場(chǎng)的收益。