一种黑水虻养殖装置智能控制系统设计

■李慧琴 刘存祥 段留奎 许 辉 马宇航

(河南农业大学机电工程学院，河南郑州450002)

黑水虻幼虫是一种腐生性的水虻科昆虫，能将餐厨垃圾、畜禽粪便中的有益成分转化为自身营养物质, 从而降低畜禽粪便造成的环境污染[1]。黑水虻虫体富含蛋白质和其他营养物质，被认为是具有开发潜力的动物蛋白质资源之一[2]，尤其适合添加到动物饲料中[3]。以黑水虻幼虫为原料，可加工生产动物蛋白饲料、生物柴油、抗菌肽等高附加值产品[4]。黑水虻幼虫便于人工饲养，其饲养简单易管理、食物广泛、适应性强、产出率高。影响黑水虻养殖的主要因素有温度、湿度、光照条件、饲料含水量等[5]。人工养殖黑水虻时，需实时监测幼虫的生长空间的温度和湿度，保证幼虫处于最佳生长环境。同时还需定时地对餐厨垃圾进行翻转，以保证物料能够完全分解。本文提出了一种以微型电脑为控制核心的黑水虻养殖装置智能控制系统，能够实现进出料自动控制、养殖箱内的温湿度自动控制、饲料的自动均匀翻转。

1 黑水虻智能养殖装置总体结构

黑水虻的智能养殖装置由车架、箱体、进气口、下料轮、翻转器、散热器、加热器、电动推杆等组成。黑水虻具有避光性，饲料多有异味，所以整个箱体为密封结构，箱体上方设有进气口和出气口实现内部主动换气。箱盖上方下料轮的转停可以实现自动进料。电动推杆1 控制箱盖的开启；电动推杆2 带动翻料器往复移动实现饲料与黑水虻均匀翻转；电动推杆3控制箱体的整体倾斜程度以便出料；电动推杆4控制出料门的闭合。散热器和加热器实现养殖装置内部温度的控制[6]。整体结构如图1所示。

图1 黑水虻智能化养殖箱总体结构

2 黑水虻智能养殖装置智能控制系统构成

黑水虻智能养殖装置箱的智能控制系统主要由传感器模块、主控模块和动力模块三部分组成，系统控制结构如图2所示。

传感器模块是系统感知养殖箱内部信息的主要元器，准确提供养殖箱内的环境数据，为控制系统中各部件运行提供了判断依据。主控模块采用了集成度较高的Raspberry Pi微型电脑作为整个系统的控制核心[7]，集成了ARM1176JZF-S 处理器、HDMI 视频输出接口、多个GPIO 接口、WIFI 模块等。实现了对各传感器的信息的采集、处理、判断、传输等，并通过GPIO 接口对继电器模块的控制，完成了对各组件的控制。动力模块根据主控模块的信号实现系统中各装置自动化控制，包括加温湿度控制功能，进料出料功能，饲料翻转功能。装置采用电热丝加热和排气扇排气的方式来控制温湿度。控制进料轮、电动推杆3、电动推杆4实现进出料的自动控制。电动推杆2实现饲料的翻转功能。

3 黑水虻智能养殖装置控制系统的程序流程

周芬认为，温度在28 ℃，湿度保持在75%的人工环境，是饲养黑水虻的最适宜条件[8]。Tomberlin 等认为，黑水虻的最佳饲养温度为28 ℃，相对湿度为70%～75%[9]。综合考虑本控制系统的温度设定为27 ℃到29 ℃，相对湿度设定为73%～76%。控制系统包括温度子程序、湿度子程序、翻料子程序和出料子程序，流程如图3所示。

当系统的温度或湿度上升并超过阈值时，排气扇开始工作，直至温度或湿度下降至阈值以下，通过排出养殖箱内多余的水蒸气起到降温除湿的作用。同时若温度或湿度下降至阈值以下时，电热丝开始工作，通过升温蒸发养殖箱内的水分来提高养殖箱内的温度和湿度。由于黑水虻养殖密度和其具有避光性，在养殖过程中会出现黑水虻集中在某一区域，如图4所示。系统采用图像传感器实时采集箱内情况，微型电脑判断后运行翻料子程序完成黑水虻的均匀分布。当黑水虻完全分解养殖箱内的饲料后，启动出料子程序，完成整个养殖过程。

4 自动翻料子程序的实现

养殖箱内主要由饲料和黑水虻幼虫两部分组成，黑水虻幼虫呈白色而饲料呈黄褐色，两部分对比较为明显，可以通过计算白色区域在整幅图片中所占的比例（幼虫集中分布度）来判断黑水虻幼虫是否堆积[10]。

图3 系统程序流程

图4 黑水虻幼虫与周围环境颜色对比

由图4可以看出，由于反光和饲料中可能存在的白色杂质等原因，图像传感器采集来的养殖箱内的原始图像不能直接进行计算，需要将原图进行预处理，消除反光和杂质等导致的图像噪点之后，才能进行面积比例计算[11]。自动翻料子程序的流程如图5 所示。首先将原图转换为灰度图，然后利用腐蚀、膨胀等常规图像处理算法进行除噪，得到能进行计算的图像之后将提取幼虫部分轮廓，计算面积[12]，如图6所示。利用得出的轮廓部分在图像中所占的面积比例，来判断黑水虻是否堆积。如果当黑水虻的幼虫集中分布度低于60%时，控制系统发出信号，电动推杆通电将黑水虻与饲料混合均匀。

图5 自动翻料子程序的流程

幼虫的养殖时间大约3～5 d，当黑水虻幼虫将养殖箱内的饲料全部食用后，黑水虻个体已经成熟可以进行出料。自动出料子程序借用自动翻料子程序的计算结果来判断自动出料的时间，当黑水虻在图中的幼虫集中分布度大于90%时，电动推杆4工作倾斜养殖箱体完成出料。

5 结论

图6 图像处理过程

为解决黑水虻的大规模养殖问题，本文设计了黑水虻养殖装置智能控制系统，该系统实现了黑水虻养殖过程的温湿度的自主调控、自动下料、智能混合翻料、出料等过程。提高了黑水虻的养殖效率，为黑水虻的大规模养殖提供了解决办法，为黑水虻资源在饲料行业发展提供了技术支撑。