规模化养殖场的羊只智能称重分栏系统设计

孙建英 宣传忠 于文波 郝 敏 朱晓波

(内蒙古农业大学 机电工程学院/内蒙古自治区草业与养殖业智能装备工程技术研究中心，呼和浩特 010018)

北方地区是我国重要的畜牧业生产基地，养羊业在经济发展中有着举足轻重的作用，成为畜牧业的重要组成部分[1]。但是长期以来靠天养畜和粗放经营形成的养羊旧体系已经不能适应当前经济的发展，且国人的食品消费结构正在快速变化中，对肉食特别是羊肉的消费需求正在快速增长，使得肉羊生产模式从传统放牧型向集中舍饲型转变，并不断向集约化、规模化和标准化方向发展[2-3]。传统的人工管理方式已经无法适应肉羊产业快速发展的需求，养殖规模不断扩大，养殖场需要测定和分析的数据越来越多，设计开发智能化的养羊装备，利用先进的智能化实现羊场现代化管理，是当前规模化养羊业的发展趋势[4]。

规模化舍饲养殖可以提高养羊业的生产效率，不但要求养殖户掌握科学的养殖技术，而且对羊只要进行精细化管理[5-6]。实现羊只快速称重和分群是大型养殖场的智能化养殖基础，如在羊只的不同生产阶段快速测量羊只体重，可确定羊只的料肉比用以羊只育种管理，肉羊的体重数据也可用于判断羊只是出栏还是继续育肥，以提高舍饲养羊经济效益。另外，通过定期测量羊只体重便于检查全群的发育情况，注意个体发育情况，随时进行调整；在羊销售交易时也需对其进行称重，所以准确快速测量羊只重量是规模化养羊场的重复性必要工作[7]。但目前的方法多数通过人工完成，效率比较低，同时由于人为干预太多，羊只会产生应激反应，不利于羊只的健康和正常生长[8-9]。智能称重分栏系统是对猪饲养生长特征进行实时监测的先进设备，是运用计算机信息技术把嵌入式单片机、无线射频识别、压力数模转换、自动称重、自动记录、汇总和分析等组合成的机电一体化系统，可对每头猪做到精准管理，提高育肥效率[10]。该系统已应用于规模化养猪场，现有的称重分栏系统若用于养羊场，由于未考虑到羊只胆小和体型结构的特点，存在着开关门速度慢且称重栏无法彻底固定羊只的状况。针对以上问题，本研究设计了一套低成本智能化羊只称重分栏控制系统，以可编程控制器(Programmable logic controller， PLC)为核心控制器，利用无线射频识别器读取羊只耳标信息，光电传感器对羊只行走位置进行实时检测，气缸驱动实现分栏门的快速开启和关闭，触摸屏作为人机交互界面。该系统可应用于大型养羊场，不仅节省劳动力，还可提高羊只称重和分栏效率。

1 系统整体结构设计

1.1 机电结构设计

羊只智能称重分栏系统整体结构如图1所示，依据一般成年羊只的身体尺寸，该系统的长宽高设计为(2 700×770×1 035) mm，重量约为180 kg，主要由机械部分和电气部分组成，机械部分由入口门、阻隔门、分栏门和称重栏四部分组成，通过模块化设计可方便的组装和维护，称重栏的长度为1 180 mm，设计成上宽下窄的形式，其上部和下部的宽度分别为430和180 mm；电气部分由PLC控制系统、气力驱动系统、称重传感器、光电传感器、耳标阅读器和触摸屏等组成。

1.功能按钮；2.内置控制系统；3.触摸屏；4.阻隔门；5.红外光电传感器；6.称重栏；7.气缸；8.入口门；9.分栏门；10.耳标阅读器 1.Function button； 2.Built-in control system； 3.Touch screen； 4.Barrier door； 5.Infrared photoelectric sensor； 6.Weighing frame； 7.Cylinder； 8.Entrance door； 9.Fence gate； 10.Ear tag reader 功能按钮共有5个，阻隔门和入口门上分别有2个气缸，红外光电传感器2个，称重栏的底部有4个称重传感器，左右侧各有1个分栏门，可实现左中右三分栏。 There are 5 function buttons, 2 cylinders on the barrier door and the entrance door respectively, 2 infrared photoelectric sensors, 4 load sensors on the bottom of the weighing frame, and 2 fence gate on the left and right sides to form 3 outlet gates.图1 羊只智能称重分栏系统结构图Fig.1 Structure diagram of intelligent sheep weighing and grouping system

1.2 系统工作过程

羊只智能称重分栏系统主要应用规模化养殖场，一般放置在养殖场内的空旷地方，在系统的入口门处(图1 结构8)连接有百米长供羊只行走的弯曲通道，以便大量的羊只进入通道；系统出口的左右侧2个分栏门(图1 结构9)可各连接一个羊只行走通道，正中间的出口也可以连接一个羊只通道，故2个分栏门可实现三分栏，该三个通道可连接三个不同的羊圈，以实现羊只不同体重的分群。羊群由入口的弯曲通道引导进入到该系统，当羊只智能称重分栏系统工作时，入口门处于开启状态，称重栏上在入口门侧和阻隔门侧分别安装有位置可调的光电传感器(图1 结构5)。当羊只进入称重栏(图1 结构6)时，处于入口门侧光电传感器感知羊的到来，发出信号至PLC，PLC通过电磁阀控制气缸(图1 结构7)驱动阻隔门(图1 结构4)关闭，耳标阅读器(图1 结构10)读取羊只身份编号的数据，当羊只行走至靠近阻隔门时，阻隔门侧的光电传感器感知羊行走到此位置，系统关闭入口门。此时入口门和阻隔门均处于关闭状态，羊只在称重栏内，由于称重栏内是上宽下窄的设计，底部很窄就限制了羊只的运动，称重栏底部安装有四只高精度的称重传感器，当称重系统监测到羊只重量稳定时，触摸屏(图1 结构3)显示并记录下羊只的耳标身份和体重数据，开启阻隔门并根据羊只体重打开相应的分栏门。在系统的左右侧各有一个分栏门，当两个分栏门均处于关闭状态，羊只可以从中间出，故可实现羊只从左侧出、右侧出和中间出的三分栏功能。当羊只离开称重栏，阻隔门侧的光电传感器感知羊只离开称重系统，此时打开入口门，开始下一只羊的称重分栏，系统将会重复上述动作。

2 智能称重分栏系统设计

2.1 电气控制系统的设计

可编程控制器PLC由于可靠性高、抗干扰能力强和维护方便等特点，广泛用于畜牧养殖业的智能化设备中[11-12]。该项目的电气控制系统核心为西门子S7-200 SMART CPU SR20型号的PLC控制器，它的输入路数为12，输出路数为8，自带1个RS485/232接口。羊只智能称重分栏系统的电气线路连接如图2所示，PLC控制器的输入端连接有5个功能按钮，分别实现手动/自动切换、开关入口门、开关阻隔门、开关左侧分栏门和开关右侧分栏门。2个检测距离为10～50 cm可调的NPN型常开红外光电传感器与PLC输入端连接，用于监测称重栏内羊只行走所处位置，PLC控制器的输出端与4个24 V供电的二位五通的电磁阀相连，该电磁阀工作频率为开关3次/s，可控制气缸实现门的快速开启和关闭。由于系统需要2个RS485/232接口，对该PLC控制器安装了扩展模块CM01 RS485/232信号板。4个称重传感器连接到分辨率为24位的模数转换器，将羊只重量数据转换成数字量后接入到PLC自带的RS485端，作为监控和显示装置的7寸昆仑通态触摸屏也与PLC的此RS485总线端相连，可实时显示整个系统的运行状态；超高频的射频识别(Radio frequency identification，简称RFID)电子耳标阅读器连接到数据采集卡，RFID阅读器的工作频率为925 MHz、输出天线功率为20 dBm、最大识别距离为40 cm且读取时间<6 ms，可将佩戴在羊只耳朵的RFID电子标签数据传送到PLC扩展的RS232端口，实现羊只身份数据的采集。

图2 PLC控制系统的电气接线图Fig.2 Electrical schematic diagram of the PLC control system

羊只智能称重分栏系统的控制可分为手动模式和自动模式，在手动模式下，通过功能按钮控制各门的开启和关闭。在自动模式情况下，系统开始工作前，用户可利用触摸屏预先设定羊只分栏的重量参数，通过称重栏入口门的红外光电传感器检测羊只是否进入称重栏，光电传感器在称重栏上所处的位置可以进行调节，以适应不同大小的羊只。当入口门和阻隔门均关闭时，称重传感器组采集羊只重量数据，PLC控制器对获得的羊只重量数据与预设参数进行比对，将控制信号传输给相应分栏的电磁阀，控制相应分栏门的开关，使该羊只通过对应的分栏门。

2.2 称重模块设计

称重模块由称重传感器与重量变送器组成，将测量的模拟数据转换为数字量，并将数据发送给PLC控制器进行处理。本系统采用电阻应变式称重传感器，电阻应变式传感器以电阻应变计为转换元件，不但精度高和测量范围广，且能在恶劣条件下工作，常用于畜牧机械的动态称重系统中[13]。由于在称重过程中羊只进入称重栏存在较大的冲击载荷，需要根据最大不平衡负载或动态负载来确定称重传感器的额定参数，传感器数量的选择一般与秤体的支撑点数相一致，单个称重传感器的额定参数λ为[14]：

(1)

式中：k0为保险系数，通常为1.2～1.3；k1为冲击系数；k2为风压系数；k3为秤体的重心偏移系数；wmax为被称物体重量的最大值；w为秤体自身重量；N为秤体采用支撑点的个数。称量栏自重为50 kg，称重的羊只重量最大一般不会超过100 kg，采用4个称重传感器，根据工程经验，选用一般的保险系数k0=1.2，冲击系数k1=1.05，环境风压系数k2=1.03，称重栏的重心偏移系数k3=1.02，将上述各参数代入公式(1)得到单个称重传感器的量程是：

称重传感器的工作范围一般在30%～70%，选用单个传感器的最大量程为100 kg，单个称重传感器的参数如表1所示，表中F.S(Full Scale)表示满量程。4个称重传感器的最大量程为400 kg，能够满足羊只对称重栏的负荷冲击要求。

表1 称重传感器性能参数Table 1 Performance parameters of weighing sensor

4个称重传感器将4路毫伏级的电信号，送至模数转换器，模数转换器对此4路的模拟信号相加后转换为数字信号，通过RS485总线协议送至PLC控制器，在PLC控制器内建立数字量与重量之间的分段线性关系，称重模块的校准是通过标准砝码进行的。

2.3 称重数据的处理

当羊只进入称重栏内，羊只智能称重分栏系统的入口门和阻隔门将限制羊只行动，羊不会有行走状态，但羊会在原地产生踩踏等动作，对称重栏产生冲击力，导致称重过程中载荷发生变化。因此，在分析羊只体重数据时，需要考虑到踩踏等动作对数据带来的误差影响，消除羊在称重过程中的动态干扰[15-16]。

羊只从进入称重栏开始，到走出称重栏出口时，称重模块产生的信号会经历3个阶段，如图3所示。其中T1-T2时间段是羊只开始直至完全进入称重栏的过程，T2-T3时间段为入口门和阻隔门均关闭，羊只完全停留在称重栏过程，T3-T4时间段为羊只走出直至完成离开称重栏过程，在T2时刻，阻隔门侧光电传感器监测到羊只完全进入称重栏，入口门和阻隔门均关闭；T3时刻表示称重过程已成功完成，阻隔门和相应的分栏门均打开。因此，在T2-T3时段的称重信号可用于羊只体重的测量，需要在这段曲线内寻找波动值<1%且>2 s的时间段T21-T22，此时羊只处于相对静止状态，可有效消除羊只的摆头、踢脚等动作对称重信号的影响，对该时间段的称重信号进行中值加权平均处理，可得到准确的羊只重量值[17-18]，当系统成功获取羊只重量数据后，系统将自动进入T3时刻。

图3 羊只称重时的重量信号变化波形图Fig.3 Waveform of sheep weight signal when weighing

2.4 触摸屏程序设计

羊只智能称重分栏系统的软件由PLC控制程序和触摸屏组态程序组成，PLC将称重数据、光电传感器数据、耳标数据及按钮开关数据实时传送给触摸屏，触摸屏上的人机交互的软件程序界面如图4 所示。系统运行过程中，触摸屏会显示测量的羊只重量、羊只身份信息及羊只进入的分栏，通过指示灯监视系统的运行状况，以便工作人员查看。并将测量体重、耳标身份、时间信息保存到数据库中。

图4 触摸屏上的软件程序界面Fig.4 Software program interface on touch screen

3 现场试验和数据分析

为了验证所研制的羊只智能称重分栏系统的实际效果，于2019年4月在内蒙古四子王旗的某杜泊肉羊养殖基地中进行试验，现场试验如图5所示。

在该养殖场选取15只不同大小的杜泊羊，并为这些杜泊羊佩戴无线电子耳标，提前用高精度电子秤称量羊只的重量，作为羊只的实际重量。在系统的操作界面中设定羊只分栏参数分别为30和50 kg，若测得的羊只重量<30 kg，系统将打开左侧分栏门、关闭右侧分栏门，羊只从左侧分栏门出，设定为状态A；在30和50 kg之间时，系统则打开右侧分栏门、关闭左侧分栏门，羊只从右侧分栏门出，设定为状态B；若>50 kg时，羊只从中间分栏口出，此时左右侧分栏门均关闭，设定为状态C。在自动模式下，将养殖场的15只羊依次通过羊只智能称重分栏系统，并将测得的羊只重量与实际重量进行对比(表2)。

图5 羊只智能称重分栏试验现场Fig.5 Field test scene of sheep intelligent weighing and grouping

表2 羊只称重分栏的数据Table 2 Data of sheep weighing and grouping

通过现场试验结果数据分析可知，15个样本数据的统计学P值为0.41(P>0.05)，表明了羊只实际重量数据与测量重量数据的差异不显著，但存在一定的误差，其相对误差范围一般<1.2%，其平均相对误差值为0.71%，达到了现有已开发成型的猪只自动称重装置精度[10]，相对误差较大的样本大多是由羊只头部冲击称重栏造成的；15只羊在完全熟悉该系统后，不再出现羊只不敢进入系统甚至后退的情况，此时所有羊完成称重的平均时间<5 min，可得到该系统的称重效率为3只/min。设计的气动驱动能够快速开关系统的各门，防止了羊的误撞和羊被夹，且羊只在完成称量之后，能够依据分栏参数进入相应的分栏门。系统能通过无线电子耳标准确识别羊只身份信息，触摸屏能够监视整个控制系统的运行过程，并对羊只称重的时间、重量和耳标信息进行实时保存，系统运行的稳定性和准确性可满足大型养殖场的实际要求。

4 结 论

规模化设施养殖是目前养羊业的发展趋势，为提高大型养殖场的生产效率和对羊只进行精细化管理，研究和设计了一套机电相结合的羊只智能称重分栏系统。该系统以PLC控制器为核心，以气动为驱动力实现分栏门的快速开启和关闭，控制系统的硬件电路和人机交互软件，可实现羊只电子耳标身份和体重数据的实时显示和保存、系统工作状态实时监视和工作模式切换等功能。通过养殖现场试验验证，所设计的系统运行安全可靠且称重精度高，可在规模化养羊场进行应用示范，进一步改进和完善系统的功能。