基于5G 網(wǎng)絡(luò)的哺乳母豬智能飼喂監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孔祥，代雪梅，陳立濤，陳創(chuàng)業(yè)，聶福旭

（1.甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅武威，733000；2.甘肅省武威市涼州區(qū)金山鎮(zhèn)人民政府，甘肅武威，733000）

0 引言

哺乳母豬的飼喂是生豬生產(chǎn)中非常重要的一環(huán)。我國是一個(gè)養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)大國，但并非養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國。大部分哺乳母豬的養(yǎng)殖還存在自動(dòng)化、信息化、智能化程度非常低，對哺乳母豬飼喂不科學(xué)、飼喂方案不精細(xì)、飼喂過程難溯源，導(dǎo)致我國哺乳母豬飼喂過程普遍存在養(yǎng)殖效率低、病死率高等問題，直接影響我國哺乳母豬的產(chǎn)量、質(zhì)量和飼養(yǎng)效益。在中小規(guī)模哺乳母豬養(yǎng)殖場中，為哺乳母豬提供一個(gè)合理、可靠的飼喂管控方案是哺乳母豬高效生產(chǎn)的關(guān)鍵，直接影響整個(gè)哺乳母豬場的生產(chǎn)效益。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、PLC 控制技術(shù)等一批高新技術(shù)在畜牧業(yè)生產(chǎn)方面的應(yīng)用，針對哺乳母豬的智能化、精細(xì)化養(yǎng)殖管理技術(shù)得到飛速發(fā)展。

針對以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于5G 網(wǎng)絡(luò)的哺乳母豬智能飼喂系統(tǒng)，能夠在哺乳母豬飼喂管理過程中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測與管理控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)哺乳母豬飼喂的工藝流程以及飼喂要求，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)由安裝了組態(tài)王6.55的PC 上位機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)的控制中心?？刂浦行耐ㄟ^5G 網(wǎng)絡(luò)將哺乳母豬飼喂過程中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂茊卧狿LC。PLC 執(zhí)行具體的FRID 信號采集，哺乳母豬進(jìn)出門系統(tǒng)動(dòng)作以及精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)下料等。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架圖

2 哺乳母豬精準(zhǔn)飼喂機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

哺乳母豬精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)是保證哺乳母豬能夠順利智能精準(zhǔn)飼喂的基礎(chǔ)。哺乳母豬智能飼喂裝置的機(jī)械部分由進(jìn)口門、進(jìn)口門自動(dòng)連鎖裝置，緊急安全側(cè)門、出口門以及飼料供應(yīng)裝置等部件組成。設(shè)計(jì)了帶有立柱和卡槽結(jié)構(gòu)的兩扇進(jìn)口門組成了哺乳母豬采食時(shí)的通道。為了確保哺乳母豬進(jìn)入通道時(shí)的安全，兩扇門采取交叉狀設(shè)計(jì)，且裝有彈簧，在豬拱開門后能自動(dòng)關(guān)門，除此之外還在進(jìn)口通道兩側(cè)裝有安全門，防止在極端異常情況出現(xiàn)時(shí)，能夠開啟安全門快速釋放被卡住的母豬。為了保證哺乳母豬在采食期間智能飼喂裝置是完全封閉的，每次只允許一頭哺乳母豬進(jìn)行采食，系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)口門傳感器以便檢測進(jìn)口門的工作狀態(tài)，除此之外還設(shè)計(jì)了鎖門機(jī)制，使母豬進(jìn)入飼喂通道后將入口門鎖死，在哺乳母豬采食完畢后解鎖進(jìn)口門，為其他哺乳母豬入采食通道做好準(zhǔn)備。考慮到哺乳母豬場養(yǎng)殖場環(huán)境相對較差，哺乳母豬在采食過程中撞擊、防腐等因素，哺乳母豬機(jī)械組成部件選擇食品級不銹鋼304 材質(zhì)。哺乳母豬智能飼喂系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 哺乳母豬飼喂系統(tǒng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

3 哺乳母豬飼喂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

哺乳母豬智能飼喂監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路主要由射頻識別電路、精準(zhǔn)飼喂下料控制電路、稱重電路、5G 通訊電路等組成。其中精準(zhǔn)飼喂下料控制電路是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，由PLC 控制器作為主要的控制單元。射頻識別電路完成對哺乳母豬個(gè)體的識別；稱重電路完成對哺乳母豬體重信息的采集；5G 遠(yuǎn)程通信電路完成控制器向上位機(jī)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送?？刂葡到y(tǒng)的電氣硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)的電氣硬件結(jié)構(gòu)圖

■3.1 精準(zhǔn)飼喂下料控制電路硬件選型

哺乳母豬智能飼喂系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)精確智能飼喂，這就需要設(shè)計(jì)送料均勻準(zhǔn)確的下料裝置。哺乳母豬飼料大多屬于粉狀或顆粒狀物料且在投料飼喂裝置上輸送距離較短，為此系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用全葉式螺旋輸送方式。全葉式輸送方式的工作原理是當(dāng)螺旋軸帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)飼料受到法向推力作用而沿著輸送管壁底部軸向移動(dòng)[1]。裝置要求螺旋軸轉(zhuǎn)速要能夠精確控制，為此系統(tǒng)選用步進(jìn)電機(jī)作為螺旋軸的動(dòng)力裝置，由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)與投料量呈線性相關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的定量精準(zhǔn)下料。此系統(tǒng)中選用的步進(jìn)電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)如表1所示。

表1 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器性能參數(shù)

■3.2 傳感器選型

為了能夠精確采集哺乳母豬每次采食前后的體重系統(tǒng)需要稱重傳感器；同時(shí)系統(tǒng)還需要采集哺乳母豬的體溫等基本體征數(shù)據(jù)，以便為哺乳母豬科學(xué)精準(zhǔn)飼喂提供精細(xì)化數(shù)據(jù)支持，系統(tǒng)還需要設(shè)計(jì)溫度采集電路，在此系統(tǒng)中選擇使用溫度傳感器完成對哺乳母豬體溫的采集。稱重傳感器選擇麗景STK 稱重傳感器，該傳感器具有轉(zhuǎn)換精度高、外圍配套電路簡單、工作環(huán)境要求不高、適用電壓寬等特點(diǎn)。此稱重傳感器能夠滿足對哺乳母豬采食量的精確控制，其主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 STK稱重傳感器性能參數(shù)

溫度傳感器選擇IRTSM 系列－工業(yè)級高性能紅外溫度傳感器。IRTSM 系列是DagaSensor 公司推出的工業(yè)級高性能高精度紅外溫度傳感器。該系列有多個(gè)子系列，分別在響應(yīng)速度、信號輸出類型方面不同。每個(gè)子系列都有非常詳細(xì)的測量溫度范圍可選，讓客戶具有足夠多的選擇自由度。此系統(tǒng)中選擇IRTSM1 系列，其具體的性能參數(shù)如表3所示。

表3 IRTSM1系列溫度傳感器性能參數(shù)

■3.3 RFID 射頻識別模塊和電子耳標(biāo)選型

為了實(shí)現(xiàn)對哺乳母豬飼喂全過程的精準(zhǔn)識別與飼喂方案適時(shí)調(diào)整，對不同的哺乳母豬采取個(gè)性化、智能化、精細(xì)化、數(shù)字化飼喂，就必須對不同哺乳母豬進(jìn)行個(gè)體身份識別[2]。

現(xiàn)代化的哺乳母豬養(yǎng)殖場均采用電子耳標(biāo)和RFID 射頻識別模塊實(shí)現(xiàn)對哺乳母豬身份的識別與采集。RFID 射頻識別系統(tǒng)由閱讀器、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和電子標(biāo)簽三部分組成[3]。當(dāng)帶有電子標(biāo)簽（耳標(biāo)）的哺乳母豬將頭伸到食槽采食時(shí)便可通過其耳標(biāo)讀取哺乳母豬的個(gè)體信息，由PLC 系統(tǒng)針對不同的個(gè)體采取不同的飼喂方案，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、精準(zhǔn)化、智能化飼喂。并且能夠根據(jù)哺乳母豬不同哺乳階段的飼喂要求而做出適時(shí)調(diào)整哺乳方案，從而實(shí)現(xiàn)了哺乳母豬飼喂全過程的數(shù)字化、信息化、智能化管理。系統(tǒng)選用的射頻識別器為TI 公司生產(chǎn)的RI-RFM-007B。模塊的主要性能如表4所示，非常適合對哺乳母豬個(gè)體身份的精確識別。

表4 RI-RFM-007B性能參數(shù)

■3.4 5G 通訊模塊選型

哺乳母豬智能飼喂系統(tǒng)要實(shí)時(shí)將上位機(jī)與下位機(jī)的飼喂數(shù)據(jù)、飼喂方案等關(guān)鍵信息能夠?qū)崟r(shí)高效交換，考慮到哺乳母豬養(yǎng)殖場工作環(huán)境及傳輸數(shù)據(jù)等因素，選擇愛陸通公司生產(chǎn)的遠(yuǎn)程通訊模塊AD7028P DTU(T/Z)。此模塊設(shè)計(jì)有全網(wǎng)通4G/5G 無線，模塊是基于5G/4G 等技術(shù)開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸終端。采用高性能的工業(yè)級32位通信處理器和工業(yè)級無線模塊，以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺(tái)，同 時(shí) 支 持2 路RS232（或1 路RS232 和1 路RS485）接口和1 路以太網(wǎng)LAN/WAN，能直接與PLC的通訊口和網(wǎng)口設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)哺乳母豬飼喂數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

■3.5 PLC 控制器選型

哺乳母豬智能飼喂控制系統(tǒng)控制器主要任務(wù)是接受并識別哺乳母豬電子耳標(biāo)所產(chǎn)生的電子信號，采集哺乳母豬進(jìn)入飼喂裝置時(shí)的位置信號，采集哺乳母豬的體重、溫度等信息并根據(jù)相關(guān)的算法控制精準(zhǔn)下料系統(tǒng)進(jìn)行投料，除此還需將控制器運(yùn)算的數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)傳模塊5G-DTU 傳送到上位機(jī)終端PC 或者手機(jī)等終端。

根據(jù)處理的數(shù)字量、模擬量信號的數(shù)量及特征，綜合考慮通訊端口選擇西門子公司生產(chǎn)的S7-200PLC（CPU226CN）?？紤]到系統(tǒng)還需處理哺乳母豬的體況信息以及采食量等模擬量信號，需另行配置一塊模擬量處理模塊EM235，此模塊用于采集哺乳母豬的體重與溫度等模擬量數(shù)據(jù)。由于定量下料系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)下料的，PLC 需要給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送高速脈沖等指令才能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)下料，為此PLC的輸出需要晶體管型，才能與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器配套[4]。故綜合考慮PLC 選擇工作電源為直流，輸入電源也為直流，輸出接口為晶體管類型(DC/DC/DC)型。

■3.6 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)根據(jù)以上主要器件選型，設(shè)計(jì)了PLC的硬件接線電氣圖，如圖4所示。KA1、KA2 為哺乳母豬進(jìn)門推桿電機(jī)控制繼電器，KA3、KA4 為哺乳母豬出門推桿電機(jī)控制繼電器，KA5 為噴墨電磁閥控制繼電器。設(shè)計(jì)控制電路如圖4所示。

圖4 PLC硬件接線圖

圖5 PLC控制流程圖

4 軟件設(shè)計(jì)

■4.1 PLC 程序設(shè)計(jì)

哺乳母豬智能飼喂監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程是：當(dāng)佩戴電子耳標(biāo)的哺乳母豬靠近飼喂智能飼喂裝置時(shí)，安裝在飼喂裝置上的電子耳標(biāo)閱讀器自動(dòng)讀取哺乳母豬個(gè)體信息并將其個(gè)體信息傳送給中央控制器，當(dāng)前豬只若滿足進(jìn)食條件，系統(tǒng)則根據(jù)事先建立的關(guān)于哺乳母豬進(jìn)食量的參數(shù)和相關(guān)規(guī)則庫通過正向推理的方法進(jìn)行進(jìn)食量的計(jì)算，得到下料指令后螺旋式送料機(jī)將哺乳母豬飼料分配好，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)下料，完成單次投料。

■4.2 上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

組態(tài)王是我國北京亞控自動(dòng)化公司研發(fā)的一款性能非常穩(wěn)定的工業(yè)控制上位機(jī)開發(fā)軟件。組態(tài)王具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，配置了便捷、豐富的操作界面，以及大量的圖庫精靈與圖形元素，并支持各種外部擴(kuò)充，可以方便地組態(tài)監(jiān)控畫面顯示控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。組態(tài)王與PLC 組成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)管理、報(bào)表顯示、數(shù)據(jù)查詢、異常報(bào)警以及報(bào)表打印等功能。哺乳母豬智能飼喂監(jiān)控系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)用戶管理、飼喂系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)置、報(bào)警管理、數(shù)據(jù)報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能[5]。為了充分滿足哺乳母豬精準(zhǔn)飼喂遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)工藝的生產(chǎn)需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)控界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于5G 網(wǎng)絡(luò)的哺乳母豬智能飼喂監(jiān)控系統(tǒng)，采用5G-DTU 模塊實(shí)現(xiàn)了對哺乳母豬精準(zhǔn)飼喂過程中的數(shù)據(jù)傳輸，利用PLC 實(shí)現(xiàn)了智能飼喂精準(zhǔn)控制，系統(tǒng)經(jīng)哺乳母豬養(yǎng)殖場實(shí)地測試運(yùn)行，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定良好達(dá)到了精準(zhǔn)飼喂的設(shè)計(jì)預(yù)期。