曹永峰，陳高峰, 2，王飛仁，曾志雄，呂恩利，郭嘉明

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州市，510642； 2. 廣州迦恩科技有限公司，廣州市，511363；3. 廣東機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州市，510550)

0 引言

斷奶后的仔豬喜食粥料，尤其是與母乳物理狀態(tài)較為相似，帶有香甜味和適當腥味的粥料[1-4]。保育階段的仔豬飼喂粥料，具有明顯降低豬群腹瀉率、降低料肉比、減少飼料浪費、提高仔豬生長性能等優(yōu)點[5-9]。在目前規(guī)?；i場中，國外針對液態(tài)飼喂的研究較為深入，德國WEDA公司開發(fā)的全自動液態(tài)飼喂系統(tǒng)，可在飼料中調(diào)整營養(yǎng)補充供給，加快豬只生長速度，但其設(shè)備成本較高。近幾年，國內(nèi)學(xué)者針對生豬飼喂設(shè)備開展了大量研究，黃會男[10]分析了保育豬智能飼喂器的排料性能，得到了飼料顆粒的物性參數(shù)，利用EDEM軟件仿真優(yōu)化得到了較好的排料組合參數(shù)。喬愛民等[11]通過結(jié)合靜態(tài)測量及LS-SVR回歸模型的質(zhì)量遞推補償方法，對粥料器每日的送料量進行質(zhì)量補償，實現(xiàn)了對粥料器日送料量的精確控制。張伏等[12]設(shè)計了仔豬自動精細飼喂系統(tǒng)，并通過豬場應(yīng)用性試驗表明，使用所設(shè)計系統(tǒng)飼喂，在仔豬轉(zhuǎn)欄后第2周與第3周仔豬平均日增重量是人工喂養(yǎng)的2倍。

實現(xiàn)飼喂粥料的方式主要有液態(tài)發(fā)酵式、濕拌料式和水泡料式三種[13-15]。本文以水泡料作為主要方向，從保育豬飼喂標準和采食習(xí)性出發(fā)，設(shè)計了保育豬智能粥料飼喂系統(tǒng)，主要采用嵌入式控制器、食槽液位監(jiān)測裝置、螺旋輸送機搭配雨刮電機；輔助以手持終端、中央控制器及云平臺技術(shù)。搭建了樣機測試平臺，并對關(guān)鍵部件參數(shù)進行正交試驗分析，獲得了最優(yōu)組合參數(shù)，可為規(guī)?；i場保育豬智能化粥料飼喂設(shè)備的研發(fā)提供參考。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計與工作原理

系統(tǒng)總體框架如圖1所示，保育豬智能粥料飼喂系統(tǒng)由機械本體(圖2)、中央控制器、手持終端和云平臺組成。機械本體為供料供水的執(zhí)行機構(gòu)；手持終端為人員與系統(tǒng)的交互工具，可實現(xiàn)豬群信息及飼喂信息的調(diào)整和輸入；中央控制器通過CAN總線通訊的形式來收集各個機械本體的設(shè)備信息、飼喂信息，各類信息在中央控制器界面和云平臺界面集中顯示。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

圖2 機械本體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作原理流程如圖3所示，通過手持終端將飼喂方案輸入到本體控制器中，當?shù)竭_飼喂時間時，本體控制器根據(jù)流量計數(shù)據(jù)判斷供水是否正常。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

正常工作模式下：系統(tǒng)根據(jù)水料比計算水量，通過流量計監(jiān)測供水量，并控制電磁閥開閉完成定量下水。同時排料電機帶動螺旋輸送機進行供料。水和飼料同時進入食槽，飼料在水的浸泡作用下，并結(jié)合豬只的拱動拌成粥料。隨著供水供料量的增加，系統(tǒng)通過余料監(jiān)測裝置識別到滿料狀態(tài)時，停止供水供料。當供料量達到本次設(shè)定料量后，或者未達到本次設(shè)定料量，但只要飼喂時長已經(jīng)達到30 min，設(shè)備便停止工作，結(jié)束本餐次飼喂。無水工作模式下：為了保證仍能完成飼喂工作，系統(tǒng)僅根據(jù)送料電機運行時間計算排料量。當達到設(shè)定料量，或者未達到設(shè)定料量，但飼喂時長已達到50 min，均結(jié)束本餐次飼喂。

2 機械本體關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 螺旋輸送機參數(shù)設(shè)計

機械本體結(jié)構(gòu)中，螺旋輸送機是最核心的部件，根據(jù)儲料倉及整機布置方案，螺旋輸送機布置方式采用縱向布置方案。根據(jù)保育期仔豬單日最大采食量、單臺設(shè)備下飼喂豬只頭數(shù)最大上限、單日總飼喂時長來進行計算單位時間內(nèi)排料量，需供料速度為0.021 6 t/h。螺旋輸送機參數(shù)計算如式(1)[16-17]。

Q=3 600F·ρ·ν·ε

(1)

式中：Q——螺旋輸送機物料輸送速度，t/h；

F——料槽內(nèi)物料層橫截面面積，m2；

ρ——物料密度，t/m3；

ε——傾斜輸送系數(shù)；

ν——物料軸向移動速度，m/s。

通常不考慮物料軸向阻滯的影響，則

ν=S·N/60

(2)

式中：S——螺旋輸送機葉片螺距，m；

N——螺旋轉(zhuǎn)速，r/min。

F=π·φ·D2/4

(3)

式中：φ——填充系數(shù)；

D——螺旋輸送機葉片外徑，m。

螺旋輸送機在輸送物料的過程中，螺旋輸送機轉(zhuǎn)速過高會導(dǎo)致離心力過大，物料向外拋，導(dǎo)致無法輸送，故有n≤nmax。

(4)

式中：nmax——螺旋輸送機的最大轉(zhuǎn)速，即臨界轉(zhuǎn)速，r/min；

A——物料的綜合特性系數(shù)。

(5)

式中：Z1——螺旋輸送機螺距與外直徑的比例系數(shù)，取Z1=0.625。

圖4 螺旋輸送機參數(shù)示意圖

根據(jù)相關(guān)資料[18]，取ε=0.46，φ=0.3，所選物料密度ρ=0.6 t/m3。將上述參數(shù)代入式(5)得D≥32.68 mm，故取D=40 mm，S=25 mm。絞龍軸直徑

d=α·D

(6)

α一般取值為0.2～0.35，故d取值范圍為8～14 mm，根據(jù)螺旋輸送機標準件參數(shù)，取d為12 mm。

2.2 破拱結(jié)構(gòu)設(shè)計

排料過程中，儲料倉內(nèi)由于飼料顆粒之間的黏結(jié)性和摩擦阻力，顆粒料吸潮或靜電作用，飼料顆粒之間、飼料顆粒與倉壁之間的黏附力增加，粘附在壁面形成料拱[19-20]。為避免飼料結(jié)拱，在螺旋輸送機上方設(shè)計兩個剛性結(jié)構(gòu)來破壞料拱，在轉(zhuǎn)動過程中，上破拱結(jié)構(gòu)可擾動儲料倉中上部的飼料，下破拱結(jié)構(gòu)可擾動排料口附近的飼料。在上下破拱結(jié)構(gòu)的作用下，整個儲料倉內(nèi)飼料一直處于被動態(tài)擾動的狀態(tài)，無法粘結(jié)成料拱?？杀ＷC倉內(nèi)飼料排料順暢，避免飼料粘附倉壁的現(xiàn)象。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 破拱結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 供水系統(tǒng)設(shè)計

粥料機的供水系統(tǒng)主要包括：手閥、過濾器、流量計、電磁閥及噴水頭等。電磁閥和流量計選用型號為WFS-E-NP006S-4一體閥，一體閥流量計流量精度為2～20 L/min±5%。供水系統(tǒng)示意如圖6所示。經(jīng)過濾器過濾，可避免雜質(zhì)進入流量計和電磁閥，導(dǎo)致部件工作失效。噴水頭周向共有6個出水口，水由各出水口噴出，進入食槽與飼料混合，實現(xiàn)水泡料的目的。在排料過程中，排料口下方存在豬只接觸不到的區(qū)域，長時間會出現(xiàn)飼料黏結(jié)，噴水頭在出水過程中，可實現(xiàn)清洗落料口下方食槽上積料的功能，保證食槽內(nèi)衛(wèi)生。

圖6 供水系統(tǒng)示意圖

2.4 食槽液位監(jiān)測裝置設(shè)計

食槽液位監(jiān)測裝置工作原理為：探針底部接觸到水料液面時，探針通過水料液體介質(zhì)與不銹鋼食槽導(dǎo)通，搭鐵線和探針線間形成閉合回路，閉合信號反饋到本體控制器，控制器判定為食槽料滿，停止下水下料工作。裝置工作示意圖如圖7所示。

圖7 余料監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)硬件

本體控制器采用STM32嵌入式技術(shù)，主芯片型號為STM32F103ZET6，其增強型72 MHz的主頻和大容量高速存儲器保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。利用A/D采集電路通過較高分辨率的霍爾傳感器對系統(tǒng)水流量進行實時監(jiān)測和統(tǒng)計，同時配有相關(guān)的電路模塊如串行通信、數(shù)據(jù)存儲電路等，便于相關(guān)飼喂數(shù)據(jù)在上傳中央控制器前進行暫存。

3.1.1 控制系統(tǒng)主電源電路

控制系統(tǒng)主電源電路如圖8所示。

圖8 主電源電路圖

系統(tǒng)主電源由24 VDC開關(guān)電源提供，為提高系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性能，設(shè)計了以單片集成開關(guān)芯片LM2596為核心的隔離DC/DC系統(tǒng)主電源。LM2596可提供150 kHz的固定開關(guān)頻率，共有24 V、5 V、3.3 V三路電源，24 V用于為電機、一體閥執(zhí)行部件進行供電，5 V用于各類模擬電路供電；并通過AMS1117-3.3轉(zhuǎn)換輸出電壓為3.3 V的正向低壓，用于為STM32F10-3ZET6在內(nèi)的數(shù)字電路供電。

3.1.2 通訊控制電路

系統(tǒng)通訊接口主要有RS-232串口通信、CAN總線通信、WIFI模塊通訊和A/D采集和控制輸出電路等。系統(tǒng)通過WIFI模塊與手持終端進行通訊；RS-232為薄膜按鍵板通訊接口，可進行單臺設(shè)備的簡單按鍵操作；CAN總線與中央控制器通訊，完成信息采集和上傳。通訊控制電路如圖9所示，RS-232通訊電路中采用MAX3232芯片，電路采用3.3 V電源供電，以確保在120 kbit/s數(shù)據(jù)速率下維持RS-232輸出電平。CAN總線通訊電路中設(shè)計有ISO1050DUBR電鍍隔離CAN轉(zhuǎn)發(fā)器，擁有高達1 Mbit/s的傳輸速率，保證了多臺設(shè)備向中央控制器數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α?/p>

圖9 通訊模塊控制電路

3.1.3 電機控制電路

電機控制電路如圖10所示。系統(tǒng)選用的驅(qū)動電機為直流雨刮電機，關(guān)鍵參數(shù)為：80 W，DC24 V，轉(zhuǎn)矩39 N·m，30 r/min，粥料機設(shè)計滿載40 kg儲料量，故選用較大轉(zhuǎn)矩的電機進行驅(qū)動。同樣控制驅(qū)動電機的IO口驅(qū)動能力必須選用較大的驅(qū)動電流，采用IRF530電機驅(qū)動芯片，以達到電機的驅(qū)動功率。電路中設(shè)計有型號為TLP-521-1XSM的光電耦合器，最大隔離電壓為2 500 Vrms(Vrms為交流電壓的有效值)，用于減小電壓的干擾，增強電路的安全性。

圖10 電機控制電路

3.2 人機交互界面設(shè)計

人機交互界面設(shè)計主要包括手持終端和中央控制器界面。手持終端可將豬群信息及飼喂信息通過WIFI無線傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，如豬只頭數(shù)、日齡、欄位信息及水料比等；實現(xiàn)了人員與設(shè)備非必要不接觸，增加了養(yǎng)殖生物安全等級。中央控制器以CAN總線通訊的形式來收集各個設(shè)備的設(shè)備信息、飼喂信息，如：故障信息、豬只信息和飼料消耗信息。中央控制器所收集各類信息，通過4G模塊上傳云平臺集中顯示。

4 粥料機性能試驗

4.1 粥料機排料性能試驗

4.1.1 試驗方案

為測試機械本體的排料性能，搭建如圖11所示的試驗平臺。試驗平臺包括：機械本體、數(shù)字電子秤、穩(wěn)壓電源、轉(zhuǎn)數(shù)傳感器和轉(zhuǎn)數(shù)數(shù)顯記錄儀。試驗使用飼料密度為0.6 t/m3，平均顆粒直徑為2.79 mm，粉末率為5.42%。以排料通道內(nèi)徑D1值、絞龍安裝高度E值和破拱結(jié)構(gòu)形式作為試驗因素，以填充效率λ值(螺旋輸送機旋轉(zhuǎn)一圈所排出的物料質(zhì)量)為評價指標，進行正交試驗，設(shè)定試驗因素水平如表1所示。

(a) 示意圖

表1 因素水平對照表

試驗用飼料拆袋后用2 mm孔徑篩進行篩除粉末料，每次從篩選出來的飼料中稱取10 kg顆粒料加入儲料倉。試驗前上電開機預(yù)運行，使飼料顆粒充滿螺旋輸送機葉片空間，轉(zhuǎn)數(shù)器清零，數(shù)字秤去皮校準。上電啟動開始試驗，當數(shù)字秤顯示實時重量為990～1 000 g 時，斷電停止試驗。記錄排料重量、電機轉(zhuǎn)數(shù)和時間，即完成一次試驗。按照此試驗方法重復(fù)進行，直至儲料倉內(nèi)顆粒料全部排出，結(jié)束本組試驗。

4.1.2 試驗結(jié)果與分析

填充效率λ值直接影響到排料機構(gòu)的排料效率，填充效率越高、越穩(wěn)定，排料性能越好。將表2的試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS軟件中進行方差分析[21]。分析結(jié)果如表3所示，絞龍安裝高度和破拱形式對填充效率影響極顯著(P<0.01)；排料通道內(nèi)徑對填充效率影響顯著(P<0.05)。對填充效率影響最大的因素是破拱形式，其次是螺旋輸送機安裝高度，排料通道內(nèi)徑的影響最小。無破拱結(jié)構(gòu)的情況下，會導(dǎo)致顆粒料在進料口附近黏結(jié)結(jié)拱，導(dǎo)致顆粒料進入螺旋輸送機的速度降低，上下破拱結(jié)構(gòu)相結(jié)合的形式，排料過程無阻塞，填充效率較高。螺旋輸送機頂部螺旋葉片安裝太靠近進料口時，顆粒料進入螺旋輸送機葉片效率低，導(dǎo)致填充效率較低。

表2 試驗方案與結(jié)果

表3 方差分析表

進行Duncan多重比較分析得到，如表4、表5和表6所示數(shù)據(jù)，“A”因素3水平最好，“C因素”3水平最好，“B”因素影響程度比較小?！癇”因素中，1水平和3水平之間差異不顯著，3水平和2水平之間差異不顯著，1水平和2水平之間差異顯著，其λ值最大時為2水平。

表4 因素A對λ值影響的Duncan多重比較表

表5 因素B對λ值影響的Duncan多重比較表

表6 因素C對λ值影響的Duncan多重比較表

故最優(yōu)組合為A3B2C3，即當E值為60 mm，D1值為42 mm，破拱形式為上下破拱結(jié)構(gòu)相結(jié)合的形式下，填充效率λ值最大，即該參數(shù)組合為最優(yōu)組合，使用最優(yōu)組合參數(shù)測試得到填充效率λ值為14.2 g/r。

4.2 水量精度及液位監(jiān)測效果試驗

4.2.1 水量精度修正試驗

保育豬粥料飼喂系統(tǒng)中，供水精度直接影響到粥料效果，進而影響到飼喂效果，故精準供水在整個系統(tǒng)中是非常關(guān)鍵的。對比控制系統(tǒng)的理論下水量和實際排出的水量，得到水量誤差為11.19%，本體控制器通過控制電磁閥的開啟時間，來控制供水量。故可通過縮短原有電磁閥的開啟時間來進行修正。試驗表明，以式(7)作修正后，誤差為1.43%。如圖12所示為修正前后與理論水量曲線對比。

圖12 供水精度修正前后對比

T1=(1-0.111 9)T0

(7)

式中：T0——修正前開啟時間，s；

T1——修正后開啟時間，s。

修正前較理論水量，水量多出35 mL左右，修正后曲線基本浮動于理論水量上下，通過修正為系統(tǒng)提供了更精準的水量。

4.2.2 食槽液位監(jiān)測性能試驗

通過在食槽中調(diào)配不同水料比的粥料，進行食槽液位監(jiān)測裝置的效果試驗(圖13)。試驗結(jié)果表明：當水料比≥1.5∶1時，粥料有水析出的狀態(tài)下，探針同食槽間形成閉合回路，控制器可判斷為食槽料滿，停止下水下料。水料比在1.5∶1和1∶1之間時，較為黏稠，探針需插入黏稠的料內(nèi)，才能形成閉合回路，無法滿足工作要求；當水料比<1∶1時，食槽內(nèi)飼料浸泡效果較差，同樣無法滿足工作要求。

圖13 臨界點粥料狀態(tài)

5 結(jié)論

1) 為實現(xiàn)保育豬飼喂粥料，降低飼喂成本，節(jié)省人工，本文設(shè)計了保育豬智能粥料飼喂系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括機械本體、手持終端、中央控制器和云平臺四部分。系統(tǒng)操作便捷，運行穩(wěn)定可靠，可滿足保育豬飼喂需求。

2) 通過搭建樣機試驗平臺，進行關(guān)鍵部件參數(shù)試驗。試驗結(jié)果表明，螺旋輸送機安裝高度為60 mm，排料通道內(nèi)徑42 mm，破拱結(jié)構(gòu)采用上下破拱結(jié)構(gòu)結(jié)合的形式，螺旋輸送機填充效率最佳，該參數(shù)組合下λ值為14.2 g/r，且整個儲料倉壁面無結(jié)拱現(xiàn)象。

3) 通過供水精度修正試驗，提高了系統(tǒng)供水精度，修正后誤差為1.43%。使用不同水料比的粥料，測試食槽液位監(jiān)測裝置得到，當水料比≥1.5∶1時，滿足系統(tǒng)工作要求。