韓甲文，張燕軍，繆 宏，張善文，戴 敏

(揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 22500)

0 引 言

我國是世界上種鵝養(yǎng)殖規(guī)模最大、歷史最久的國家[1]。近年來，我國鵝蛋孵化行業(yè)發(fā)展穩(wěn)定，雛鵝孵化量從2014 年的4.58 億只增加到2018 年的6.47億只，排名世界第一[2]。相比之下，鵝種蛋孵化過程中種鵝飼養(yǎng)精細化程度低，環(huán)境差、觀察頻率低、鵝種蛋存活率低，鵝育種孵化技術還較為落后[3]?；诖耍岢鳄Z種蛋孵化質量監(jiān)測調控技術，通過環(huán)境調控設備（通風、溫控、凈化等設備）與規(guī)?；趸h(huán)境的時空變換特征的智能融合，建立種鵝孵化環(huán)境的數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)持久及數(shù)據(jù)運用的資源耦合關系模型，解決了鵝種蛋孵化環(huán)境的感知問題，可避免鵝種蛋大規(guī)模死胎，進而影響到種鵝養(yǎng)殖的收益。

1 種蛋孵化監(jiān)測一體化技術研究

配置基于ZigBee 通訊模塊的溫度、濕度、光照傳感器對環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集，通過研究種蛋的時序空間規(guī)律分析判斷鵝種蛋環(huán)境的適宜度，通過建立鵝種蛋孵化箱環(huán)境參數(shù)與鵝種蛋孵化質量的預測分析模擬模型以及基于孵化天數(shù)和鵝蛋種類的調控決策處方對溫度、濕度、光照進行智能優(yōu)化監(jiān)測調控，同時保證蛋槽的行列間距穩(wěn)定，限制鵝蛋自由度，避免脫落，并控制蛋槽的Sphere 曲面運動和通風口的阿基米德螺旋線的勻熱協(xié)調的轉動性能，通過氣體矢量輸送及蛋槽智能機械化運動相協(xié)調實現(xiàn)種蛋的勻熱孵化。由物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)管控孵化室環(huán)境信息，其軟件界面反饋參數(shù)如溫度、濕度、種類、孵化天數(shù)，如圖1 所示。

圖1 基于環(huán)境參數(shù)與胚胎光照圖像反饋的鵝種蛋孵化精準控制系統(tǒng)

通過采集光照鵝種蛋圖像，分析鵝蛋在400 ～800 nm 波長范圍內新鮮度與光特性的對應關系及健康鵝蛋所對應的敏感波長，根據(jù)透射種蛋胚胎的光影產(chǎn)生反射、吸收、透射、漫射后產(chǎn)生的頻譜分布和強弱的不同，將鵝蛋分為新鮮蛋、散黃蛋、搭殼蛋、腐臭蛋、胚胎發(fā)育蛋、無精蛋等類型，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡對種蛋內部圖像像素集進行機器學習分類，選擇合適的神經(jīng)元權重與偏移量，在保證準確率的同時提高檢測效率。完成優(yōu)質鵝種蛋孵化及其活性監(jiān)測，如圖2 所示，該孵化箱內擋板與蛋槽間隔放置，每個擋板的下端正中央放置圖像采集設備；嵌入式系統(tǒng)的視頻輸入端連接在攝像機的輸出端，同時存儲分析計算機與嵌入式系統(tǒng)的輸出端相連；每個擋板的上部放置聚焦燈，將待檢測種蛋放置于蛋槽中鏡頭對準蛋槽上的全體種蛋，聚焦燈光室居于種蛋的下方，計算機獲得采集到的圖像，通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡對胚胎色值圖像進行種類識別，提高種蛋發(fā)育情況的統(tǒng)計率和準確率，可依據(jù)統(tǒng)計情況有效改善優(yōu)化種蛋發(fā)育環(huán)境，實現(xiàn)鵝種蛋胚胎發(fā)育情況實時檢測以及在線快速連續(xù)調節(jié)孵化箱環(huán)境以實現(xiàn)優(yōu)質高產(chǎn)孵化。

圖2 孵化箱光照胚胎發(fā)育監(jiān)測系統(tǒng)設備

2 結 語

本文提出一種種蛋孵化環(huán)境監(jiān)測調控關鍵技術，研究鵝種蛋孵化過程中胚胎發(fā)育健康與環(huán)境參數(shù)的匹配設計，優(yōu)化種鵝孵化環(huán)境并配置送風器、蛋槽、聚焦燈和圖像采集設備的選型。研發(fā)基于多通道融合技術的實時監(jiān)測與智能化控制系統(tǒng)，采用結構化編程中嵌入式開發(fā)技術與總線技術相結合的協(xié)同配置機制，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、亮度、氨氣、氧氣、二氧化碳、硫化氫、空氣顆粒物等）的精準監(jiān)測和智能控制、通過合理配置傳感器和環(huán)境調控設備（通風、溫控、凈化等設備）的數(shù)量和安裝方位，結合規(guī)?；趸h(huán)境的時空特征模型，設計孵化環(huán)境的高效精準調控策略，采用單片機構成系統(tǒng)主控制器，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術，開發(fā)基于多源數(shù)據(jù)的孵化環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括溫度、濕度、CO2、NH3、H2S、光照、空氣顆粒耦合的傳感器實時檢測模塊，通風、溫控、凈化三位一體的環(huán)境調控設備、記錄鵝蛋孵化環(huán)境時序變換的模型的數(shù)據(jù)庫拓撲系統(tǒng)。其工作時加熱設備的起停由單片機控制繼電器的開關實現(xiàn)，以溫度調節(jié)和通風氣流強度建立濕度控制關系，實現(xiàn)溫度、濕度、氣流、塵埃三位一體的云管控技術，建立自適應的特征參數(shù)在線整定機制，實現(xiàn)對孵化全周期內各個時間段環(huán)境質量參數(shù)以及各個體重區(qū)間環(huán)境影響系數(shù)優(yōu)化，保障鵝蛋優(yōu)質環(huán)境內PM2.5濃度＜4 mg/m3、CO2濃度＜1 500 mg/m3、H2S 濃度＜10 mg/m3、NH3濃度＜15 mg/m3，優(yōu)化環(huán)境溫度值36~38 ℃，濕度值80‰~95‰，光照強度為1 200 ~1 500 Lx，鵝蛋表面熱通量178～215 W/m2，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡識別鵝孵化種蛋類型控制誤差≤5%，鵝孵化種蛋統(tǒng)計率≥98%。根據(jù)數(shù)據(jù)庫預測模型進行溫度調節(jié)，溫度誤差±0.1 ℃，濕度誤差0.1%，光照誤差±10 Lx，熱通量誤差±1 W/m2，保證了鵝蛋定點定量的精準控制。