豬舍智能清糞系統(tǒng)的研究

李曼，司展，李龍霞，張占勝

（沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧沈陽110142）

1 引言

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，畜牧業(yè)在農(nóng)業(yè)中的地位是非常高的。但隨著新時代的到來，中國人民的生活水平得到了顯著地提高，人們不再滿足于對食物數(shù)量上的要求，而更加注重食物的質(zhì)量以及食物對自身健康情況的影響。據(jù)統(tǒng)計，人們對豬肉的需求占中國肉類總產(chǎn)量的64%，如此看來，豬肉已經(jīng)成為人們餐桌上不可或缺的食物。正因為人們對豬肉有如此大的需求量，因此對豬養(yǎng)殖問題上的要求也更加的嚴(yán)格，特別是對生豬的質(zhì)量問題。研究表明，豬糞易分解出對生豬和人有害的氣體，考慮到人工清理的復(fù)雜性、安全性以及養(yǎng)殖場的效率問題，提出了一種智能化清理系統(tǒng)。而實踐智能化養(yǎng)殖的推廣前，需考慮到廢物的清理以及能源的循環(huán)。這樣才會使得養(yǎng)殖業(yè)有可持續(xù)發(fā)展的前景。

2 豬舍基本結(jié)構(gòu)

2.1 基本框架

早期豬舍采用的是密閉無窗式，由于經(jīng)濟(jì)條件有限，故豬舍的外部結(jié)構(gòu)大多為四面柵欄或石頭砌起的墻?，F(xiàn)代豬舍建筑按墻的結(jié)構(gòu)劃分有開放式（三面有墻一面無墻）、半開放式（三面有墻，一面設(shè)半截墻）、密閉有窗式（四面設(shè)墻，窗設(shè)在縱墻上）、密閉無窗式（四面設(shè)墻，墻上只設(shè)應(yīng)急窗）。按屋頂結(jié)構(gòu)可簡單劃分為平頂式、單坡式、雙坡式（見圖1）。

圖1 屋頂結(jié)構(gòu)形式

按豬欄排列有單列式、雙列式、多列式（見圖2）。按用途劃分有種公豬舍、種母豬舍、保育舍、生長豬舍。該文假設(shè)建造的豬舍結(jié)構(gòu)為半開放雙坡雙列生長豬舍。

2.2 構(gòu)成要求

眾所周知，為了讓生豬安全健康地生長，就必須對生豬所生存的環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格要求。對于地面及墻體，要求保溫、堅實、不透水、平整、不滑、便于清掃；對于屋頂，要求防火、不透風(fēng)、不漏水、結(jié)構(gòu)輕便、有一定的承重能力。墻體對保溫性的要求可以通過泡沫保溫板來實現(xiàn)。除此之外，豬舍對采光和通風(fēng)的要求也是極高的。最重要的是對排污系統(tǒng)的要求，糞溝要保證有足夠的寬度、坡度及一定的表面光滑度。

3 室內(nèi)設(shè)備

3.1 圍欄設(shè)備

現(xiàn)代化養(yǎng)豬圍欄設(shè)備根據(jù)生豬的階段不同可大體分為公豬欄、配種欄、妊娠欄、分娩哺乳欄、保育欄等。生豬所處階段不同對圍欄設(shè)備的需要也不同，飼養(yǎng)人員可根據(jù)不同階段生豬的需要進(jìn)行針對性地飼養(yǎng)。比如，母豬生產(chǎn)和初生幼崽的養(yǎng)育是養(yǎng)豬中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。初生幼崽的免疫系統(tǒng)功能不健全、對溫度的調(diào)節(jié)能力低、體弱，如果不細(xì)心照料，在冬天很可能出現(xiàn)凍死、踩死的情況。這就需要對分娩哺乳欄的圍欄設(shè)備有更加嚴(yán)格的要求。暖床是舍飼散養(yǎng)工藝中的核心設(shè)備，它是一種局部加熱設(shè)施。為了保證幼崽的成活率，飼養(yǎng)員必須為幼崽們設(shè)立舒適的暖床。

圖3 一種基于智能系統(tǒng)的清理機(jī)器人設(shè)計

3.2 飼喂及飲水設(shè)備

3.2.1 飼喂設(shè)備

近年來，由于受到疫情的影響，糧食的價格有了短暫的上升，故飼料成本也有了明顯地提升。因此，減少飼料浪費、提高飼料利用率是當(dāng)階段飼養(yǎng)人員首要解決的問題。豬場實際生產(chǎn)過程中蟲蛀鼠害、飼料霉變及飼料添加過剩是造成豬場飼料浪費的主要原因，也是增加養(yǎng)殖成本的主要因素。我國目前常用的飼喂設(shè)備有：干-濕料箱、干料自動輸送設(shè)備、液態(tài)飼料自動輸送設(shè)備和群養(yǎng)單喂采食站設(shè)備等。

3.2.2 飲水設(shè)備

除了需要合理的飼喂設(shè)備外，飲水設(shè)備對一個大型的養(yǎng)殖場來說也是至關(guān)重要的。如果沒有給豬舍配備合理的飲水設(shè)備，那么很容易會造成水資源的浪費，而且被浪費的水會和糞便混在一起，增加了糞污的產(chǎn)量和清糞的成本，還會增加豬舍空氣的濕度。一般的飲水設(shè)備包括飲水管道、過濾器、減壓閥和自動飲水器等。目前常采用的飲水器有鴨嘴式、杯式和乳頭式，且鴨嘴式的優(yōu)越性會更好。飼養(yǎng)人員需要根據(jù)生豬所處的不同階段來安排合適的飲水設(shè)備。

3.3 監(jiān)測設(shè)備

3.3.1 室內(nèi)氣體排放的監(jiān)測

迄今為止，牲畜活動是臭氣排放量最大的來源之一。牲畜排放的尿液和糞便中的氨、硫化氫、二氧化碳和一氧化二氮被認(rèn)為是增加溫室效應(yīng)和酸雨的主要氣體，生豬生產(chǎn)設(shè)施運(yùn)行產(chǎn)生的氣體異味是一個嚴(yán)重的社會問題。所以合理的監(jiān)測并處理生豬糞便中產(chǎn)生的有害氣體是當(dāng)務(wù)之急。氨是豬舍環(huán)境中最常見的毒物，故準(zhǔn)確測量豬舍中氨的排放量是研究的關(guān)鍵。目前最普遍的方法是氨檢測儀，可以在豬舍中安裝氨檢測儀實時監(jiān)測室內(nèi)氨氣的濃度。防止因室內(nèi)有毒氣體濃度高而引起生豬死亡的情況，避免造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

3.3.2 室內(nèi)溫度及濕度的監(jiān)測

生豬的汗腺不發(fā)達(dá)，對環(huán)境溫度的自我調(diào)節(jié)能力較差，所以說給生豬提供一個適宜生存的溫度環(huán)境尤為重要。常見的豬舍保溫設(shè)備有紅外線燈、加熱地板、擋風(fēng)簾幕、電熱風(fēng)器、熱風(fēng)爐等等。降溫設(shè)備有通風(fēng)機(jī)、噴霧降溫系統(tǒng)、滴水降溫系統(tǒng)等。最常采用監(jiān)測室內(nèi)溫度的儀器為溫度傳感器。當(dāng)室內(nèi)溫度超出了人工設(shè)定的溫度范圍時，傳感器便會發(fā)出報警的聲音，來提示飼養(yǎng)人員室內(nèi)溫度已超出設(shè)定溫度范圍，并通過冷熱環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)對環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。室內(nèi)濕度的監(jiān)測與溫度監(jiān)測同理，通過濕度傳感器來監(jiān)控室內(nèi)濕度水平，一旦超出設(shè)定值，便會報警，這時工作人員便會立刻調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度。通過室內(nèi)溫度與濕度的監(jiān)測來給生豬提供一個舒適健康的生長環(huán)境。

3.3.3 室內(nèi)糞便的監(jiān)測

糞便的監(jiān)測是室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)中最重要的監(jiān)測方面，據(jù)研究表明，室內(nèi)的許多有毒氣體大多都是從糞便和尿液中分解出來的，所以，實時監(jiān)測豬舍中糞污的排放情況就顯得尤為重要。智能清糞機(jī)器人就是用來完成這項檢測的，它不僅可以清理糞便，也有著監(jiān)測室內(nèi)糞便量的作用。機(jī)器人在巡邏過程中會不斷記錄每部分的糞便量，然后會計算總的糞便量。當(dāng)總糞便量達(dá)到設(shè)定值時，機(jī)器人就開始完成他的清糞任務(wù)。而這一切的實施都依賴于機(jī)器人身上的監(jiān)控系統(tǒng)以及人類的編程技術(shù)。只有給機(jī)器人精確的算法，它才能更好地完成監(jiān)測以及清糞任務(wù)。

4 糞便清理系統(tǒng)

利用高壓水技術(shù)對豬舍進(jìn)行人工清洗是人類勞動最繁瑣、最威脅健康的工作之一。這個清潔過程本身會導(dǎo)致工作環(huán)境的惡化，因為被沖洗的污垢、微生物和水等不經(jīng)意間會被操作者吸入。因此，對從事禽舍清理的工作人員來說，工作條件智能化發(fā)展是必須解決的問題。進(jìn)一步的研究表明，機(jī)器人在洗滌劑及水的利用率方面的性能較差。機(jī)器人清洗的耗水量比人工清洗高40%。而且機(jī)器人清洗通常需要隨后的手動清洗，因為機(jī)器人缺乏檢測被清洗地面清潔度的能力。糞便清理系統(tǒng)的關(guān)鍵是開發(fā)一種智能傳感系統(tǒng)，為生豬隔間的自動清理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。

智能傳感系統(tǒng)的主體為智能清理機(jī)器人，該機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)為主控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、清糞系統(tǒng)、驅(qū)動執(zhí)行系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)等。主控制系統(tǒng)是機(jī)器人工作的核心系統(tǒng)，由它來控制機(jī)器人的各個系統(tǒng)，占據(jù)了主導(dǎo)地位。監(jiān)控系統(tǒng)的具體體現(xiàn)為位于機(jī)器人上方的攝像頭設(shè)備，該攝像頭可360°旋轉(zhuǎn)，來監(jiān)測機(jī)器人行進(jìn)位置周圍的地面環(huán)境。清糞系統(tǒng)由位于機(jī)器人下方的可伸縮的刮糞板來完成。噴水系統(tǒng)不單單只完成噴水這一項任務(wù)，它要將水從含有化學(xué)試劑的通道處噴出以達(dá)到更有效地處理糞便的目的。驅(qū)動執(zhí)行系統(tǒng)由主控制系統(tǒng)控制，控制機(jī)器人的清理路徑。

機(jī)器人的基本構(gòu)成中還缺一項最基本的功能便是能夠自動識別豬舍里的糞便?！柏i舍自主清潔智能傳感系統(tǒng)”是為了改善人類工作環(huán)境，優(yōu)化豬舍清潔資源利用而創(chuàng)立。具體目標(biāo)是開發(fā)一種智能傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠為不同隔間里的牲畜的自動清潔系統(tǒng)提供非清潔區(qū)域的位置范圍和數(shù)據(jù)。所開發(fā)的傳感器系統(tǒng)與自主清洗系統(tǒng)相結(jié)合，將能夠在豬舍中進(jìn)行不同批次間的清洗，并控制達(dá)到的清潔度水平。該清理系統(tǒng)可以根據(jù)相關(guān)地面特征和待清除糞便的干濕程度及總量選擇要采用的成像傳感器技術(shù)。這種方法將魯棒控制器和基于上下文的傳感器信號分析相結(jié)合，以提供一種智能傳感器，該傳感器可以定位要清理區(qū)域的糞便，并與機(jī)器人設(shè)備交互以執(zhí)行所需的清潔。該傳感系統(tǒng)應(yīng)具備能夠在室內(nèi)移動，記錄清潔水平，并將獲得的數(shù)據(jù)傳遞給清糞機(jī)器人的功能。清潔傳感器可用于自主操作，獨立于清潔過程。除此之外，為了優(yōu)化清理過程中的耗水問題，那么就應(yīng)該選擇合適的水壓、射流角度、用水量以及脈沖率等。

由研究可知，生豬糞便中80%以上為有機(jī)肥，剩下不足20%為無機(jī)肥。而且豬舍地板一般為混凝土，為無機(jī)材料，故可以通過監(jiān)測地板表面的有機(jī)含量來識別生豬糞便。清潔度傳感器的主要技術(shù)支持為可見光和近紅外波段的圖像分析。因此，可將光譜分析法與特殊照明相結(jié)合，來達(dá)到識別非潔凈區(qū)域位置的目的。

自動識別傳感系統(tǒng)固然重要，但為了防止其工作過程中出現(xiàn)識別誤差，備用選擇便是機(jī)器人頭上的攝像頭。那么，將拍攝到的內(nèi)容傳輸?shù)絇C機(jī)上就需要用到圖像無線傳輸技術(shù)。圖像無線傳輸系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將移動的自動清糞機(jī)器人前方拍攝到的相關(guān)圖像傳輸?shù)絇C機(jī)上。

當(dāng)然，只憑借一個智能傳感系統(tǒng)來完成清理任務(wù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要其他系統(tǒng)的配合，特別是主控制系統(tǒng)。機(jī)器人的工作原理簡單概括為：首先清糞機(jī)器人在豬舍中巡邏視察，通過無線智能傳感技術(shù)將室內(nèi)環(huán)境傳送給監(jiān)控室的工作人員。其次，工作人員根據(jù)具體情況給機(jī)器人提供其所執(zhí)行的命令，所有的命令都存在于機(jī)器人的主控制系統(tǒng)中，它會根據(jù)具體命令來控制其他相應(yīng)系統(tǒng)。最后通過電機(jī)帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)開始完成清糞任務(wù)。這樣一套完整的糞便清理系統(tǒng)便完成。

5 糞便回收系統(tǒng)

智能清理系統(tǒng)的建立很好地解決了養(yǎng)豬場糞污的清理問題，也大大提高了飼養(yǎng)人員的工作效率，但隨之而來的更大的問題便是糞污的處理問題。如何處理豬舍產(chǎn)生的糞污并不使其給環(huán)境造成更大的威脅成了當(dāng)今養(yǎng)殖業(yè)需要處理的問題，國內(nèi)外學(xué)者提出的方法主要有生物回收法和化學(xué)回收法。

5.1 生物方法回收糞便

對人類來說，糞便不但不能給人類帶來好處還會給人類增添清理的麻煩。但糞便卻是自然界中許多昆蟲的主要食物，尤其是Black soldier fly幼蟲。

Black soldier fly是一種常見于美國東南部的本土昆蟲。成蟲在幼蟲棲息地附近的裂縫中生活、交配和產(chǎn)卵。由于成蟲對人類的居住環(huán)境或食物沒有造成威脅，因此Black soldier fly未被視為有害生物。Black soldier fly能夠?qū)⒓S便中殘留的蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可利用生物量，所以說糞便是一種優(yōu)質(zhì)的動物蛋白飼料。

因此最簡單的生物糞便回收系統(tǒng)采用野生Black soldier fly種群來消化糞便。有了這樣一種理論依據(jù)，就可以通過利用這種生物的特性來實現(xiàn)對豬舍糞便的回收利用，減少豬糞對環(huán)境的污染。

5.2 化學(xué)方法回收糞便

另一種比較好的方法便是電滲析法回收豬糞沼渣中的養(yǎng)分。以往的膜技術(shù)在處理畜禽糞便時存在著嚴(yán)重的膜污染問題，故采用電滲析法。

電滲析逆轉(zhuǎn)（EDR)指通過頻繁地反轉(zhuǎn)電極的極性，可以有效地緩解膜污染顆粒聚集造成的污垢，提供了一種自清潔機(jī)制。通過周期性酸洗方案的半連續(xù)操作，利用EDR技術(shù)從豬糞消化液中長期回收N和P。做到了真正意義上的豬糞回收利用的效果。電滲析法回收糞便中的養(yǎng)分比直接在糞便中加入化學(xué)試劑的方法更可取，因為化學(xué)反應(yīng)中，生成物質(zhì)對環(huán)境的要求極為嚴(yán)格，如果稍有不慎就可能發(fā)生另一種反應(yīng)。為了避免不必要的損傷，通常采取電滲析法回收豬糞中養(yǎng)分。

6 小結(jié)

本研究基于國內(nèi)外先進(jìn)的科技成果，提出適宜國內(nèi)的現(xiàn)代化、智能化、科學(xué)化豬舍管理系統(tǒng)，重在闡述豬舍智能清糞系統(tǒng)的優(yōu)化，并在豬舍智能識別傳感器問題上進(jìn)行研究，同時也介紹了豬舍基本結(jié)構(gòu)、室內(nèi)設(shè)備以及糞便回收方法并簡要介紹了清糞機(jī)器人的基本構(gòu)成。但對于環(huán)境因素的定量影響、以及對特定習(xí)性品種的豬和清理系統(tǒng)的材質(zhì)考察并未做出定量化的討論及解決，對于復(fù)雜的工程性問題前瞻總結(jié)性研究無可避免地難以對細(xì)節(jié)性問題做出充分考慮，而對于重大工程可行性分析的細(xì)節(jié)研究將是推行智能化普遍的重要依據(jù)。