畜禽粪便智能清扫机器人设计研究

孙玉萍 李宗唐

（西安培华学院，陕西 西安 710125）

在新的发展时期，依靠科学技术推动农业发展，无疑是一项重要的实践命题。习近平于2013年11月提出精准扶贫思想［1］。从2013年至今，各地区政府响应习近平的号召，纷纷出台了相应的扶贫政策，而养殖业凭借投资小、精准度高以及收入稳定等优点成为脱贫攻坚的主力军。党的十九大报告中提出了乡村振兴战略，需要抓好农村人居环境建设，加强农村污染治理和生态环境保护等。

1 背景及目的

目前，国家为推动贫困区县经济的发展，鼓励在不破坏生态环境的同时大力发展畜牧业和养殖业。然而，贫困地区家庭收入的来源主要为青壮年外出务工所得，在家中留守的多是妇女、儿童和老人。这一群体普遍存在劳动力缺乏、文化水平低的问题，对养殖没有科学认识，对畜禽粪便不能进行科学处理，且环境保护意识薄弱，导致粪便污染管理不能有效开展［2］。

一些养殖户环保意识薄弱，选择在养殖场内设置下水道。对于畜禽类粪便的清理，他们选择直接用水冲洗，并引流至场外不远处的化粪池中，并经常将未处理的禽畜粪便直接作为肥料施加到农田中。由于养殖环境较差且未处理的粪便中含有大量有害物质，导致农田受污染情况严重。养殖户盲目施加肥料，用量不符合农作物的生长需要，导致肥料施加量过大，使农作物出现了贪青、疯长的情况，延长了农作物的生长周期，对农田造成了严重损害，同时大大减少了农作物收益。粪便和排泄物中的病原菌通过土壤、水源以及空气等进行传播，也会将病原体传染给人们。

由于技术落后，贫困山区养殖粗放，大都深受疫病、技术服务等因素的困扰。从根本上解决这些问题，在不影响的发展下推动经济进步，做到产业兴旺、生态宜居，需要对畜禽的粪便进行科学化集中收集处理［3］。本项目提出一种基于无线通信技术和微处理器技术的智能清扫机器人，旨在从污染源头对粪便进行处理，解决养殖过程中粪便收集清理问题。

2 整体设计方案

2.1 系统结构

本项目设计的智能清扫机器人，整体系统设计框图如图1所示。

图1 系统总体框图

清扫机器人通过无线传感模块将采集的障碍物信息（如畜禽粪便）运用无线技术进行传输，并将识别的内容解析和控制指令发送给主控制端实现机器人的转弯、停留以及前进等功能。若检测到前方出现障碍物，主控制端立刻向机器人发出停止指令，并将信号发送给清扫模块，完成清扫［4］。

本项目也可集成多种无线模块，实现清扫、物体实时跟踪以及实地信息传输等多种功能。该项目中设计采用无线信息传输模块，主要集成传感器、处理单元和通信模块节点，且各节点通过协议自组成一个分布式网络。无线信息传输模块将采集的障碍物信息经过优化后反馈给主控制器，主控制器把命令处理成对可控设备的相应操作指令，并将操作指令以电脉冲信号形式发出，而执行模块将电脉冲信号转变为角位移或线位移的形式发送给清扫模块，从而实现清扫。

2.2 系统主要功能

系统主要功能从以下3个部分来实现。第1部分由无线信息传输模块和主控制器组成，实现对障碍物信息的采集；第2部分由主控器和接口电路组成控制总平台，实现对该系统的总体控制；第3部分由主控制器、感应电机及周围电路组成清扫模块，实现对障碍物的清扫。通过以上3个部分最终实现整体系统功能，而在实现基本要求的基础上，还可集成视频遥控等功能，为养殖户提供更加方便、快捷的服务［5］。

3 项目实施

3.1 主控制器

本系统选用基于ARM的32位增强型MCU作为主控制器，基本电路由其最小系统及电源指示灯组成，工作电压2.0～3.6 V。由于电路需要的无线传感模块驱动电压为5 V，所以需添加3.3 V稳压芯片进行转换。该芯片功耗低、性能高、成本低，满足主控制系统对资源的需要。

3.2 传感模块

3.2.1 超声波传感器。采用HC-SR04超声波模块，模块性能稳定，测距精确且精度高，盲区只有2 cm，符合系统对传感器的要求。项目实施过程如图2和图3所示。

图2 无线传感器工作示意图

图3 执行模块工作示意图

整体实施过程如下：主控制器产生一个方波用来驱动无线传感器发射检测粪便的声波，声波碰到障碍物反射回无线传感器接收端；若没有检测到粪便，则输入低电平给主控制器，使得主控制器驱动无线传感器继续寻找粪便；若检测到粪便，则输入高电平给主控制器，使得主控制器驱动清扫模块进行清扫。

3.2.2 压力传感器。压力传感器可以以一定的规律将压力信号转换成系统可以识别的电信号，在生活中极为常见。本项目的压力传感器模块采用具有模数转换的高精度、低成本的HX711芯片。该清扫机器人在清扫模块备有清理箱，清理箱底部设有压力传感器。压力传感器可将清理箱所承受的质量转为电信号，经过模数转换发送给主控制器。提前预设清理箱的最大承重，传感器将清理臂每清理一次时箱内实施重量反馈给主控制器。当“清理箱最大承重-清理箱内粪便质量≤1 kg”时，传感器将信息发送给主控制器，主控制器停止检测、清理、行进并驱动蜂鸣器报警，等待下一步处理。由于该机器人实用性较强，所以在制作出初步原理样机后需要进行实地考察，根据实际情况改良原理样机的方案，最终完成制作。

3.3 执行模块

执行模块由舵机、清洁工具及指示灯组成。芯片接收到无线传感器的障碍物信息，通过调节PWM的占空比达到驱动舵机的目的。清扫工具与舵机相连，舵机转动，带动清洁工具执行清扫指令，从而实现对粪便的清理。

4 结语

近年来传感器技术发展迅速，应用广泛，作为本项目的技术核心，不仅节约了成本，而且减少了传输线路间的串扰，提高了产品性能和智能化水平，使得人们在使用过程中操作更为简单、方便。项目所提出的智能清扫机器人通过对畜禽粪便进行收集，有助于后期的循环利用，利用自动化设备代替人工水冲洗，减少了水资源的浪费，初步防治了空气污染和农田污染，为后续对粪便科学化处理提供了技术支持，实现了对养殖场环境污染的治理［6］。