一種黑水虻養(yǎng)殖裝置智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■李慧琴 劉存祥 段留奎 許 輝 馬宇航

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州450002)

黑水虻幼蟲(chóng)是一種腐生性的水虻科昆蟲(chóng)，能將餐廚垃圾、畜禽糞便中的有益成分轉(zhuǎn)化為自身營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 從而降低畜禽糞便造成的環(huán)境污染[1]。黑水虻蟲(chóng)體富含蛋白質(zhì)和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，被認(rèn)為是具有開(kāi)發(fā)潛力的動(dòng)物蛋白質(zhì)資源之一[2]，尤其適合添加到動(dòng)物飼料中[3]。以黑水虻幼蟲(chóng)為原料，可加工生產(chǎn)動(dòng)物蛋白飼料、生物柴油、抗菌肽等高附加值產(chǎn)品[4]。黑水虻幼蟲(chóng)便于人工飼養(yǎng)，其飼養(yǎng)簡(jiǎn)單易管理、食物廣泛、適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)出率高。影響黑水虻養(yǎng)殖的主要因素有溫度、濕度、光照條件、飼料含水量等[5]。人工養(yǎng)殖黑水虻時(shí)，需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)幼蟲(chóng)的生長(zhǎng)空間的溫度和濕度，保證幼蟲(chóng)處于最佳生長(zhǎng)環(huán)境。同時(shí)還需定時(shí)地對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，以保證物料能夠完全分解。本文提出了一種以微型電腦為控制核心的黑水虻養(yǎng)殖裝置智能控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)出料自動(dòng)控制、養(yǎng)殖箱內(nèi)的溫濕度自動(dòng)控制、飼料的自動(dòng)均勻翻轉(zhuǎn)。

1 黑水虻智能養(yǎng)殖裝置總體結(jié)構(gòu)

黑水虻的智能養(yǎng)殖裝置由車(chē)架、箱體、進(jìn)氣口、下料輪、翻轉(zhuǎn)器、散熱器、加熱器、電動(dòng)推桿等組成。黑水虻具有避光性，飼料多有異味，所以整個(gè)箱體為密封結(jié)構(gòu)，箱體上方設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口實(shí)現(xiàn)內(nèi)部主動(dòng)換氣。箱蓋上方下料輪的轉(zhuǎn)停可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)料。電動(dòng)推桿1 控制箱蓋的開(kāi)啟；電動(dòng)推桿2 帶動(dòng)翻料器往復(fù)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)飼料與黑水虻均勻翻轉(zhuǎn)；電動(dòng)推桿3控制箱體的整體傾斜程度以便出料；電動(dòng)推桿4控制出料門(mén)的閉合。散熱器和加熱器實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖裝置內(nèi)部溫度的控制[6]。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 黑水虻智能化養(yǎng)殖箱總體結(jié)構(gòu)

2 黑水虻智能養(yǎng)殖裝置智能控制系統(tǒng)構(gòu)成

黑水虻智能養(yǎng)殖裝置箱的智能控制系統(tǒng)主要由傳感器模塊、主控模塊和動(dòng)力模塊三部分組成，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

傳感器模塊是系統(tǒng)感知養(yǎng)殖箱內(nèi)部信息的主要元器，準(zhǔn)確提供養(yǎng)殖箱內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，為控制系統(tǒng)中各部件運(yùn)行提供了判斷依據(jù)。主控模塊采用了集成度較高的Raspberry Pi微型電腦作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心[7]，集成了ARM1176JZF-S 處理器、HDMI 視頻輸出接口、多個(gè)GPIO 接口、WIFI 模塊等。實(shí)現(xiàn)了對(duì)各傳感器的信息的采集、處理、判斷、傳輸?shù)?，并通過(guò)GPIO 接口對(duì)繼電器模塊的控制，完成了對(duì)各組件的控制。動(dòng)力模塊根據(jù)主控模塊的信號(hào)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各裝置自動(dòng)化控制，包括加溫濕度控制功能，進(jìn)料出料功能，飼料翻轉(zhuǎn)功能。裝置采用電熱絲加熱和排氣扇排氣的方式來(lái)控制溫濕度?？刂七M(jìn)料輪、電動(dòng)推桿3、電動(dòng)推桿4實(shí)現(xiàn)進(jìn)出料的自動(dòng)控制。電動(dòng)推桿2實(shí)現(xiàn)飼料的翻轉(zhuǎn)功能。

3 黑水虻智能養(yǎng)殖裝置控制系統(tǒng)的程序流程

周芬認(rèn)為，溫度在28 ℃，濕度保持在75%的人工環(huán)境，是飼養(yǎng)黑水虻的最適宜條件[8]。Tomberlin 等認(rèn)為，黑水虻的最佳飼養(yǎng)溫度為28 ℃，相對(duì)濕度為70%～75%[9]。綜合考慮本控制系統(tǒng)的溫度設(shè)定為27 ℃到29 ℃，相對(duì)濕度設(shè)定為73%～76%?？刂葡到y(tǒng)包括溫度子程序、濕度子程序、翻料子程序和出料子程序，流程如圖3所示。

當(dāng)系統(tǒng)的溫度或濕度上升并超過(guò)閾值時(shí)，排氣扇開(kāi)始工作，直至溫度或濕度下降至閾值以下，通過(guò)排出養(yǎng)殖箱內(nèi)多余的水蒸氣起到降溫除濕的作用。同時(shí)若溫度或濕度下降至閾值以下時(shí)，電熱絲開(kāi)始工作，通過(guò)升溫蒸發(fā)養(yǎng)殖箱內(nèi)的水分來(lái)提高養(yǎng)殖箱內(nèi)的溫度和濕度。由于黑水虻養(yǎng)殖密度和其具有避光性，在養(yǎng)殖過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)黑水虻集中在某一區(qū)域，如圖4所示。系統(tǒng)采用圖像傳感器實(shí)時(shí)采集箱內(nèi)情況，微型電腦判斷后運(yùn)行翻料子程序完成黑水虻的均勻分布。當(dāng)黑水虻完全分解養(yǎng)殖箱內(nèi)的飼料后，啟動(dòng)出料子程序，完成整個(gè)養(yǎng)殖過(guò)程。

4 自動(dòng)翻料子程序的實(shí)現(xiàn)

養(yǎng)殖箱內(nèi)主要由飼料和黑水虻幼蟲(chóng)兩部分組成，黑水虻幼蟲(chóng)呈白色而飼料呈黃褐色，兩部分對(duì)比較為明顯，可以通過(guò)計(jì)算白色區(qū)域在整幅圖片中所占的比例（幼蟲(chóng)集中分布度）來(lái)判斷黑水虻幼蟲(chóng)是否堆積[10]。

圖3 系統(tǒng)程序流程

圖4 黑水虻幼蟲(chóng)與周?chē)h(huán)境顏色對(duì)比

由圖4可以看出，由于反光和飼料中可能存在的白色雜質(zhì)等原因，圖像傳感器采集來(lái)的養(yǎng)殖箱內(nèi)的原始圖像不能直接進(jìn)行計(jì)算，需要將原圖進(jìn)行預(yù)處理，消除反光和雜質(zhì)等導(dǎo)致的圖像噪點(diǎn)之后，才能進(jìn)行面積比例計(jì)算[11]。自動(dòng)翻料子程序的流程如圖5 所示。首先將原圖轉(zhuǎn)換為灰度圖，然后利用腐蝕、膨脹等常規(guī)圖像處理算法進(jìn)行除噪，得到能進(jìn)行計(jì)算的圖像之后將提取幼蟲(chóng)部分輪廓，計(jì)算面積[12]，如圖6所示。利用得出的輪廓部分在圖像中所占的面積比例，來(lái)判斷黑水虻是否堆積。如果當(dāng)黑水虻的幼蟲(chóng)集中分布度低于60%時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，電動(dòng)推桿通電將黑水虻與飼料混合均勻。

圖5 自動(dòng)翻料子程序的流程

幼蟲(chóng)的養(yǎng)殖時(shí)間大約3～5 d，當(dāng)黑水虻幼蟲(chóng)將養(yǎng)殖箱內(nèi)的飼料全部食用后，黑水虻個(gè)體已經(jīng)成熟可以進(jìn)行出料。自動(dòng)出料子程序借用自動(dòng)翻料子程序的計(jì)算結(jié)果來(lái)判斷自動(dòng)出料的時(shí)間，當(dāng)黑水虻在圖中的幼蟲(chóng)集中分布度大于90%時(shí)，電動(dòng)推桿4工作傾斜養(yǎng)殖箱體完成出料。

5 結(jié)論

圖6 圖像處理過(guò)程

為解決黑水虻的大規(guī)模養(yǎng)殖問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了黑水虻養(yǎng)殖裝置智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了黑水虻養(yǎng)殖過(guò)程的溫濕度的自主調(diào)控、自動(dòng)下料、智能混合翻料、出料等過(guò)程。提高了黑水虻的養(yǎng)殖效率，為黑水虻的大規(guī)模養(yǎng)殖提供了解決辦法，為黑水虻資源在飼料行業(yè)發(fā)展提供了技術(shù)支撐。