基于機(jī)器人的豬舍空氣質(zhì)量智能監(jiān)控系統(tǒng)

劉艷昌，吳紀(jì)紅，徐加樂，李金鴿，蔡 磊，李國厚

(河南科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

隨著規(guī)?；B(yǎng)豬企業(yè)的快速發(fā)展，飼養(yǎng)的密度不斷增大，豬舍空氣污染已經(jīng)成為制約養(yǎng)豬企業(yè)健康發(fā)展面臨的新的突出問題[1-2]。豬舍空氣質(zhì)量的巡檢和調(diào)控技術(shù)已成生豬健康養(yǎng)殖的關(guān)鍵技術(shù)之一，它的好壞直接影響著豬的生存狀態(tài)、生長過程與生產(chǎn)性能，進(jìn)而影響豬場內(nèi)工作人員的身體健康、豬肉品質(zhì)以及整個(gè)養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)豬場排放的廢棄物也會(huì)對周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生污染[3-7]?，F(xiàn)有豬舍空氣質(zhì)量檢測多采用有線或無線方式，僅能對豬舍固定位置點(diǎn)進(jìn)行檢測，而不能對養(yǎng)殖場內(nèi)同一豬舍中不同高度、不同深度和不同長度的空氣環(huán)境進(jìn)行三維立體式采樣，也就不能準(zhǔn)確檢測出同一豬舍中所處不同位置的空氣污染程度，造成豬舍環(huán)境質(zhì)量調(diào)控、參數(shù)預(yù)警和疾病預(yù)防不及時(shí)，有害氣體、粉塵濃度和病原微生物增加，若豬只長期生活在亞健康環(huán)境內(nèi)，將會(huì)導(dǎo)致豬只死亡、豬肉產(chǎn)量和品質(zhì)下降，甚至?xí)o整個(gè)養(yǎng)殖企業(yè)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。為此，本研究提出了一種以機(jī)器人為移動(dòng)終端、采樣裝置、FPGA控制器、傳感器、Wi-Fi視頻傳輸模塊、無線傳輸模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)為硬件核心，以下位機(jī)QuartusII 13.0軟件和上位機(jī)King view 6.5組態(tài)監(jiān)控軟件為開發(fā)平臺(tái)的豬舍空氣質(zhì)量智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)豬舍空氣質(zhì)量的三維立體式采樣、遠(yuǎn)程調(diào)控、數(shù)據(jù)查詢和存儲(chǔ)等功能，提高豬舍空氣質(zhì)量的智能化監(jiān)控和管理水平，為進(jìn)一步提高養(yǎng)豬企業(yè)的產(chǎn)品產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益提供科學(xué)依據(jù)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

豬舍空氣質(zhì)量智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由機(jī)器人、監(jiān)控室上位機(jī)、傳感器、無線傳輸模塊、FPGA控制器、空氣采樣機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。

該系統(tǒng)以機(jī)器人為移動(dòng)終端，具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式。在手動(dòng)控制方式下，管理人員可以借助Robot-Link V5.0 Wi-Fi視頻傳輸模塊對機(jī)器人行走路線和采樣機(jī)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在自動(dòng)控制方式下，通過安裝在機(jī)器人底盤上的超聲波、紅外和接觸傳感器將采集的豬舍路面障礙物信息傳至FPGA控制器，F(xiàn)PGA控制器結(jié)合避障算法和行走機(jī)構(gòu)四驅(qū)動(dòng)電機(jī)差速實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在豬舍過道內(nèi)安全行走，當(dāng)檢測到每個(gè)豬舍過道中間白色地板時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，記錄對應(yīng)采樣豬舍號(hào)，并控制安裝在機(jī)器人底盤上的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和安裝在支架、絲桿上的滑塊實(shí)現(xiàn)對預(yù)先設(shè)定同一豬舍不同位置的空氣質(zhì)量進(jìn)行三維空間立體式采樣，同時(shí)將水平滑塊上安裝的環(huán)境檢測傳感器和Wi-Fi視頻傳輸模塊檢測的數(shù)據(jù)參數(shù)和圖像信息以無線方式傳至上位機(jī)，上位機(jī)借助King view 6.5軟件將采集的豬舍空氣環(huán)境參數(shù)值與管理人員預(yù)先設(shè)定的參數(shù)值進(jìn)行比較，若空氣環(huán)境參數(shù)在設(shè)定范圍內(nèi)，則上位機(jī)不給現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出新的控制指令，若環(huán)境參數(shù)在設(shè)定范圍外，則產(chǎn)生相關(guān)報(bào)警指示，同時(shí)上位機(jī)通過帶USB串口的APC220無線模塊以無線方式將相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟停控制指令發(fā)送給現(xiàn)場控制終端，以便及時(shí)調(diào)整超限環(huán)境參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)豬舍空氣質(zhì)量的智能控制。豬舍空氣智能采樣裝置如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The diagram of system hardware

圖2 豬舍空氣智能采樣裝置Fig.2 Intelligent air sampling device for piggery

根據(jù)采樣位置不同，通過電機(jī)2、絲杠2和垂直方向滑塊1改變氣泵采樣進(jìn)氣軟管的垂直高度，通過電機(jī)1、絲杠1、水平方向滑塊改變氣泵采樣進(jìn)氣軟管的水平位置，通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1改變采樣進(jìn)氣口水平方向180°旋轉(zhuǎn)，便于采集豬舍過道兩側(cè)空氣樣本，從而實(shí)現(xiàn)豬舍空氣質(zhì)量的三維空間立體式采樣。為防止小于10 μm粉塵顆粒濃度過高導(dǎo)致豬只患呼吸道炎癥和糞便、豬毛等較大廢棄物進(jìn)入采樣進(jìn)氣軟管導(dǎo)致采集量與渾濁度不易觀察、環(huán)境污染程度分析不準(zhǔn)確等問題發(fā)生，在進(jìn)氣軟管端口安裝網(wǎng)孔直徑為10 μm的纖維布銅網(wǎng)過濾器。FPGA控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的采樣豬舍號(hào)來控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合行程開關(guān)和固定在支架3上的位置擋塊，確保旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2帶動(dòng)采樣轉(zhuǎn)盤上對應(yīng)豬舍號(hào)采樣收集瓶準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)到氣泵排氣軟管正向下，電機(jī)3帶動(dòng)固定在垂直滑塊2上的氣泵排氣軟管向下移動(dòng)插入帶有分析液的樣本收集瓶內(nèi)，氣泵工作20 s后采樣結(jié)束，同時(shí)電機(jī)3帶動(dòng)固定在豎直滑塊2上的氣泵排氣軟管向上移動(dòng)離開樣本收集瓶。為防止采樣時(shí)病菌交叉感染，不同豬舍采樣后需要通過電機(jī)1帶動(dòng)水平滑塊以及電機(jī)2帶動(dòng)垂直滑塊1使采集樣本的氣泵進(jìn)氣軟管插入消毒液瓶，并通過電機(jī)3帶動(dòng)垂直滑塊2插入收集消毒廢液餅內(nèi)，啟動(dòng)氣泵10 s進(jìn)行消毒處理后對下一個(gè)豬舍進(jìn)行采樣。當(dāng)整個(gè)采樣任務(wù)完成后，機(jī)器人攜帶采集樣本回到收集站口，使研究人員能夠及時(shí)對各豬舍采集樣本進(jìn)行分析處理。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)FPGA控制器在Quartus II 13.0開發(fā)環(huán)境下，采用verilog HDL語言分別對各傳感器檢測模塊、Wi-Fi視頻傳輸模塊、APC220無線傳輸模塊、機(jī)器人行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、采樣控制機(jī)構(gòu)和現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備等部分的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行模塊化編程，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走、環(huán)境參數(shù)收集、采集、執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟?？刂坪蛿?shù)據(jù)及圖像無線傳輸?shù)裙δ?。圖3為豬舍空氣環(huán)境參數(shù)采集控制程序流程。

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控室上位機(jī)采用Kingview 6.5軟件為管理人員提供良好的人機(jī)交互界面。管理人員通過監(jiān)控室上位機(jī)Kingview 6.5軟件監(jiān)控界面能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)查看豬舍環(huán)境參數(shù)、現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)查詢、環(huán)境參數(shù)范圍設(shè)定和豬只狀態(tài)觀察等功能，也可在手動(dòng)控制模式下直接給下位機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出啟?？刂浦噶罨蛘呓Y(jié)合視頻傳輸實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走、樣本采集和空氣質(zhì)量采樣等控制功能，從而實(shí)現(xiàn)豬舍環(huán)境參數(shù)的智能監(jiān)控。圖4為豬舍空氣質(zhì)量采樣與調(diào)控界面。

圖3 采集控制程序流程圖Fig.3 Flow chart of data collection and control program

機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)定豬舍號(hào)?？康揭杉i舍過道中間，根據(jù)采集點(diǎn)數(shù)和三維空間位置執(zhí)行采樣機(jī)構(gòu)X軸、Y軸、Z軸電機(jī)、轉(zhuǎn)盤和氣泵運(yùn)行相關(guān)控制指令，將采集到的樣本收集到指定樣本收集瓶內(nèi)。當(dāng)采集完成后對氣管進(jìn)行消毒處理，并控制采集機(jī)構(gòu)回到采集停機(jī)位，為下一個(gè)豬舍采集目標(biāo)做好準(zhǔn)備。整個(gè)采樣時(shí)間結(jié)束后，機(jī)器人將按原路徑及時(shí)回到采集分析站，以便研究人員及時(shí)對本次采集的豬舍空氣質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)分析，為管理人員對豬舍病菌、疾病的傳播、預(yù)防、抑制和空氣質(zhì)量智能調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。圖5為豬舍機(jī)器人行走與采集控制界面。

圖4 豬舍空氣質(zhì)量采樣與調(diào)控界面Fig.4 Sampling and regulating interface of piggery air quality

圖5 豬舍機(jī)器人行走與采集調(diào)控界面Fig.5 Walking and collecting control interface of piggery robot

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性，以豬場的保育豬舍為實(shí)施地點(diǎn)，該保育豬舍的面積約為120 m2，共10個(gè)保育床，并以斷奶4周的保育豬生長環(huán)境溫濕度、NH3、H2S和粉塵濃度參數(shù)為試驗(yàn)對象，分析自動(dòng)控制模式下，精準(zhǔn)監(jiān)控豬舍內(nèi)空氣質(zhì)量相關(guān)參數(shù)的智能效果和數(shù)據(jù)分析。保育豬舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)設(shè)置為：溫度25 ℃，濕度70%RH，NH3濃度10 mg/m3，H2S濃度6 mg/m3，PM1.0濃度0.41 μg/m3，PM2.5濃度0.43 μg/m3。表1為24 h內(nèi)保育豬舍空氣環(huán)境參數(shù)變化情況，其中采樣間隔為2 h。

表1 24 h內(nèi)豬舍空氣質(zhì)量參數(shù)變化情況Table 1 Variation of air quality parameters in 24 h piggery

由表1試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)和管理員設(shè)定參數(shù)值對比可知：24 h內(nèi)溫度平均值為24.91 ℃，溫度偏差控制在±0.8 ℃范圍內(nèi)；24 h內(nèi)相對濕度平均值為70.03%，濕度偏差控制在±1.5%范圍內(nèi)；24 h內(nèi)NH3濃度最大值為7.9 mg/m3，H2S濃度最大值為5.8 mg/m3，均未超過國家規(guī)定保育豬舍有害氣體(NH3濃度為20 mg/m3，H2S濃度為8 mg/m3)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由于該保育豬生豬采用濕料喂養(yǎng)方式，24 h粉塵濃度PM1.0基本恒定不變，保持在0.38 μg/m3，PM2.5的值也變化不大，其值在0.38～0.43 μg/m3范圍內(nèi)變化，均未超過設(shè)定PM1.0上限值0.41 μg/m3和PM2.5上限值0.43 μg/m3的粉塵濃度。由于保育豬舍在每天上午6:30和下午18:30左右進(jìn)行清糞工作，導(dǎo)致NH3、H2S和粉塵濃度在短時(shí)間內(nèi)波動(dòng)較大，本次試驗(yàn)NH3、H2S和粉塵濃度在上午7:00和下午19:00時(shí)刻出現(xiàn)階段性峰值，因此為了避免清糞工作導(dǎo)致NH3、H2S和粉塵濃度上升，對保育豬的健康生長帶來負(fù)面影響，在后期進(jìn)行NH3、H2S和粉塵濃度調(diào)控時(shí)，應(yīng)將清糞時(shí)間考慮進(jìn)去，適當(dāng)加大通風(fēng)量和除塵力度，保證豬只長期處于健康生長環(huán)境。

為驗(yàn)證三維采樣裝置的定位精度，在低速和高速兩種情況下分別給機(jī)器人機(jī)械臂X軸、Y軸和Z軸一定的預(yù)期位移進(jìn)行試驗(yàn)，并通過旋轉(zhuǎn)角度測量儀和游標(biāo)卡尺測量并記錄各自的實(shí)際位移，測量完畢后將其返回初始位置，并以此重復(fù)10次。對于X軸的線性模組，測速在低速(3 mm/s)和高速(5 mm/s)兩種境況下的定位精度，位移分別為30 mm、60 mm、90 mm、120 mm和150 mm；對于Y軸的線性模組，測速在低速(5 mm/s)和高速(10 mm/s)兩種境況下的定位精度，位移分別為100 mm、150 mm、200 mm、250 mm和300 mm；對于Z軸的線性模組，測速在低速(10 mm/s)和高速(20 mm/s)兩種境況下的定位精度，位移分別為100 mm、200 mm、300 mm、400 mm和500 mm。X軸、Y軸和Z軸的線性模組位移試驗(yàn)重復(fù)10次，分析定位精度數(shù)據(jù)見表2、表3和表4。

表2 X軸定位精度Table 2 X axis positioning accuracy

表3 Y軸定位精度Table 3 Y axis positioning accuracy

表4 Z軸定位精度Table 4 Z axis positioning accuracy

上述試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)以機(jī)器人為移動(dòng)檢測點(diǎn)，通過無線方式實(shí)現(xiàn)精確獲取空氣質(zhì)量環(huán)境參數(shù)并分別精準(zhǔn)控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能，通過技術(shù)人員及時(shí)分析采集樣本實(shí)現(xiàn)疾病預(yù)防控制等功能，同時(shí)管理人員借助Wi-Fi攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)可以觀察豬只的生活和健康狀況，能夠?yàn)楸Ｓi提供最佳的生長環(huán)境，達(dá)到了智能化控制要求。

4 結(jié) 語

通過對豬舍空氣質(zhì)量智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究和應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定好的溫濕度、NH3、H2S和粉塵濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)檢測到豬舍空氣質(zhì)量參數(shù)超出設(shè)定范圍時(shí)，F(xiàn)PGA控制器將向?qū)?yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出啟停控制指令，同時(shí)將空氣質(zhì)量環(huán)境參數(shù)變化和執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀況以無線方式傳至上位機(jī)或手機(jī)終端，實(shí)現(xiàn)豬舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的自動(dòng)控制、精準(zhǔn)調(diào)控和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。同時(shí)機(jī)器人也可借助豬舍空氣質(zhì)量的三維空間立體式采樣裝置將預(yù)先設(shè)定豬舍采集位置的采集樣本帶回采集分析站，以便相關(guān)技術(shù)人及時(shí)對采集豬舍空氣質(zhì)量樣本中病源微生物含量進(jìn)行分析，為技術(shù)管理人員及時(shí)對豬群疾病防治和預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)，解決了人工采樣、巡檢勞動(dòng)強(qiáng)度大、人畜患病交叉感染及檢測和環(huán)境調(diào)控不及時(shí)等問題。在后續(xù)研究中，可將系統(tǒng)拓展到自動(dòng)控制給料和自動(dòng)巡檢消毒，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確飼喂和豬舍疫情自動(dòng)報(bào)警及噴藥消毒功能，使對豬舍空氣質(zhì)量的監(jiān)測和控制更加的準(zhǔn)確和高效。