一種禽舍智能清潔自走小車的設(shè)計

謝佳偉 張敬楊 梁宇濤 劉建勇 李東明

1、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院 2、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 3、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院

隨著我國人們經(jīng)濟(jì)水平和生活消費(fèi)水平的提升，中國農(nóng)業(yè)漸漸地形成一定的集約化生產(chǎn)經(jīng)營趨勢。此外，我國現(xiàn)代畜禽養(yǎng)殖業(yè)正在形成一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。但由于家禽養(yǎng)殖企業(yè)存在一定的不足，如養(yǎng)殖裝備智能化水平低下、養(yǎng)殖人員技術(shù)水平不高等，也產(chǎn)生了一系列問題：養(yǎng)殖人員勞動強(qiáng)度大，人力成本高，生產(chǎn)效率低，企業(yè)效益差；養(yǎng)殖企業(yè)的養(yǎng)殖裝備科技含量較低、智能化水平較差，且仍以人力為主，導(dǎo)致人禽接觸過多，家禽染病概率增大；養(yǎng)殖場的養(yǎng)殖環(huán)境較差，禽舍糞污處理難度大，然而國家對養(yǎng)殖場環(huán)境的要求日漸嚴(yán)格，家禽養(yǎng)殖企業(yè)面臨的生存壓力日益增加。發(fā)展高端生豬養(yǎng)殖裝備制造業(yè)，力求將自動化、數(shù)字化、智能化技術(shù)成功運(yùn)用到生豬養(yǎng)殖機(jī)械設(shè)備中，從而實現(xiàn)科技興畜的目的。

1 清潔自走小車的總體結(jié)構(gòu)

禽舍智能清潔自走小車由電池驅(qū)動，以艾莫迅FX3U-16MR型三菱PLC 為控制核心，通訊模塊為RS-485 網(wǎng)關(guān)。

（1）傳感器組：一氧化碳( CO)、傳感器、氨氣( NH3 )、傳感器、硫化氫( H2S) 傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器和溫濕度傳感器。（2）電池組：4 塊12V 38Ah 蓄電池。（3）行進(jìn)結(jié)構(gòu)：行進(jìn)電機(jī)。（4）清掃結(jié)構(gòu)：直流電機(jī)、滾筒毛刷、水箱、防水罩、紫外線消毒燈。

圖1 小車的行進(jìn)結(jié)構(gòu)

圖2 滾筒毛刷與防水罩

2 清潔自走小車的主要功能

（1）自動行進(jìn)：小車通過前后紅外傳感器檢測墻面，控制小車在漏縫地板上的運(yùn)動。

（2）地面清掃：小車行走時, 直流電機(jī)通過齒輪帶動滾筒毛刷轉(zhuǎn)動，進(jìn)行地面清掃工作。

（3）無傷驅(qū)禽：在小車正常清掃的過程中，如果超聲波傳感器檢測到軌道上存在家禽，蜂鳴器就會發(fā)出聲音，從而實現(xiàn)對禽的無傷驅(qū)趕。

（4）遠(yuǎn)程通訊：有害氣體、溫濕度傳感器把檢測到的氣體濃度與溫濕度遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)控終端，并實現(xiàn)監(jiān)控終端對小車的遠(yuǎn)程操控。

3 清潔自走小車的硬件設(shè)計

3.1 主控制器

主控制器為艾莫迅FX3U-16MR 型三菱PLC。該P(yáng)LC 提供數(shù)字量16 入10 出、模擬量2 入2 出通道，此外還提供RS-485 MODBUS 串口。

3.2 傳感器

溫濕度傳感器：選用RS485 型高精度溫濕度變送器傳感器，該傳感器測量準(zhǔn)確、抗干擾強(qiáng)、性能穩(wěn)定。

有害氣體傳感器：實時監(jiān)測舍內(nèi)有害氣體濃度, 并通過RS-485 遠(yuǎn)程通訊模塊把氣體濃度數(shù)據(jù)傳送到終端。

超聲波傳感器：選用UB500-18GM45-E4-V15 超聲波控制器，該傳感器利用回波測距原理和時差測量技術(shù)，具有防水防油、感應(yīng)靈敏、抗干擾強(qiáng)的特點。

紅外傳感器：選用漫反射紅外線E18-D80NK 光電開關(guān)傳感器，檢測距離在80cm 內(nèi)可調(diào)，該傳感器具有探測距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、靈敏度較高、安裝方便等特點。

3.3 通訊模塊

采用智聯(lián)物聯(lián)ZP3000 系列遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)無線485 通訊。該網(wǎng)關(guān)支持國際通用標(biāo)準(zhǔn)的FDD-LTE、TDD-LTE、WCDMA (HSPA+)、CDMA2000 (EV-DO)、TD-Scdma 3G/4G 移動寬帶網(wǎng)絡(luò)制式，為用戶提供方便快速的高速網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。采用高性能的32位專業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信處理器, 以嵌入式實時操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺，為用戶提供安全、高速、穩(wěn)定可靠的3G/4G 無線路由網(wǎng)絡(luò)，并支持2 個以太網(wǎng)RJ45 接口和通信串口。

3.4 行進(jìn)結(jié)構(gòu)

行進(jìn)電機(jī)采用直流電機(jī)，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速線電壓由PLC 的DA通道給予，以控制小車行進(jìn)速度。通過短接電機(jī)控制器倒車線實現(xiàn)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

3.5 清掃結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)通過齒輪驅(qū)動滾筒毛刷轉(zhuǎn)動，從而進(jìn)行清掃工作。通過PLC 程序控制，當(dāng)清潔小車正向行走時，滾筒毛刷的轉(zhuǎn)動方向為正向滾動, 當(dāng)清潔小車反向行走時, 滾筒毛刷的轉(zhuǎn)動方向為反向滾動。此外，水箱中的水通過管道流到滾筒毛刷以便達(dá)到更好的清掃效果。當(dāng)清潔小車停止工作時，主控制器自動切斷清潔小車大部分供電，僅保留有害氣體、溫濕度傳感器，從而達(dá)到節(jié)約用電的目的。

3.6 硬件電路

小車整體電氣PLC 接線圖如圖3 所示。

圖3 PLC 接線圖

驅(qū)動器使用電池組24V 電源，電機(jī)控制器取用電池組48V電源。環(huán)境檢測傳感器接入FX3U-16MR 型PLC 中采集有害氣體濃度。FX3U-16MR 型PLC 的X 輸入口接入紅外光電傳感器、超聲波傳感器的信號線和手動按鈕。此外，將檢測信號或者手動控制作為后續(xù)各種設(shè)備的驅(qū)動條件。PLC 的Y 口接入直流電機(jī)、蜂鳴器。將電源負(fù)極接入FX3U-16MR 型PLC 的公共端C0 口，控制相應(yīng)Y0、Y1、Y2 口，即可使所需電路構(gòu)成回路。通過定時程序操作電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。清掃小車中的PLC 作為從機(jī)，從機(jī)需要被上位機(jī)控制，從機(jī)與上位主機(jī)的通訊由RS－485 遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)。

4 清潔自走小車的軟件設(shè)計

4.1 電路控制程序

小車的運(yùn)行由電路控制程序控制，工作流程圖如圖4 所示。

圖4 小車工作流程圖

4.2 通訊協(xié)議

清潔自走小車作為從站，通過RS－485 無線網(wǎng)關(guān)通訊與監(jiān)控終端主站之間傳輸數(shù)據(jù)。通過組態(tài)程序通過RS－232 通訊位機(jī)觸摸屏連接顯示禽舍內(nèi)氣體濃度數(shù)據(jù)及清潔自走小車運(yùn)行狀態(tài)，其中PLC 主站與觸摸屏之間的通訊協(xié)議為: 傳輸速度9600bps,奇校驗（Odd Parity）數(shù)據(jù)位7，停止位1。

5 結(jié)論

該智能清潔自走小車能夠在不同家禽養(yǎng)殖場中正常運(yùn)行，從而有效地提高了清掃效率，降低了人禽接觸，降低了家禽的染病率，提高了幼仔的成活率，降低了勞動力投入，節(jié)約了養(yǎng)殖人員人工成本，從而降低養(yǎng)殖企業(yè)的養(yǎng)殖成本，減少人禽接觸，降低家禽的染病率，切實保障養(yǎng)殖人員以及養(yǎng)殖場的收益。