董桂菊,劉斯達(dá),陳海霞,呂信超,馮 江

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 電氣與信息學(xué)院,哈爾濱 150030)

0 引言

我國是一個人口大國,隨著人民生活水平的提高,對動物性食品的需求增加,推動了我國養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。改革開放以來,我國養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大,畜產(chǎn)品總量大幅增加,使得養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)方式發(fā)生積極轉(zhuǎn)變。倘若繼續(xù)沿用人工管理養(yǎng)殖場的方式,已難以適應(yīng)現(xiàn)代化養(yǎng)殖的需求。我國在養(yǎng)殖智能化設(shè)備方面起步較晚,技術(shù)與經(jīng)驗仍有不足,國外許多大中型養(yǎng)殖場都已使用大量高度自動化與機(jī)械化結(jié)合的養(yǎng)殖設(shè)備,如智能化禽舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、智能一體化有機(jī)畜牧管理系統(tǒng)及畜牧自動稱重分群管理控制系統(tǒng)等[1]。智能化的養(yǎng)殖設(shè)備是今后畜牧業(yè)發(fā)展的必然趨勢和重要標(biāo)志。

電子秤因其準(zhǔn)確可靠的特點在各行業(yè)中廣為應(yīng)用,早期的稱重系統(tǒng)基于模糊量稱重傳感器,稱重過程完全由人工控制和讀取,易受人為因素的影響,導(dǎo)致準(zhǔn)確度和效率都很低。自從周祖濂提出數(shù)字稱重系統(tǒng)的概念以來,各種稱重系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用于各種行業(yè)的稱重,人們對稱重提出新的要求,自動稱重(或稱智能稱重)應(yīng)運而生[2-3]。目前,我國許多養(yǎng)殖場在養(yǎng)殖過程中仍采用人工稱重的方法對牲畜進(jìn)行稱重,不僅耗費大量的人力資源,而且在稱重效率及精度上都十分低下。針對上述問題,設(shè)計了一種智能化養(yǎng)殖裝置,以單片機(jī)為核心控制器,通過硬件搭配實現(xiàn)對養(yǎng)殖的畜牧進(jìn)行身份識別、自動稱重、自動分欄等功能,不僅解放了人力資源,而且效率及精度相比于人工稱重有非常大的提高。

1 系統(tǒng)工作原理及總體結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

本文設(shè)計的羊群智能化養(yǎng)殖裝置,主要包括以下3個功能,即羊只稱重、自動分群及羊只身份識別。

系統(tǒng)開始運行后,通過稱重臺入口門的紅外識別傳感器,檢測到羊只進(jìn)入稱重臺,稱重臺底部的壓力變化器開始工作,采集羊只質(zhì)量,并將采集的羊只質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸給主控制器進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理與保存。

在稱重臺內(nèi)部兩側(cè),分別安裝射頻識別傳感器,每只羊的耳朵上都有記錄羊只身份信息的耳標(biāo)。在羊只進(jìn)入稱重臺稱重時,射頻識別傳感器自動讀取羊只耳標(biāo)中的信息,主控制器將羊只質(zhì)量數(shù)據(jù)處理后,通過射頻識別傳感器將本次測量的羊只質(zhì)量數(shù)據(jù)及羊只進(jìn)入的分欄信息等全部刷新到羊只的耳標(biāo)中,進(jìn)行保存。

用戶在系統(tǒng)開始工作前,通過顯示與操作單元,預(yù)先設(shè)定將羊只分群的質(zhì)量參數(shù),在LCD中將參數(shù)設(shè)定并保存;對稱重臺內(nèi)的羊只進(jìn)行稱重后,主控制器將測量的羊只質(zhì)量與預(yù)先設(shè)定的分群參數(shù)進(jìn)行比較,確定該質(zhì)量的羊只應(yīng)進(jìn)入的分欄;通過485總線將控制信號傳輸給對應(yīng)分欄的氣閥門控制器,控制對應(yīng)分欄門的開關(guān),使該質(zhì)量的羊只進(jìn)入相應(yīng)質(zhì)量的分欄,完成羊只自動分群操作。

通過傳感器和控制器之間的密切配合,裝置可以自動完成對羊只的稱重、身份識別及自動分群等操作,并將測量的羊只質(zhì)量數(shù)據(jù)及羊只身份的相關(guān)信息全部顯示在LCD屏幕上,以便工作人員進(jìn)行查看,同時傳感器測量的數(shù)據(jù)都會存儲到SD卡中。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

整個控制系統(tǒng)根據(jù)功能,可以分為主控與存儲單元、稱重單元、羊只身份信息識別單元、顯示與操作單元、氣閥門控制單元及遙控單元。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The system structure diagram

遙控器具有系統(tǒng)的最高控制權(quán)限,可以在系統(tǒng)運行前進(jìn)行故障檢測,在運行中對系統(tǒng)進(jìn)行控制。工作人員通過操作與顯示單元對系統(tǒng)進(jìn)行操作,并通過LCD屏幕實時監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀況。羊只身份識別單元讀取羊只耳標(biāo)信息及羊只質(zhì)量信息;氣閥門控制單元控制裝置各個門的開關(guān),使羊只進(jìn)入相應(yīng)的門;主控制器處理傳感器采集的各部分?jǐn)?shù)據(jù),控制系統(tǒng)按照設(shè)定的要求運行,并將測量的數(shù)據(jù)存儲到SD卡中。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

穩(wěn)定的電源是整個系統(tǒng)正常工作的前提,由于系統(tǒng)電路較為復(fù)雜,用到的元器件較多,會產(chǎn)生不同的電壓等級需要。在遙控器部分,采用12V鋰電池,通過電壓轉(zhuǎn)換電路,將電壓降為5V為控制器,為數(shù)傳模塊等器件供電,并留出充電接口。主控部分、氣閥門控制部分、羊只身份識別部分采用線性穩(wěn)壓電源為控制器和液晶顯示屏供電,同樣通過電壓轉(zhuǎn)換電路,降壓后供電。在為氣閥和壓力傳感器供電時,選用開關(guān)電源進(jìn)行供電。在系統(tǒng)各部分電路中,選用不同的轉(zhuǎn)壓穩(wěn)壓芯片,將電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換后對不同電壓等級的元器件進(jìn)行供電[4]。

2.1 主控與存儲單元

主控與存儲單元包括主控制器、SD存儲卡及紅外傳感器。主控制器是系統(tǒng)的核心控制器,負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)各部分反饋的指令及各傳感器采集的數(shù)據(jù),并且根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的運行狀況,向系統(tǒng)各個部分發(fā)送相應(yīng)的控制指令,控制系統(tǒng)各部分按照要求運行。

系統(tǒng)運行前,工作人員通過顯示與操作單元,設(shè)定羊只分群的質(zhì)量參數(shù),保存到主控制器中;在后續(xù)羊只稱重及分群中,通過傳感器反饋的羊只質(zhì)量信息,與設(shè)定的分群參數(shù)進(jìn)行比較,確定羊只應(yīng)進(jìn)入的分欄,發(fā)送相應(yīng)的控制信號給該分欄對應(yīng)的氣閥門控制器,控制相應(yīng)的分欄門打開,使羊只準(zhǔn)確的進(jìn)入對應(yīng)重量的分欄,完成分群操作。SD卡與主控制器通過SPI總線的方式進(jìn)行通信,傳感器測量的羊只質(zhì)量、羊只身份信息等數(shù)據(jù),主控制器在處理后,會保存到SD卡中。系統(tǒng)的主控制器選用STM32F103ZET6芯片[5-6],采用自主設(shè)計集成電路板,并對控制電路進(jìn)行封裝。

2.2 氣閥門控制單元

氣閥門控制單元包括氣閥門控制器、電磁閥氣閥及氣缸。氣閥門控制器的芯片選用STM32F103RBT6芯片,自主設(shè)計電路板。

整個裝置共有5個門需要控制,包括稱重臺入口門、出口門及羊只分群的3個分欄門,每個門上均安裝有氣缸,通過氣缸的伸縮控制門的開關(guān)。設(shè)計時,將電磁閥氣閥分別與每個門的氣缸進(jìn)行連接,并利用繼電器設(shè)計控制開關(guān)電路,通過控制繼電器的開關(guān),達(dá)到控制電磁閥氣閥開關(guān)的目的。由于每個門均安裝了電磁閥氣閥和氣缸,為了使系統(tǒng)穩(wěn)定運行,分別對電磁閥氣閥和氣缸配置氣閥門控制器;為了防止因為線長及電磁閥氣閥的干擾,氣閥門控制器與主控制器之間采用485通訊的方式進(jìn)行連接[7]。主控制器處理完羊只質(zhì)量和身份信息等數(shù)據(jù)后,將控制信號通過485總線發(fā)送給相應(yīng)的氣閥門控制器,信號經(jīng)過光耦隔離送到繼電器,控制與該氣閥門控制器相連接的電磁閥氣閥和氣缸動作,確保羊只進(jìn)入其應(yīng)進(jìn)入的分欄門,保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2.3 稱重單元

稱重單元由壓力變換器與濾波放大電路組成,與主控制器相連,將測量的羊只質(zhì)量數(shù)據(jù)反饋給主控制器進(jìn)行處理。壓力信號是稱重的重要信號,在設(shè)計中選用懸臂梁壓力傳感器測量羊只質(zhì)量。在稱重臺下方四角位置,分別安裝懸臂梁壓力傳感器,通過電橋電路將懸臂梁壓力傳感器進(jìn)行連接,提取出總的輸出信號[8]。在對羊只質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣的過程中,會夾雜著部分干擾信號,故要先對信號進(jìn)行相應(yīng)的硬件處理。在壓力傳感器的輸出端,設(shè)計一個綜合轉(zhuǎn)換電路,將輸出的四路電流信號進(jìn)行濾波、I-U變換、差動放大和反相放大,最后對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,將轉(zhuǎn)換后的信號發(fā)送給控制器進(jìn)行處理。信號處理流程如圖2所示。

圖2 信號處理流程Fig.2 Signal processing flow

羊只在稱重臺進(jìn)行稱重時,由于羊只的跑動、電磁閥和分欄門開合時產(chǎn)生的震動,會以高頻的形式夾雜在有效信號中,所以第1步的處理是加入低通濾波電路,設(shè)計時采用二階壓控電壓源型低通濾波器,濾除振動干擾。在信號檢測電路中,會混有由于電源產(chǎn)生的50Hz工頻干擾,在進(jìn)行低通濾波后,需要用陷波器,對工頻50Hz干擾信號進(jìn)行濾除。在工頻干擾濾除后,還要對共模干擾進(jìn)行處理。所謂的共模干擾,就是在輸出的正負(fù)兩端都產(chǎn)生的干擾,設(shè)計時采用由三極管直接搭建的差動放大電路,對共模信號進(jìn)行濾除。經(jīng)過上述硬件濾波電路處理后,各干擾信號已被濾除,且差動放大電路已對信號進(jìn)行了一定程度的放大,但輸出的信號還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到被ADC采樣的程度,需要進(jìn)行2～3級的放大,才能得到所需要的信號。采用儀用放大器電路,對輸出信號進(jìn)行放大,在放大信號的同時能夠提高共模抑制比。

將上述濾波和放大電路,搭建在壓力傳感器的輸出端,由于羊只的體重范圍較大,在滿足稱重精度的要求下,采用芯片內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換器。由于壓力傳感器輸出的信號為電流信號,故要將濾波和放大后的信號進(jìn)行I-U轉(zhuǎn)換,將電流信號轉(zhuǎn)換成芯片引腳能夠識別的電壓信號,發(fā)送給主控制器,對輸出的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2.4 羊只身份信息識別單元

羊只身份信息識別單元由控制器、射頻識別器及安裝在羊只耳朵上的耳標(biāo)組成,控制器芯片選用STM32F103RBT6芯片,自主設(shè)計電路板。

羊只耳標(biāo)中的信息包括羊只編號和質(zhì)量,稱重臺內(nèi)部兩側(cè)均安裝射頻識別器。羊只進(jìn)入稱重臺后,壓力傳感器采集羊只質(zhì)量數(shù)據(jù),同時射頻識別器讀取羊只耳標(biāo)中的信息,控制器將讀取的羊只信息通過485總線發(fā)送給主控制器;主控制器處理完數(shù)據(jù)后,通過LCD顯示屏顯示羊只編號和稱量的質(zhì)量信息,并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊D卡中進(jìn)行存儲,以便工作人員調(diào)用;同時,最新測量的羊只質(zhì)量數(shù)據(jù)會通過射頻識別器更新到羊只耳標(biāo)中。

2.5 顯示與操作單元

顯示與操作單元包括LCD顯示屏及用于操作的矩陣鍵盤。LCD顯示屏通過串口與主控制器進(jìn)行通訊,工作人員通過此部分對系統(tǒng)進(jìn)行操作,在整個系統(tǒng)運行之前,工作人員要對系統(tǒng)進(jìn)行分群重量參數(shù)的設(shè)定。系統(tǒng)有3個分欄,需要設(shè)定兩個分群質(zhì)量參數(shù),通過顯示與操作單元輸入要設(shè)定的分群質(zhì)量參數(shù);主控制器對分群質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行保存,在后續(xù)的羊只稱重中與測量的羊只質(zhì)量進(jìn)行對比,確定羊只應(yīng)進(jìn)入的分欄,控制系統(tǒng)各部分作出相應(yīng)動作;主控制器在處理各傳感器采集的數(shù)據(jù)后,會在LCD顯示屏上顯示出羊只的質(zhì)量、羊只編號及系統(tǒng)各部分的運行情況,以便工作人員查看,隨時掌握系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2.6 遙控單元

遙控單元包括控制器、矩陣按鍵、無線通訊模塊及鋰電池,控制器芯片選用STM32F103RBT6芯片,自主設(shè)計電路板。由于系統(tǒng)較為復(fù)雜,需要控制的部分較多,為了防止系統(tǒng)在運行過程中發(fā)生故障燈原因,設(shè)計了遙控單元。遙控器具有系統(tǒng)最高的控制權(quán)限,在整個系統(tǒng)運行前工作人員可以通過手持遙控器對系統(tǒng)進(jìn)行檢驗,查看系統(tǒng)是否能正常運行。在系統(tǒng)運行過程中,若出現(xiàn)故障或運行錯誤,可以用遙控器控制系統(tǒng)運行狀況,排出故障和糾正錯誤。遙控器與主控制器之間,通過無線通訊模塊進(jìn)行通訊,與主控制器之間時刻進(jìn)行一個字節(jié)的傳輸,不同的按鍵代表不同的字節(jié),對應(yīng)著相應(yīng)要執(zhí)行的功能。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個控制系統(tǒng)中單片機(jī)的軟件部分都是通過Keil軟件開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行編譯,用C語言編寫程序后下載到單片機(jī)中進(jìn)行調(diào)試[9]。系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示。

整個系統(tǒng)開始運行前,系統(tǒng)內(nèi)部各單元會進(jìn)行初始化設(shè)定,包括各個控制器內(nèi)部時鐘、串口初始化及各傳感器的初始化;初始化完成后,工作人員通過顯示與操作單元,設(shè)定羊只分群的質(zhì)量參數(shù),保存到主控制器中;整個系統(tǒng)開始運行,稱重臺入口門打開,處于可稱重狀態(tài),等待羊只進(jìn)入稱重臺。

當(dāng)稱重臺入口門的紅外傳感器檢測到有羊只進(jìn)入稱重臺后,主控制器向稱重臺入口門的氣閥門控制器發(fā)送指令,關(guān)閉稱重臺入口門,壓力傳感器開始采集羊只質(zhì)量數(shù)據(jù)。由于羊只上下稱重臺時會發(fā)生跑動、顛簸等動作,壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)并不平穩(wěn),在軟件設(shè)計中只采集信號相對平穩(wěn)的中間時段信號作為有用的質(zhì)量數(shù)據(jù),且采用取均值的方法保留相對精準(zhǔn)的測量信號;信號經(jīng)過硬件電路濾波、放大、轉(zhuǎn)換等處理后,通過算法處理將采集的信號轉(zhuǎn)換成質(zhì)量數(shù)據(jù)。由于壓力傳感器存在非線性度問題,導(dǎo)致輸入值與輸出值之間并不是一個嚴(yán)格的線性關(guān)系,在設(shè)計中采用曲線擬合法對壓力傳感器進(jìn)行非線性的校正[10],擬合出壓力傳感器采集的電壓和羊只質(zhì)量之間的回歸方程,將壓力傳感器采集的電壓信號,通過算法轉(zhuǎn)換成羊只質(zhì)量數(shù)據(jù)。

在壓力傳感器采集羊只質(zhì)量數(shù)據(jù)時,稱重臺內(nèi)部兩側(cè)的射頻識別器同時開始工作,讀取羊只耳標(biāo)中的信息,通過控制器將羊只信息發(fā)送給主控制器;待壓力傳感器采集完羊只重量數(shù)據(jù)后,通過射頻識別器在將本次測量的羊只質(zhì)量數(shù)據(jù)更新到羊只的耳標(biāo)中。

在羊只稱重和羊只身份信息讀取操作完成后,主控制器將測量的羊只質(zhì)量數(shù)據(jù),與預(yù)先設(shè)定的羊只分群參數(shù)進(jìn)行對比,確定出該羊只應(yīng)進(jìn)入的分欄,并發(fā)送控制信號給該分欄對應(yīng)的氣閥門控制器及稱重臺出口門的氣閥門控制器;控制稱重臺出口門和羊只應(yīng)進(jìn)入的分欄門打開,通過該分欄門上安裝的紅外傳感器確認(rèn)羊只是否離開稱重臺進(jìn)入相應(yīng)分欄。

主控制器在處理傳感器采集的信號時,會將測量的羊只質(zhì)量、羊只身份信息及羊只進(jìn)入的分欄等相關(guān)信息顯示到LCD顯示屏上,以便工作人員查看。

4 試驗與結(jié)果分析

為了檢驗裝置的功能性及系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,將控制系統(tǒng)連接后進(jìn)行試驗,試驗前先用較為精準(zhǔn)的電子秤提前稱量羊群中每只羊的質(zhì)量,做為羊只的實際質(zhì)量,與裝置稱量的羊只質(zhì)量進(jìn)行對比,判斷裝置稱重和羊只分群的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)運行前,設(shè)定羊只分群的質(zhì)量參數(shù),因本次試驗羊只較多,質(zhì)量范圍大,設(shè)定的羊只分群參數(shù)分別為40kg和60kg。由于羊只較多,提取部分?jǐn)?shù)據(jù)作為參考驗證本次試驗,將測量的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,如圖4所示。

圖4 稱量質(zhì)量與實際質(zhì)量對比圖Fig.4 Comparison of weight and actual weight

表1為部分試驗數(shù)據(jù)。

表1 實驗數(shù)據(jù)匯總Table 1 Experimental data aggregation

通過試驗分析可知:裝置稱量的羊只質(zhì)量與羊只的實際質(zhì)量基本一致,稱量后根據(jù)羊只質(zhì)量將羊只分群準(zhǔn)確,驗證了裝置中控制系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及裝置稱重部分和分群部分的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

設(shè)計并實現(xiàn)了一種以單片機(jī)為控制器核心對養(yǎng)殖的羊只進(jìn)行自動稱重并根據(jù)稱量的質(zhì)量實行分群管理的智能化養(yǎng)殖裝置。所設(shè)計的控制系統(tǒng)安全可靠,裝置運行穩(wěn)定。與傳統(tǒng)的人工稱重相比,極大地提高了稱重效率,降低了人工的勞動強(qiáng)度,因此自動稱重等智能化養(yǎng)殖裝置有著廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。本裝置中的控制系統(tǒng)作為養(yǎng)殖業(yè)中自動稱重與分群設(shè)備的研究,證明了自動稱重與分群設(shè)備的可行性,為后續(xù)相似的智能化養(yǎng)殖裝置的研究提供了借鑒與參考。