猪舍自动清粪控制系统设计与实现*

胡振楠， 孙红敏， 李晓明， 戴百生，2， 高 悦， 王钰涵, 董 元

（1.东北农业大学电气与信息学院，黑龙江哈尔滨150030；2.农业农村部生猪养殖设施工程重点实验室，黑龙江哈尔滨150030）

0 引言

随着猪场现代化建设进程的日渐推进， 猪场中对生猪养殖的管理方式向智能化集约化方向发展[1]。 近年来，猪舍物联网控制系统同样随之完善，如猪舍环控系统、自动喂食系统、自动供水系统，但猪舍自动清粪系统常常被忽略，依然沿用传统定时清理方式，生猪养殖过程中，猪的粪污清理是猪舍管理中重要的一环， 粪污在舍内的长时间积累会释放大量有害气体[2]，严重影响空气质量进而影响生猪健康及猪肉品质。 传统粪污清理采用定时清粪，由于清粪设备负载重量较大，往往一天清理一次，虽然节约人力， 但忽略粪污在舍内积累而造成空气质量下降的问题。 根据舍内环境变化对舍内进行粪污清理是清粪系统必须考虑的因素之一[3-4]，在粪污清理过程中，清粪设备可能受到损坏、卡顿、过载，进而造成粪污在舍内残留，相关文献表明， 新鲜粪便的表面积增加会加速释放NH3、CO2、H2S 等有害气体[5]，严重影响舍内空气质量，因此动态了解清粪设备运行状态能有效避免因设备损坏带来的舍内空气环境下降问题。 针对上述问题，本文设计出一种猪舍自动清粪控制系统， 基于云服务器根据猪舍内实时环境自动清理。

1 系统设计

1.1 需求设计

随着物联网发展，农业物联网随之兴起，以往只能由工人现场操作的工作逐渐由物联网所替代， 通过云服务器， 管理者只需在终端管理系统或者APP 上就能进行操作，省时省力高效准确的完成既定工作。 基于猪舍传统的定时清理系统， 本文基于物联网技术提出自动清粪控制系统，系统包括环境监测设备、室外温度检测设备、刮粪板运行监测设备、刮粪板与卷帘门，以及控制整体运行的控制箱，一个电脑端猪舍管理系统，一个APP。自动清粪系统整体架构如图1 所示。

图1 自动清粪系统整体架构

1.2 舍内外环境采集设备

不同地区猪舍内外环境有所不同， 及时了解猪舍内外环境变化对改善猪的生长环境至关重要。 温度是影响猪健康生长的重要条件之一[6]，过凉过热都会对生猪造成影响。 在本文设计的系统中，在粪沟外侧带有自动开关的卷帘门，清粪时卷帘门自动升起，完毕后自动关闭，同时设有常开功能，用于加强通风维持舍内的空气质量，清理粪便过程中进行通风换气需考虑温度环境的限制，夏季猪舍结合自然通风，舍内保持良好通风环境，冬季猪舍需要维持舍内温度，尽量减少热量流失带来的温度变化，猪舍内外温度数据采集设备对环境进行检测，为调节猪舍环境控制方式提供有效支持。

1.3 刮粪板运行监测设备硬件设计

刮粪板状态监测设备在刮粪板开始运行时采集刮粪板运行速度、运行的距离、刮粪板的姿态角（横滚角、俯仰角、偏航角）、角加速度，同时将数据上传至云端，并在刮粪板停止运行时结束发送。 该装置设计安装在刮粪板上，实现对刮粪板运行姿态的检测，并回传角度数据至数据处理及警报设备，通过故障分类器可确定故障类型和等级并决定是否报警，具体如图2 所示。

图2 硬件设计

主从设备的主要部件分别是主控芯片、 通信模块和运动状态检测模块。 主控芯片STM32F103，用于进行决策控制；数据收发模块为NEF24L01，由NORDIC 生产的工作在2.4 GHz～2.5 GHz 的ISM 频段的单片无线收发器芯片；运动状态检测模块为MPU6050，用于检测刮粪板在运行过程中产生的倾角，速度参数[7-8]。 同时该装置配有报警装置和显示屏幕。

1.4 猪舍刮粪板与自动保温隔热门

针对北方寒地气候特点，为防止清粪时猪舍内热量流失，课题组已设计完成一种与刮粪板运行关联的自动保温隔热门。猪舍刮粪板为常见机械式干湿分离刮粪板[9]，具体尺寸因猪场粪沟尺寸而定，为保证猪舍在严寒环境以较小的热量损失将粪污自动清理至舍外， 在猪舍排粪出口安装自动保温隔热门，刮粪板运行时，该门自动打开，直至清理完毕，该门自动回落，整个清粪过程舍内外热量交换较少，对舍内温度影响较小，同时在舍外环境适宜时，可常开自动保温隔热门，加强舍内外通风换气，实现冬季保温、夏季换气的双重功能，刮粪板与保温隔热门的运作示意图如图3 所示。

图3 自动保温隔热门设计结构图

1.5 猪舍环境数据服务器和移动端APP

本文自动控制系统的主机端配套开发一套控制管理系统， 通过布置在猪舍内的数据采集模块以及控制单元可以将舍内外环境参数和刮粪板的运动状态信息、 自动保温隔热门的开关情况、 清粪模式等直接显示在系统后台，对特殊天气情况，刮粪板故障、保温隔热门故障进行实时反馈和警报， 整个猪场按照注猪舍类型分类编号在管理系统中监控管理。

本系统涉及与后台系统相匹配的移动端APP， 猪场内外工作人员可随时查看猪舍内状况， 可远程发送指令控制舍内清粪设备开始工作， 工作过程中的意外状况手机端可实时掌握。

1.6 云服务器部署神经网络模型

为开发本系统，课题组于2019 年3—5 月在黑龙江畜牧科技园区的母猪舍安装传感器等设备，实时采集包括温湿度、二氧化碳、氨气、硫化氢等环境参数。目前，采集的数据已经上传到云端，同时记录每天的清粪时间。 下一步将通过对数据的分析，建立清粪次数、清粪时间和环境质量的关系模型， 实现由舍内空气质量控制清粪设备的运行。其中，室外温度检测设备，用于检测室外温度，并将数据发送至控制箱。 环境监测设备用于实时采集猪舍环境信息，每10min 采集一次，包括按其浓度、二氧化碳浓度、硫化氢浓度、粉尘等级、温湿度、光照、气压，并将数据发送至云端（已有设备）。通过对数据进行分析，建立清粪次数、清粪时间和环境参数关系模型，实现由舍内空气质量驱动清粪设备运行，模型的整体训练结果如图4 所示。

图4 模型拟合效果图

2 系统实现

2.1 硬件实现

通过硬件设计完成了对主控单元和刮粪板运行状态监测装置的实现。 主控板系统架构为ARM+4G LET Modem，实现与系统中心交互数据，根据系统中心的设置启动或者停止刮板工作；采集刮板的姿态数据，数据上报系统中心后可以根据刮板姿态数据判断刮板工作状态。判断刮板是否变形等状态；控制保温门板开启关闭状态，门板可以配置成常开状态或者刮板运行到相应位置后打开/关闭模式；采集系统电气元件状态，远程监控系统的状态；姿态检测采集器系统架构为ARM+IOT/无线数传网络+锂电池供电，采用低功耗设计，电池供电设计工作寿命＞1 年；实现采集三轴角度传感器数据； 低功耗发送采集的角度数据；定时发送电池电量数据，方便决策充电计划。具体如图5 所示（左为主控单元，右为刮板姿态采集器）

图5 硬件实现图

2.2 猪舍环境数据服务器与手机端APP 实现

通过在猪舍内外安装环境参数传感器， 实时将数据上传至环境数据服务器， 利用在云端部署环境数据与清粪时间频次的关系模型， 实时将模型结果反馈给控制单元，进而控制猪舍动态清粪和保温隔热门的开关。 环境数据服务器后台数据如图6 所示。

基于功能设计实现的清粪控制系统APP， 其系统采用mvp 架构，实现功能包括：实时接收并显示由控制箱发送至云端的数据，如室外温度检测设备、当天刮粪时间及次数、当前运行模式（独立、联合）、卷帘门的状态（开、关）、是否处于清粪状态（是、 否）、 涉及传感器是否存在故障（是、否）等；实时接收并显示环境采集设备上传的数据；实时接收刮粪板监测设备的部分数据， 包括速度及运行距离，如果接收到速度为0，则判断为故障；如果接收到故障信息，则通过APP 向用户发出警报信息；设有设备模块、环境模块、清理模块和历史记录模块等功能。 具体如图7所示。

图6 环境数据服务器展示

图7 APP 功能展示图

3 结论

本文通过对猪舍清粪过程的分析， 开发设计一套猪舍自动清粪控制系统，打破传统定时清粪模型，实现粪污的动态清理，减少粪污在舍内留存的时间，在一定程度上降低有害气体释放总量，从而改善猪舍内环境质量，对生猪生存生长环境做出了极大改善， 同时实现对猪舍清理装置的状态监测，降低人力成本，解决了猪舍清粪控制环节面临的难题。