基于PLC的生豬智慧養(yǎng)殖模式創(chuàng)新研究

蔡杰 楊立新 劉艷芳

摘要：生豬智慧養(yǎng)殖模式能極大地節(jié)省養(yǎng)殖環(huán)節(jié)人力成本，提高生豬養(yǎng)殖效率，實(shí)現(xiàn)豬舍“無(wú)人化”管理，是生豬養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展必然趨勢(shì)。結(jié)合湖北省生豬養(yǎng)殖模式現(xiàn)狀與需求，提出了基于PLC的生豬智慧養(yǎng)殖模式，并對(duì)該模式的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，為湖北省生豬養(yǎng)殖模式開(kāi)辟了新的途徑。

關(guān)鍵詞：生豬；智慧養(yǎng)殖；PLC；模式創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：S828 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2018）20-0138-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.20.032 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： Pig breeding mode can save manpower cost in breeding link， raise pig breeding efficiency and realize “unmanned” management of pig house， which is an inevitable trend of pig breeding industry. Based on the current situation and demand of Hubei pig breeding mode， this paper puts forward the design of pig intelligent breeding mode based on PLC， and analyzes the software and hardware design of the model in detail.

Key words： pig； intelligent breeding； PLC； model innovation

2017年中央一號(hào)文件強(qiáng)調(diào)加快“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)行動(dòng)，強(qiáng)化科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，加強(qiáng)智慧農(nóng)業(yè)科技研發(fā)和實(shí)施智慧農(nóng)業(yè)工程，推進(jìn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)示范和農(nóng)業(yè)裝備智能化[1，2]。湖北省是生豬養(yǎng)殖大省，萬(wàn)頭以上規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)近800家，居全國(guó)第一。目前，中國(guó)生豬養(yǎng)殖正在向規(guī)?；?、專業(yè)化轉(zhuǎn)變，如何從智慧養(yǎng)殖模式創(chuàng)新方面加強(qiáng)示范和引導(dǎo)，成為破解湖北省生豬產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸的主要問(wèn)題。

1 湖北省生豬養(yǎng)殖模式現(xiàn)狀

為深入了解湖北省在生豬智慧養(yǎng)殖技術(shù)與裝備應(yīng)用方面的現(xiàn)狀與需求，對(duì)湖北省10家生豬養(yǎng)殖企業(yè)調(diào)研。湖北省生豬養(yǎng)殖總體生產(chǎn)水平仍然較低，傳統(tǒng)人工養(yǎng)殖方式比例仍然較高，大部分中小規(guī)模豬場(chǎng)（年出欄1萬(wàn)頭以下）僅使用一些簡(jiǎn)單的養(yǎng)殖設(shè)備，主要工作如飼喂、清糞、環(huán)境控制等仍由人工完成。只有小部分資金充足、規(guī)模較大、信息化素養(yǎng)較高的豬場(chǎng)在部分環(huán)節(jié)使用了智能裝備和信息化管理手段[3]。此次調(diào)研企業(yè)中3家生產(chǎn)規(guī)模較大的企業(yè)智能裝備使用水平較高，使用了智能飼喂設(shè)備、環(huán)境控制設(shè)備、繁殖母豬發(fā)情懷孕檢測(cè)設(shè)備等，但其在功能設(shè)計(jì)、智能化程度等方面仍需改進(jìn)和完善（表1）。

2 生豬智慧養(yǎng)殖模式設(shè)計(jì)

針對(duì)當(dāng)前生豬養(yǎng)殖環(huán)節(jié)智慧養(yǎng)殖技術(shù)現(xiàn)狀與需求，選定了智能環(huán)境控制、自動(dòng)清糞、養(yǎng)殖過(guò)程監(jiān)控、智能飼喂4個(gè)養(yǎng)殖生產(chǎn)環(huán)節(jié)，開(kāi)展功能設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成，采用基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)，使用傳感器采集豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)，智能控制豬舍內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備、自動(dòng)清糞設(shè)備、自動(dòng)送料線等，實(shí)現(xiàn)生豬養(yǎng)殖的環(huán)境智能控制、糞便自動(dòng)清理、養(yǎng)殖視頻監(jiān)控與智能喂養(yǎng)[4-6]。同時(shí)，開(kāi)發(fā)智農(nóng)物聯(lián)云服務(wù)平臺(tái)電腦與手機(jī)版，養(yǎng)殖管理人員通過(guò)電腦或手機(jī)可遠(yuǎn)程查看豬舍內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)、視頻圖像，根據(jù)管理經(jīng)驗(yàn)設(shè)置豬舍內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)、清糞、送料線等設(shè)備控制規(guī)則，達(dá)到生豬智慧養(yǎng)殖目的，全面提升生豬養(yǎng)殖效率與管理水平。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用手動(dòng)控制與自動(dòng)控制結(jié)合的方式。系統(tǒng)手動(dòng)控制由繼電器、交流接觸器、空氣開(kāi)關(guān)等電氣元件構(gòu)成。自動(dòng)控制方式采用基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)，將豬舍智能環(huán)境控制、自動(dòng)清糞、智能飼喂3個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行集成，統(tǒng)一由智能控制器進(jìn)行控制，不同子系統(tǒng)采取不同控制規(guī)則與算法。其中環(huán)境控制系統(tǒng)采用模糊控制算法，自動(dòng)清糞、智能飼喂系統(tǒng)則采用軟件平臺(tái)設(shè)置自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)間與次數(shù)方式進(jìn)行遠(yuǎn)程智能控制（圖1）。

2.1.1 環(huán)境智能控制系統(tǒng) 系統(tǒng)包括環(huán)境傳感器、無(wú)線傳輸模塊、智能控制器等。系統(tǒng)通過(guò)環(huán)境傳感器實(shí)時(shí)在線采集豬舍內(nèi)環(huán)境信息（空氣溫濕度、光照度、二氧化碳濃度、氨氣濃度等），利用ZigBee無(wú)線通信與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，通過(guò)智能控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備（如風(fēng)機(jī)、濕簾、燈光等）的開(kāi)啟或關(guān)閉，以達(dá)到智能調(diào)節(jié)豬舍環(huán)境的目的。

智能控制器（圖2）是系統(tǒng)核心組件，該設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件結(jié)構(gòu)由可編程控制器、交流接觸器以及部分電氣設(shè)備組成。環(huán)境傳感器將環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)換為485數(shù)字信號(hào)傳送到可編程控制器，可編程控制器根據(jù)匯總到的環(huán)境數(shù)據(jù)，再根據(jù)事先設(shè)定的程序來(lái)開(kāi)啟或關(guān)閉繼電器?？删幊炭刂破髟O(shè)有顯示功能，可根據(jù)預(yù)先設(shè)置的參數(shù)決定要采取的措施，并將信息傳給下位機(jī)，由下位機(jī)控制執(zhí)行裝置?？刂破髟O(shè)有自動(dòng)、手動(dòng)兩種模式，可通過(guò)電控箱外部旋鈕實(shí)現(xiàn)模式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

在傳感器選擇上，充分考慮到豬舍內(nèi)部環(huán)境情況，特別是夏天豬舍內(nèi)部屬于高溫高濕環(huán)境，且舍內(nèi)含有腐蝕性氣體氨氣、二氧化碳、硫化氫等，因此選擇帶外殼的防水防塵耐腐蝕等級(jí)較高的傳感器。在空氣溫濕度傳感器選擇上，溫度量程應(yīng)該最少在-20～50 ℃之間，精度最低在0.5 ℃。二氧化碳傳感器選擇上，選擇量程最少為0～5 000 mg/L，測(cè)量精度在5%以內(nèi)。氨氣傳感器選擇上，選擇量程最少為0～100 mg/L，測(cè)量精度在5%以內(nèi)。傳感器輸出信號(hào)采用RS485數(shù)字信號(hào)輸出，支持標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議，可直接將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)采集模塊。

2.1.2 自動(dòng)清糞系統(tǒng) 自動(dòng)清糞系統(tǒng)由電機(jī)、可翻轉(zhuǎn)式刮糞板、導(dǎo)尿管、電控箱、轉(zhuǎn)角輪等部件組成，刮糞板通過(guò)電機(jī)開(kāi)啟正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或關(guān)閉，電機(jī)則通過(guò)繼電器、交流接觸器與智能控制器連接，由智能控制器按一定控制規(guī)則控制。管理者可根據(jù)管理經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)設(shè)置每天電機(jī)開(kāi)啟時(shí)間、次數(shù)來(lái)控制刮糞板自動(dòng)清糞。自動(dòng)清糞組件可采用目前市場(chǎng)上較為成熟的固液分離型自動(dòng)清糞機(jī)，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用雙繩輪單驅(qū)動(dòng)的形式，通過(guò)牽引繩帶動(dòng)兩個(gè)刮糞板形成一個(gè)閉合環(huán)路，刮糞板工作時(shí)將豬糞從糞道清理到儲(chǔ)糞池中。刮板裝置主要利用磨擦力自動(dòng)落下抬起，工作時(shí)刮板自動(dòng)落下，返回時(shí)刮板自動(dòng)抬起。自動(dòng)清糞系統(tǒng)可以降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，衛(wèi)生清潔程度高，可進(jìn)一步提高豬場(chǎng)的生產(chǎn)效率。

2.1.3 自動(dòng)飼喂系統(tǒng) 自動(dòng)飼喂系統(tǒng)包括自動(dòng)送料線與飼喂器。自動(dòng)送料線由料塔、不銹鋼絞龍、電機(jī)、控制箱、送料管、下料口等部分組成。自動(dòng)送料組件可采用目前市場(chǎng)上較為成熟的產(chǎn)品，當(dāng)電機(jī)開(kāi)啟，顆粒狀飼料在絞龍的轉(zhuǎn)動(dòng)下，通過(guò)絞龍的推力和自身重力向前運(yùn)動(dòng)，通過(guò)送料管和下料口被逐個(gè)輸送到干濕料槽內(nèi)。電機(jī)由智能控制器通過(guò)管理者設(shè)定的控制規(guī)則進(jìn)行控制開(kāi)啟或關(guān)閉，其也可以根據(jù)送料情況自行關(guān)閉，由限位器自動(dòng)檢測(cè)豬舍尾端料槽中的料位，當(dāng)尾端料槽中料滿，限位器檢測(cè)到料滿狀態(tài)，輸料電機(jī)自動(dòng)停止輸料。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)——智農(nóng)物聯(lián)云服務(wù)平臺(tái)

系統(tǒng)采用純 B/S（瀏覽器和服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，根據(jù)服務(wù)器類型（Windows/Linux等）采用Jdk1.8.x版本開(kāi)發(fā)環(huán)境和Java開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行信息管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)是信息系統(tǒng)的核心，主要用來(lái)保存產(chǎn)品屬性、流程數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用PostgreSQL9.5.x數(shù)據(jù)庫(kù)。該平臺(tái)分為預(yù)警中心、控制中心、數(shù)據(jù)分析、視頻監(jiān)控四大模塊。

2.2.1 預(yù)警中心 通過(guò)環(huán)境傳感器對(duì)養(yǎng)殖舍內(nèi)環(huán)境（包括二氧化碳、氨氣、溫度、濕度、光照度等）信號(hào)的自動(dòng)檢測(cè)、傳輸和接收。通過(guò)手機(jī)、電腦等終端可實(shí)時(shí)查看豬舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)。提供上限值、下限值參考。設(shè)置功能；具備智能分析、告警功能；提供與其他養(yǎng)殖控制系統(tǒng)的管理接口。

2.2.2 控制中心 對(duì)養(yǎng)殖舍內(nèi)環(huán)境（包括光照度、溫度、濕度等）的集中、遠(yuǎn)程、聯(lián)動(dòng)控制。實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖舍內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備的手動(dòng)、自動(dòng)控制模式自由轉(zhuǎn)換。其中環(huán)境控制器根據(jù)設(shè)定環(huán)境閾值，利用模糊控制算法，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)及自我優(yōu)化形成控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖舍環(huán)境的智能控制與調(diào)節(jié)。自動(dòng)清糞系統(tǒng)和飼喂系統(tǒng)則采用平臺(tái)設(shè)置定時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)間、次數(shù)，根據(jù)管理者管理經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)清糞機(jī)、自動(dòng)送料線驅(qū)動(dòng)電機(jī)的智能控制，平臺(tái)也可以通過(guò)發(fā)送開(kāi)關(guān)量的方式直接開(kāi)啟或關(guān)閉。

2.2.3 數(shù)據(jù)分析 傳感器數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)，方便隨時(shí)調(diào)取查看場(chǎng)景數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖舍各類信息的存儲(chǔ)、分析和管理，傳感歷史數(shù)據(jù)（時(shí)、天、周、月）查看。K線圖和柱狀圖相結(jié)合，清晰分析基地情況，同時(shí)為控制設(shè)備調(diào)節(jié)提供數(shù)據(jù)參考。

2.2.4 視頻監(jiān)控 實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻查看，攝像頭控制。實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖過(guò)程的各種監(jiān)控功能（圖3），如圖像監(jiān)看、云鏡控制、錄像存儲(chǔ)、智能檢索、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?。管理層可按不同?quán)限級(jí)別觀看所監(jiān)看的圖像，可以隨時(shí)隨地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到養(yǎng)殖場(chǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

3 應(yīng)用瓶頸與對(duì)策

湖北省生豬養(yǎng)殖多以小規(guī)模生產(chǎn)為主，由于對(duì)物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)識(shí)的不足，導(dǎo)致多數(shù)中小企業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用不夠重視，加之物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在養(yǎng)殖場(chǎng)地的前期投入較大，很大程度上阻礙了其廣泛應(yīng)用的腳步。因此，改革生豬養(yǎng)殖小規(guī)模生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)現(xiàn)狀，尤其是在經(jīng)歷了2014—2015年生豬價(jià)格低潮，部分粗放式養(yǎng)殖企業(yè)被淘汰的沉痛教訓(xùn)之后，生豬養(yǎng)殖業(yè)應(yīng)理性的通過(guò)政府項(xiàng)目投入扶持，結(jié)合市場(chǎng)規(guī)律，適當(dāng)引導(dǎo)擴(kuò)大養(yǎng)殖規(guī)模，集中連片生產(chǎn)，從而提高自動(dòng)化、機(jī)械化和新技術(shù)的應(yīng)用水平，同時(shí)也為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備的實(shí)施和應(yīng)用提供合適的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、管理和經(jīng)濟(jì)效益的共贏局面。

4 應(yīng)用前景

傳統(tǒng)集約化養(yǎng)豬生產(chǎn)過(guò)程中大量使用人工存在諸多問(wèn)題。一是工人自身素質(zhì)的差異而難以保持生產(chǎn)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化操作；二是人員變動(dòng)或工作過(guò)程中頻繁出入豬舍會(huì)導(dǎo)致管理和疫病控制難度加大；三是隨著中國(guó)勞動(dòng)力資源的日益緊缺，勞動(dòng)力成本逐年提高。本研究通過(guò)生豬智慧養(yǎng)殖模式設(shè)計(jì)，旨在打破當(dāng)前以人工為主，設(shè)備為輔的生豬養(yǎng)殖主流業(yè)務(wù)模式，探索解放設(shè)備、機(jī)械生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)設(shè)備、機(jī)械在準(zhǔn)確信息和養(yǎng)殖模型指導(dǎo)下，擺脫人為約束，真正實(shí)現(xiàn)生豬健康養(yǎng)殖的智能化、無(wú)人化、精準(zhǔn)化管理，同時(shí)為今后養(yǎng)殖企業(yè)采取智能化生產(chǎn)提供模式借鑒。

中國(guó)生豬產(chǎn)業(yè)發(fā)展目前正朝高效、生態(tài)、環(huán)保方向發(fā)展，智慧養(yǎng)殖技術(shù)應(yīng)用能幫助規(guī)?；B(yǎng)殖企業(yè)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，提升生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。特別是在經(jīng)歷了價(jià)格低潮和無(wú)情淘汰之后，生豬養(yǎng)殖企業(yè)將會(huì)越來(lái)越重視如何通過(guò)信息化手段來(lái)提高養(yǎng)殖管理效率。同時(shí)，中國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力大量轉(zhuǎn)移，適度規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)和養(yǎng)豬設(shè)備必將有較快的發(fā)展，智慧養(yǎng)殖技術(shù)與裝備今后的需求量必將隨市場(chǎng)需求而增大。因此，順應(yīng)中國(guó)發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”大潮，開(kāi)展生豬智慧養(yǎng)殖模式創(chuàng)新，具備良好的發(fā)展前景。

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