規(guī)模舍飼羊場(chǎng)中自動(dòng)稱重分欄設(shè)備的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

羅土玉，豆 姣，高彥玉，周昆樂，楊惠永

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.廣東廣興牧業(yè)機(jī)械設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510520）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的飲食結(jié)構(gòu)正在快速變化，人們對(duì)健康、營養(yǎng)、環(huán)保的畜產(chǎn)品需求加大。近年來，羊肉因其鮮嫩味美、肥而不膩、低脂肪、高蛋白的顯著特點(diǎn)，受到廣大人民的喜愛，羊肉價(jià)格持續(xù)上漲，消費(fèi)需求明顯增加，肉羊養(yǎng)殖業(yè)由小規(guī)模散養(yǎng)方式向大規(guī)模精細(xì)飼養(yǎng)方式轉(zhuǎn)型，智能化、集約化是養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

圖1 羊群分區(qū)示意圖

現(xiàn)代化的養(yǎng)殖方式需要配備高度自動(dòng)化的養(yǎng)殖設(shè)備。在規(guī)?；驁?chǎng)中，體重的測(cè)量是精細(xì)飼養(yǎng)的關(guān)鍵，羊群的分欄是科學(xué)管理的重要手段。在前期育肥階段，分欄有助于養(yǎng)殖場(chǎng)主針對(duì)不同群體制定喂料策略、飼養(yǎng)方案，提升羊只的生產(chǎn)率；在后期出欄階段，養(yǎng)殖場(chǎng)主可以根據(jù)體重的差異劃分出欄區(qū)或繼續(xù)育肥區(qū)，提高養(yǎng)殖效益，如圖1 所示。

隨著畜牧養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和高科技應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，自動(dòng)稱重設(shè)備也應(yīng)運(yùn)而生，國內(nèi)外許多研究學(xué)者都對(duì)此展開過研究，且獲得了一定的研究成果。20 世紀(jì)末期，美國首先嘗試將自動(dòng)稱重系統(tǒng)引入養(yǎng)殖業(yè)，研制出一款動(dòng)物自動(dòng)稱重設(shè)備，隨后加拿大、新西蘭等國家也相繼研制出類似的畜牧稱重系統(tǒng)。Eliel González-García 的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套用于監(jiān)測(cè)集約化牧場(chǎng)中綿羊的重量變化的自動(dòng)化步行稱重系統(tǒng)（WoW），通過對(duì)WoW 系統(tǒng)記錄的體重值與用常規(guī)體重秤測(cè)量的靜態(tài)體重進(jìn)行比較，評(píng)估了WoW系統(tǒng)記錄的單只每日體重值的準(zhǔn)確性[1]，但未對(duì)羊群的分欄系統(tǒng)作進(jìn)一步研究。而國內(nèi)方面，智能稱重裝置的研究起步較晚，2015 年，我國與新西蘭科研機(jī)構(gòu)才合作研制出國內(nèi)首套羊只自動(dòng)稱重裝置，其可以對(duì)羊只進(jìn)行自動(dòng)稱重，并將稱重?cái)?shù)據(jù)上傳互聯(lián)網(wǎng)，解決了人工稱重效率低、記錄繁瑣的問題[2]。2016 年，楊建寧等設(shè)計(jì)了一套基于PLC和組態(tài)軟件的自動(dòng)稱重分群系統(tǒng)，能夠?qū)ρ蛑贿M(jìn)行身份信息讀取與稱重分群管理[3]。2017 年，劉斯達(dá)等利用單片機(jī)、射頻識(shí)別（RFID）、傳感器及串口通信等技術(shù)，設(shè)計(jì)了類似的稱重分群系統(tǒng)[4]。但國內(nèi)外研制的稱重分欄設(shè)備多由稱重裝置和分欄裝置兩部分組成，存在多只羊同時(shí)進(jìn)入稱重區(qū)，導(dǎo)致出現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，通常在使用前需將羊只驅(qū)趕在特定的引導(dǎo)通道內(nèi)，這會(huì)對(duì)羊只造成一定的應(yīng)激反應(yīng)。本文在此基礎(chǔ)上，研制了一套低成本的自動(dòng)稱重分欄設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了羊群單只分離、有序地進(jìn)行稱重分欄的目的。

1 總體設(shè)計(jì)及工作流程

自動(dòng)稱重分欄設(shè)備適用于規(guī)?；犸曆驁?chǎng)，主要在肉羊的銷售交易、精細(xì)飼養(yǎng)及生長發(fā)育評(píng)估等過程使用。本文研制的自動(dòng)稱重分欄設(shè)備如圖2 所示，自動(dòng)稱重分欄設(shè)備一端安裝在群養(yǎng)羊舍出入口，一端安裝在分揀區(qū)入口。設(shè)備主要由分離裝置、過渡區(qū)域、稱重裝置、分欄裝置組成。

圖2 自動(dòng)稱重分欄設(shè)備

圖3 工作流程圖

自動(dòng)稱重分欄設(shè)備的工作流程如圖3 所示。系統(tǒng)開始工作前，工作人員要對(duì)分欄參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，為了實(shí)現(xiàn)羊群快速分揀功能，本文設(shè)定一個(gè)重量參數(shù)將羊群分成兩個(gè)分揀區(qū)，系統(tǒng)將參數(shù)進(jìn)行保存后，整個(gè)系統(tǒng)在自動(dòng)工作模式下進(jìn)行工作。入口分離裝置可以使相鄰羊只在行進(jìn)過程中產(chǎn)生距離差，有序排隊(duì)地進(jìn)入稱重區(qū)，并在前只羊離開分離裝置后立即實(shí)現(xiàn)鎖定，阻擋后一只羊繼續(xù)前進(jìn)，保證稱重區(qū)內(nèi)只存在一只羊。稱重裝置能夠各方位限制羊只的活動(dòng)，使羊只盡可能處于靜態(tài)進(jìn)行稱重，稱重傳感器將稱重信號(hào)反饋到控制器，控制器將測(cè)量的羊只重量與設(shè)定的分欄參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，確定羊只應(yīng)進(jìn)入的分揀區(qū)，并將對(duì)應(yīng)的分欄通道開啟，羊只完全進(jìn)入后關(guān)閉分欄通道，重新開啟入口分離裝置，等待下一只羊進(jìn)入。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 分離裝置

分離裝置的結(jié)構(gòu)如圖4 所示，由入口通道、入口門、限高欄、鎖門模塊等組成，其中滑輪、繩索為牽引模塊，檔桿安裝座、檔桿為阻擋模塊。通道主體呈臥倒的L 字型，尺寸根據(jù)單只羊的體尺而定，通道上端的限高欄能夠防止羊攀爬、跳出通道。羊只從羊舍出口進(jìn)入入口通道，在前進(jìn)過程中羊頭頂起入口門，而入口門與通道前端的阻擋模塊是連動(dòng)狀態(tài)，入口門抬起過程中會(huì)帶動(dòng)擋桿升起，擋桿升起后能夠攔住后續(xù)羊只，從而使其停頓，與前只羊形成一定的距離差，且入口門抬起到一定位置將實(shí)現(xiàn)鎖定，后續(xù)羊只即使到達(dá)入口門處，也無法推開門繼續(xù)前進(jìn)，只能停留在通道內(nèi)繼續(xù)等待，這樣就有效防止了距離較近的羊只同時(shí)進(jìn)入稱重區(qū)，實(shí)現(xiàn)了分離羊只的目的。

圖4 分離裝置

圖5 鎖門模塊

鎖門模塊如圖5 所示，當(dāng)羊推門到感應(yīng)位，行程接近開關(guān)1 感應(yīng)入口門的位置狀態(tài)，發(fā)出電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)，電機(jī)帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)使?jié)L軸沿著引導(dǎo)槽運(yùn)動(dòng)，而行程接近開關(guān)2感應(yīng)滾軸的位置狀態(tài)，當(dāng)滾軸運(yùn)動(dòng)到感應(yīng)位，便發(fā)出電機(jī)停止信號(hào)，此時(shí)滾軸卡住偏心塊，入口門在復(fù)位后，不能被再次打開，當(dāng)前一只羊完成稱重，并完全進(jìn)入分揀區(qū)后，位于分欄裝置內(nèi)的傳感器將發(fā)出開門信號(hào)，使?jié)L軸遠(yuǎn)離偏心塊，解除限位，后續(xù)羊只可再次頂開入口門，進(jìn)入稱重區(qū)。

2.2 稱重裝置

稱重裝置是自動(dòng)稱重分欄設(shè)備的關(guān)鍵部件，本文設(shè)計(jì)的稱重裝置如圖6 所示，主要由固定外框、稱重籠體、稱重傳感器、光電傳感器組成，稱重傳感器分別連接外框和籠體，安裝數(shù)目為2～4 個(gè)。稱重外框上安裝了光電傳感器用來檢測(cè)羊只位置，當(dāng)傳感器檢測(cè)到羊頭時(shí)表明羊只完全進(jìn)入稱重籠體，此時(shí)把信號(hào)傳入控制中心，開始讀取稱重?cái)?shù)據(jù)。在體重測(cè)量時(shí)，靜止?fàn)顟B(tài)要比運(yùn)動(dòng)狀態(tài)得到的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，誤差更小，而查閱資料得出一般羊兩只腳之間的寬度大約在200mm 左右[5]，因此，稱重籠體設(shè)計(jì)為下窄上寬的結(jié)構(gòu)，籠體各方位限制了羊只的活動(dòng)，使其不能產(chǎn)生轉(zhuǎn)身、跳動(dòng)等大幅度動(dòng)作行為，提高了稱重測(cè)量精度。

圖6 稱重裝置

2.3 分欄裝置

分欄裝置常用的有兩門三通道和單門單通道兩種，兩門三通道是指將兩扇門平行放置，兩扇門的開關(guān)決定兩個(gè)通道的開閉，兩扇門之間也作為另一通道的一種結(jié)構(gòu)形式，此種形式整體結(jié)構(gòu)簡單，但不易增加通道數(shù)目。單門單通道是指一扇門決定一通道的結(jié)構(gòu)形式，此種形式體積較大，但各通道間相互獨(dú)立，易于增加通道數(shù)目[6]。本文在單門單通道的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種單門雙通道的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于可控開關(guān)門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可控開關(guān)門不僅實(shí)現(xiàn)門的打開和關(guān)閉，同時(shí)還要防止羊夾傷及羊撞擊。常用的門機(jī)構(gòu)多是機(jī)電結(jié)合的自動(dòng)門，有單扇門、雙扇門、旋轉(zhuǎn)門等[7-8]。

本文設(shè)計(jì)的分欄裝置如圖7 所示，主要由旋轉(zhuǎn)門、電動(dòng)推桿、防逆門、分欄通道、光電傳感器等組成。裝置設(shè)置左、右兩個(gè)分欄通道，羊只通過分欄通道進(jìn)入相應(yīng)的分揀區(qū)內(nèi)，旋轉(zhuǎn)門為空心結(jié)構(gòu)，設(shè)置在兩個(gè)通道中間，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)開啟左分欄通道，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)開啟右分欄通道，如圖8所示。電動(dòng)推桿的一端連接旋轉(zhuǎn)門，另一端固定在通道側(cè)壁上，電動(dòng)推桿的伸縮提供門旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力。通道末端的防逆門只能單向開啟，可以防止羊只從分揀區(qū)回到分欄通道內(nèi)。兩個(gè)分欄通道末端均安裝了光電傳感器用來檢測(cè)羊只位置，當(dāng)傳感器檢測(cè)到羊頭時(shí)表明羊只完全進(jìn)入分欄通道，此時(shí)關(guān)閉旋轉(zhuǎn)門，并開啟分離裝置的入口門，等待下一只羊進(jìn)入。

圖7 分欄裝置

圖8 旋轉(zhuǎn)門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖9 系統(tǒng)主控流程圖

本文的控制系統(tǒng)主要包括3 個(gè)功能：1）控制入口門的鎖定與開啟；2）讀取羊的體重?cái)?shù)據(jù)并與分欄參數(shù)比較；3）顯示控制器運(yùn)行狀態(tài)并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。針對(duì)上述功能要求，本文選擇可編程控制器（PLC）系統(tǒng)，PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護(hù)方便，且擁有豐富的I/O 口，連線簡單，通過內(nèi)部模塊就能完成A/D 與D/A 轉(zhuǎn)換等任務(wù)。本文的控制方案采用以PLC 為控制中心，通過觸摸屏編輯人機(jī)界面來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示和設(shè)定功能，具有手動(dòng)模式和自動(dòng)模式兩種工作方式，系統(tǒng)主控流程和操作界面如圖9、10 所示。

圖10 操作界面

3 試驗(yàn)與討論

3.1 靜態(tài)稱重試驗(yàn)

稱重裝置靜態(tài)特性的好壞與羊只稱重時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度密切相關(guān)，相關(guān)文獻(xiàn)指出，綿羊出欄體重在40kg 左右，山羊出欄體重在25kg 左右[9]，因此，靜態(tài)稱重試驗(yàn)主要測(cè)試稱重裝置在承受25kg～100kg 范圍重量時(shí)的稱量準(zhǔn)確度。試驗(yàn)時(shí)選擇標(biāo)準(zhǔn)重量為25kg 的鑄鐵鎖型砝碼作為測(cè)試對(duì)象，通過向稱重裝置內(nèi)逐漸增加砝碼的方式，分別測(cè)試了承受25kg、50kg、75kg 和100kg 標(biāo)準(zhǔn)重量時(shí)的稱顯重量，實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3 次，測(cè)量結(jié)果如表1 所示，稱顯重量與標(biāo)準(zhǔn)重量的誤差在0.5kg 左右，能滿足裝置的使用要求。

表1 靜態(tài)特性測(cè)試

3.2 動(dòng)態(tài)稱重試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)稱重試驗(yàn)在自搭的試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)對(duì)象為市場(chǎng)上買入的兩只新疆山羊，圖11 為試驗(yàn)羊只，試驗(yàn)前對(duì)兩只山羊進(jìn)行為期1 周的訓(xùn)練，使其多次穿梭整個(gè)稱重分欄設(shè)備，逐步適應(yīng)設(shè)備的各個(gè)裝置。圖12 為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)羊只在設(shè)備內(nèi)的行進(jìn)軌跡，可以看出，設(shè)備運(yùn)行效果良好，訓(xùn)練后的羊只能夠順利通過分離裝置進(jìn)入稱重裝置進(jìn)行稱重，分欄裝置的旋轉(zhuǎn)門在羊只稱重后能夠快速開啟，羊只可以快速通過分欄通道進(jìn)入相應(yīng)的分揀區(qū)內(nèi)。

稱重分欄試驗(yàn)前，用電子秤對(duì)羊只稱重，體重分別為55.8kg、44.6kg，作為實(shí)際重量參考，試驗(yàn)時(shí)設(shè)定分欄參數(shù)為50kg，羊只重量大于50kg，左分欄通道打開，小于50kg，右分欄通道打開，每只山羊分別重復(fù)5 次進(jìn)行分欄試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，通過將稱顯重量與實(shí)際重量進(jìn)行比較，得出稱重分欄設(shè)備對(duì)羊只體重的測(cè)量存在一定誤差，平均相對(duì)誤差在1% 左右，誤差范圍略高于靜態(tài)稱重時(shí)的誤差范圍，主要原因是羊只稱重時(shí)非完全絕對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，羊只的活動(dòng)會(huì)對(duì)稱重傳感器的信號(hào)穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響，從而產(chǎn)生一定的測(cè)量誤差，但誤差范圍能滿足養(yǎng)殖過程中對(duì)羊群進(jìn)行快速分區(qū)的基本要求。

圖11 試驗(yàn)羊只

圖12 試驗(yàn)時(shí)羊只的行進(jìn)軌跡

表2 稱重分欄試驗(yàn)

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)稱重分欄設(shè)備實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；⒆詣?dòng)化養(yǎng)殖過程中對(duì)羊只的自動(dòng)稱重和快速分揀。與人工稱重方式相比，自動(dòng)化程度更高，避免了人畜直接接觸，減少了羊只的應(yīng)激反應(yīng)，稱重精度雖有所降低，但在可接受范圍內(nèi)，能夠滿足精細(xì)化舍飼養(yǎng)殖和銷售的基本使用要求，具有一定的推廣價(jià)值，對(duì)提高養(yǎng)殖效益及實(shí)現(xiàn)福利化養(yǎng)殖有重要意義。