基于5G 網絡的哺乳母豬智能飼喂監控系統設計

孔祥，代雪梅，陳立濤，陳創業，聶福旭

（1.甘肅畜牧工程職業技術學院，甘肅武威，733000；2.甘肅省武威市涼州區金山鎮人民政府，甘肅武威，733000）

0 引言

哺乳母豬的飼喂是生豬生產中非常重要的一環。我國是一個養豬產業大國，但并非養豬產業強國。大部分哺乳母豬的養殖還存在自動化、信息化、智能化程度非常低，對哺乳母豬飼喂不科學、飼喂方案不精細、飼喂過程難溯源，導致我國哺乳母豬飼喂過程普遍存在養殖效率低、病死率高等問題，直接影響我國哺乳母豬的產量、質量和飼養效益。在中小規模哺乳母豬養殖場中，為哺乳母豬提供一個合理、可靠的飼喂管控方案是哺乳母豬高效生產的關鍵，直接影響整個哺乳母豬場的生產效益。隨著5G 網絡通信技術、PLC 控制技術等一批高新技術在畜牧業生產方面的應用，針對哺乳母豬的智能化、精細化養殖管理技術得到飛速發展。

針對以上問題，本文設計了一種基于5G 網絡的哺乳母豬智能飼喂系統，能夠在哺乳母豬飼喂管理過程中，實現遠程的實時監測與管理控制。

1 系統總體設計方案

根據哺乳母豬飼喂的工藝流程以及飼喂要求，系統的總體設計如圖1所示。系統由安裝了組態王6.55的PC 上位機構成控制系統的控制中心。控制中心通過5G 網絡將哺乳母豬飼喂過程中的數據傳輸到控制單元PLC。PLC 執行具體的FRID 信號采集，哺乳母豬進出門系統動作以及精準飼喂系統下料等。

圖1 系統總體設計框架圖

2 哺乳母豬精準飼喂機械結構的設計

哺乳母豬精準飼喂系統的機械結構是保證哺乳母豬能夠順利智能精準飼喂的基礎。哺乳母豬智能飼喂裝置的機械部分由進口門、進口門自動連鎖裝置，緊急安全側門、出口門以及飼料供應裝置等部件組成。設計了帶有立柱和卡槽結構的兩扇進口門組成了哺乳母豬采食時的通道。為了確保哺乳母豬進入通道時的安全，兩扇門采取交叉狀設計，且裝有彈簧，在豬拱開門后能自動關門，除此之外還在進口通道兩側裝有安全門，防止在極端異常情況出現時，能夠開啟安全門快速釋放被卡住的母豬。為了保證哺乳母豬在采食期間智能飼喂裝置是完全封閉的，每次只允許一頭哺乳母豬進行采食，系統設計進口門傳感器以便檢測進口門的工作狀態，除此之外還設計了鎖門機制，使母豬進入飼喂通道后將入口門鎖死，在哺乳母豬采食完畢后解鎖進口門，為其他哺乳母豬入采食通道做好準備。考慮到哺乳母豬場養殖場環境相對較差，哺乳母豬在采食過程中撞擊、防腐等因素，哺乳母豬機械組成部件選擇食品級不銹鋼304 材質。哺乳母豬智能飼喂系統機械結構示意圖如圖2所示。

圖2 哺乳母豬飼喂系統機構結構

3 哺乳母豬飼喂控制系統的設計

哺乳母豬智能飼喂監控系統的硬件電路主要由射頻識別電路、精準飼喂下料控制電路、稱重電路、5G 通訊電路等組成。其中精準飼喂下料控制電路是整個控制系統的核心，由PLC 控制器作為主要的控制單元。射頻識別電路完成對哺乳母豬個體的識別；稱重電路完成對哺乳母豬體重信息的采集；5G 遠程通信電路完成控制器向上位機數據的遠程傳送。控制系統的電氣硬件結構圖如圖3所示。

圖3 控制系統的電氣硬件結構圖

■3.1 精準飼喂下料控制電路硬件選型

哺乳母豬智能飼喂系統的主要功能是實現精確智能飼喂，這就需要設計送料均勻準確的下料裝置。哺乳母豬飼料大多屬于粉狀或顆粒狀物料且在投料飼喂裝置上輸送距離較短，為此系統設計采用全葉式螺旋輸送方式。全葉式輸送方式的工作原理是當螺旋軸帶動葉片轉動時飼料受到法向推力作用而沿著輸送管壁底部軸向移動[1]。裝置要求螺旋軸轉速要能夠精確控制，為此系統選用步進電機作為螺旋軸的動力裝置，由于步進電機的轉動圈數與投料量呈線性相關，從而實現系統的定量精準下料。此系統中選用的步進電機與步進電機驅動器的參數如表1所示。

表1 步進電機及其驅動器性能參數

■3.2 傳感器選型

為了能夠精確采集哺乳母豬每次采食前后的體重系統需要稱重傳感器；同時系統還需要采集哺乳母豬的體溫等基本體征數據，以便為哺乳母豬科學精準飼喂提供精細化數據支持，系統還需要設計溫度采集電路，在此系統中選擇使用溫度傳感器完成對哺乳母豬體溫的采集。稱重傳感器選擇麗景STK 稱重傳感器，該傳感器具有轉換精度高、外圍配套電路簡單、工作環境要求不高、適用電壓寬等特點。此稱重傳感器能夠滿足對哺乳母豬采食量的精確控制，其主要性能參數如表2所示。

表2 STK稱重傳感器性能參數

溫度傳感器選擇IRTSM 系列－工業級高性能紅外溫度傳感器。IRTSM 系列是DagaSensor 公司推出的工業級高性能高精度紅外溫度傳感器。該系列有多個子系列，分別在響應速度、信號輸出類型方面不同。每個子系列都有非常詳細的測量溫度范圍可選，讓客戶具有足夠多的選擇自由度。此系統中選擇IRTSM1 系列，其具體的性能參數如表3所示。

表3 IRTSM1系列溫度傳感器性能參數

■3.3 RFID 射頻識別模塊和電子耳標選型

為了實現對哺乳母豬飼喂全過程的精準識別與飼喂方案適時調整，對不同的哺乳母豬采取個性化、智能化、精細化、數字化飼喂，就必須對不同哺乳母豬進行個體身份識別[2]。

現代化的哺乳母豬養殖場均采用電子耳標和RFID 射頻識別模塊實現對哺乳母豬身份的識別與采集。RFID 射頻識別系統由閱讀器、數據管理系統和電子標簽三部分組成[3]。當帶有電子標簽（耳標）的哺乳母豬將頭伸到食槽采食時便可通過其耳標讀取哺乳母豬的個體信息，由PLC 系統針對不同的個體采取不同的飼喂方案，從而實現個性化、精準化、智能化飼喂。并且能夠根據哺乳母豬不同哺乳階段的飼喂要求而做出適時調整哺乳方案，從而實現了哺乳母豬飼喂全過程的數字化、信息化、智能化管理。系統選用的射頻識別器為TI 公司生產的RI-RFM-007B。模塊的主要性能如表4所示，非常適合對哺乳母豬個體身份的精確識別。

表4 RI-RFM-007B性能參數

■3.4 5G 通訊模塊選型

哺乳母豬智能飼喂系統要實時將上位機與下位機的飼喂數據、飼喂方案等關鍵信息能夠實時高效交換，考慮到哺乳母豬養殖場工作環境及傳輸數據等因素，選擇愛陸通公司生產的遠程通訊模塊AD7028P DTU(T/Z)。此模塊設計有全網通4G/5G 無線，模塊是基于5G/4G 等技術開發的物聯網無線數據傳輸終端。采用高性能的工業級32位通信處理器和工業級無線模塊，以嵌入式實時操作系統為軟件支撐平臺，同 時 支 持2 路RS232（或1 路RS232 和1 路RS485）接口和1 路以太網LAN/WAN，能直接與PLC的通訊口和網口設備通信，實現哺乳母豬飼喂數據的遠程傳輸。

■3.5 PLC 控制器選型

哺乳母豬智能飼喂控制系統控制器主要任務是接受并識別哺乳母豬電子耳標所產生的電子信號，采集哺乳母豬進入飼喂裝置時的位置信號，采集哺乳母豬的體重、溫度等信息并根據相關的算法控制精準下料系統進行投料，除此還需將控制器運算的數據通過遠傳模塊5G-DTU 傳送到上位機終端PC 或者手機等終端。

根據處理的數字量、模擬量信號的數量及特征，綜合考慮通訊端口選擇西門子公司生產的S7-200PLC（CPU226CN）。考慮到系統還需處理哺乳母豬的體況信息以及采食量等模擬量信號，需另行配置一塊模擬量處理模塊EM235，此模塊用于采集哺乳母豬的體重與溫度等模擬量數據。由于定量下料系統是由步進電機驅動器控制步進電機來實現精準下料的，PLC 需要給步進電機驅動器發送高速脈沖等指令才能實現精準下料，為此PLC的輸出需要晶體管型，才能與步進電機驅動器配套[4]。故綜合考慮PLC 選擇工作電源為直流，輸入電源也為直流，輸出接口為晶體管類型(DC/DC/DC)型。

■3.6 硬件電路設計

系統根據以上主要器件選型，設計了PLC的硬件接線電氣圖，如圖4所示。KA1、KA2 為哺乳母豬進門推桿電機控制繼電器，KA3、KA4 為哺乳母豬出門推桿電機控制繼電器，KA5 為噴墨電磁閥控制繼電器。設計控制電路如圖4所示。

圖4 PLC硬件接線圖

圖5 PLC控制流程圖

4 軟件設計

■4.1 PLC 程序設計

哺乳母豬智能飼喂監控系統的工作流程是：當佩戴電子耳標的哺乳母豬靠近飼喂智能飼喂裝置時，安裝在飼喂裝置上的電子耳標閱讀器自動讀取哺乳母豬個體信息并將其個體信息傳送給中央控制器，當前豬只若滿足進食條件，系統則根據事先建立的關于哺乳母豬進食量的參數和相關規則庫通過正向推理的方法進行進食量的計算，得到下料指令后螺旋式送料機將哺乳母豬飼料分配好，步進電機啟動下料，完成單次投料。

■4.2 上位機監控界面設計

組態王是我國北京亞控自動化公司研發的一款性能非常穩定的工業控制上位機開發軟件。組態王具有適應性強、開放性好、開發周期短等優點，配置了便捷、豐富的操作界面，以及大量的圖庫精靈與圖形元素，并支持各種外部擴充，可以方便地組態監控畫面顯示控制設備的運行狀態。組態王與PLC 組成上位機監控系統可以實現歷史數據管理、報表顯示、數據查詢、異常報警以及報表打印等功能。哺乳母豬智能飼喂監控系統要能夠實現用戶管理、飼喂系統基本參數設置、報警管理、數據報表統計等功能[5]。為了充分滿足哺乳母豬精準飼喂遠程監控系統工藝的生產需求，系統設計的上位機監控界面如圖6所示。

圖6 上位機監控界面設計

5 結論

本文設計的基于5G 網絡的哺乳母豬智能飼喂監控系統，采用5G-DTU 模塊實現了對哺乳母豬精準飼喂過程中的數據傳輸，利用PLC 實現了智能飼喂精準控制，系統經哺乳母豬養殖場實地測試運行，運行狀態穩定良好達到了精準飼喂的設計預期。