基于加速度傳感器的豬舍刮糞板運行狀態(tài)監(jiān)測裝置設(shè)計與仿真

胡振楠 孫紅敏 李曉明

摘 要：豬舍刮糞板在運行過程中可能存在清理不徹底、糞道內(nèi)異物阻礙刮糞板運行、刮糞板損毀等工作人員難以監(jiān)測的問題，因此設(shè)計一種基于加速度傳感器的刮糞板運行狀態(tài)監(jiān)測裝置，并通過MATLAB進行仿真。通過MPU6050傳感器獲得當前狀態(tài)下刮糞板的姿態(tài)角，采集正常狀態(tài)下運行數(shù)據(jù)并運用中值濾波算法消除異常角度波動，由此確定閾值，根據(jù)不同角度閾值將刮糞板狀態(tài)不同故障類型和等級，通過判斷運行時刮糞板各與其對應(yīng)閾值的關(guān)系完成對故障的識別和警報。依據(jù)預定義的刮糞板運行狀態(tài)進行MATLAB仿真測試，獲得了96.1%的平均準確率。仿真實驗表明本裝置可用于實際作業(yè)狀態(tài)下對豬舍刮糞板狀態(tài)的監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：豬舍刮糞板運行狀態(tài);MPU6050傳感器;故障檢測;中值濾波;MATLAB仿真

引言

隨著養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)化的興起，規(guī)模化養(yǎng)豬場越來越多，也越來越大，隨之帶來的是污糞的清理問題，當前，豬場常用的清糞方式包括水沖式清糞、水泡糞清糞、干清糞[1]。其中干清糞為主流清糞方式，干清糞模式是將動物的糞便和尿液在清理過程中進行分離，然后再進行集中堆放和轉(zhuǎn)運處理，通常有人工方式和機械方式2種，現(xiàn)代化豬場采用機械式刮糞板清糞系統(tǒng)，其與其他清糞模式相比更有利于節(jié)省資源和保護環(huán)境[2]。然而，當前刮糞板式清糞仍存在一些不可忽視的問題，刮板在刮除糞污過程中可能存在運行異常，如刮板左右傾角過大而導致清理不徹底、糞道內(nèi)異物影響刮板前進等情況，異常運行狀態(tài)下會導致清理不徹底，嚴重時可能導致設(shè)備損毀，這是影響刮糞設(shè)備使用壽命的重要因素。本文旨在設(shè)計一種豬舍刮糞板狀態(tài)監(jiān)測裝置，可在工人無法觀測到的情況下準確識別故障，在刮糞設(shè)備運行過程中實時監(jiān)控設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)，并可在故障發(fā)生時及時將信息反饋給工作人員，達到及時發(fā)現(xiàn)及時處理，能在工作人員觀察不到的地方發(fā)現(xiàn)故障并預警，排除潛在故障的可能、提高污糞清理設(shè)備的可靠性以及使用壽命。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與硬件連接

系統(tǒng)硬件設(shè)備分別由STM32單片機、加速度傳感器、無線通信模塊、液晶顯示屏、警報器、供電電源組成，其材料具體信息如表1所示。

主控芯片采用STM32F103，該芯片屬于中低端的32位ARM微控制器，是意法半導體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex—M3。芯片集成定時器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多種功能[3]。

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊為NEF24L01，NRF24L01是由 NORDIC 生產(chǎn)的工作在 2.4～2.5GHz 的 ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片， NRF24L01 采用 SPI 通信，可以實現(xiàn)點對點或是1對多的無線傳輸，通信速度最高可達到2Mbps。輸出功率頻道的選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過 SPI 接口設(shè)置，可以連接到大多數(shù)的單片機芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工作[4]。

加速度傳感器采用MPU6050型號， MPU6050加速度傳感器模塊集成了三軸陀螺儀傳感器和三軸加速度傳感器，分別用了3個 16 位的ADC[5]，并有1個可擴展的數(shù)字處理器（DMP），可將其檢測到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，MPU6050傳感器模塊可控制測量范圍，提取不同速度的運動參數(shù)。通過得到的加速度和角速度能計算出歐拉角，且STM32可通過IIC總線獲取傳感器的數(shù)據(jù)值，誤差小，精度高[6]。

液晶顯示屏采用帶有ILI9341芯片控制的液晶屏，故障發(fā)生時通過液晶屏顯示出故障類型和相關(guān)信息，該芯片核心部分是位于中間的 GRAM（Graphics RAM），即顯存[7]。GRAM 中每個存儲單元對應(yīng)液晶面板中的1個像素點，由自身其他模塊共同把 GRAM 存儲單元的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成液晶面板的控制信號，最終顯示程序設(shè)定的信息。

報警模塊通過簡單的蜂鳴器實現(xiàn)，當單片機收檢測都存在故障時，控制 PNP 型三極管導通[8]，使蜂鳴器發(fā)聲報警。

供電電源選擇為鋰電池供電方式，電源模塊為2組2節(jié)串聯(lián)的鋰電池，分別為主從設(shè)備供電，2節(jié)鋰電池串聯(lián)提供7.4V電源經(jīng)L298N升壓到12V，再經(jīng)其轉(zhuǎn)換輸出電壓為3.3V為設(shè)備中各模塊供電。

豬舍刮糞板狀態(tài)監(jiān)測裝置硬件框圖如圖1所示。

1.2 實驗設(shè)計

基于上述硬件系統(tǒng)，通過對MPU6050采集的數(shù)據(jù)進行姿態(tài)解算獲得刮糞板運行的實時角度數(shù)據(jù)，利用中值濾波算法進行數(shù)據(jù)處理，獲得較為合理的閾值，在此閾值的基礎(chǔ)上，對故障進行分類劃級，驗證本裝置在應(yīng)用中值濾波算法的基礎(chǔ)上對故障類型識別的可靠性。

為了保證取得中值的便利性，一般n所取的長度都是奇數(shù)，在本次試驗中每秒鐘可獲得10次角度數(shù)據(jù)，取n，即每0.5s取1次數(shù)據(jù)，此條件下滿足中值濾波條件，且檢測時間間隔也較為合理。根據(jù)中值濾波原理，針對角度的中值濾波步驟如下。

連續(xù)采集n個角度值并進行排序;將中間值返回作為本次有效數(shù)據(jù)。

中值濾波的優(yōu)點在于通過中值濾波得到的數(shù)據(jù)總是可以在輸入的原始角度數(shù)據(jù)中找到，不增加新的數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)分析的準確性。

角度檢測的過程中存在偶然因素引起的短時間內(nèi)角度巨幅波動，對閾值的選取可能帶來巨大誤差，中值濾波方法能有效排除這種由偶然因素產(chǎn)生的波動，最終使閾值貼近真實數(shù)據(jù)。

下圖為通過中值濾波處理過的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的對比圖，如圖2所示。

原始數(shù)據(jù)在4.5～5s、5～5.5s、7.5s出現(xiàn)巨幅波動，這種情況由偶然因素引起，濾波后使得角度值更貼近真實值，使用中值濾波的作用在于使得閾值確定更為真實、合理、準確，以免閾值取得過高，在故障發(fā)生時不能有效的予以檢測警報。

1.2.3 確定閾值

閾值的確定是故障檢測的前提，基于MPU6050姿態(tài)解算獲取的實時角度數(shù)據(jù)和中值濾波處理，可以獲取一組正常運行狀態(tài)的橫滾角（R）、俯仰角（P）、偏航角（Y）的波動范圍，正常運行狀態(tài)下R、P、Y均在±5°內(nèi)波動。正常運行狀態(tài)下的3個角度的數(shù)據(jù)20組，取每組R、P、Y波動的最大范圍作為每組的閾值，最后取各角平均閾值作為最終閾值，其中橫滾角的閾值為HR=±4.9°、俯仰角的閾值為HP=±4.7°、偏航角的閾值為HY=±4.9°。

以橫滾角為例，正常與故障狀態(tài)下橫滾角變化的情況如圖3。

在運行過程中，橫滾角在4～5.5s、6.5～7.5s間出現(xiàn)正向傾斜，其傾角超過閾值，在5.5～6.5s角出現(xiàn)反向傾斜，其傾角超過閾值，此種情況應(yīng)發(fā)出警報。

2 系統(tǒng)仿真與結(jié)果

在本次實驗中，研究對象為刮糞板，參數(shù)為該刮糞板運行時的橫滾角（R），俯仰角（P），和偏航角（Y），對于每個角度都對其設(shè)置了相應(yīng)的閾值，分別為HR、HP、HY，超過閾值范圍則處于異常狀態(tài)，由此，不同的角度組合出來的故障類型也各不相同，為了在發(fā)出警報時能反饋準確的故障信息，將故障進行分類劃級，詳細如表2。

不同的角度異常引起的故障也各不相同，嚴重程度也不相同，對此，將故障細分為7種類型3個等級，其中污糞清理不徹底為第3等級，糞道下由異物阻礙刮糞板運行為第2級，出現(xiàn)嚴重故障為第1級別，針對不同等級故障予以不同類型的警報方式。

對應(yīng)上表不同運行狀態(tài)下各角的波動如圖4所示。

根據(jù)上述存在的各類運行狀態(tài)，我們?yōu)闄z測設(shè)備設(shè)計故障分類器，輸入當前狀態(tài)下各角度值，經(jīng)分類5所示。

本系統(tǒng)包含主從設(shè)備，其中從設(shè)備負責采集傳感器信息并通過姿態(tài)解算獲得當前狀態(tài)下的角度值，將數(shù)據(jù)發(fā)送至主設(shè)備，主設(shè)備經(jīng)初始化后設(shè)置各角閾值，然后不斷接收數(shù)據(jù)，經(jīng)中值濾波器處理獲得較為準確的角度值，再經(jīng)故障分類器進行故障分類，對不同類型故障類型給出不同處理方式，如果是1級故障則立即響起警報，如是其他類型故障則記錄相應(yīng)故障類型和故障位置，待運行結(jié)束后將故障信息通過液晶屏反饋給工作人員，在刮糞板運行過程中，實時角度都會對應(yīng)一個時間t，由此通過設(shè)定電機的轉(zhuǎn)速來確定刮糞板的運行速度v，當故障發(fā)生時，通過s=vt 得知刮糞板出現(xiàn)故障的位置距離s，整個監(jiān)測系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

通過實驗模擬表2中的8種刮糞板運行狀態(tài)，針對每種運行狀態(tài)采集100組角度數(shù)據(jù)，應(yīng)用前文所確定的各角度閾值，利用得到的數(shù)據(jù)進行MATLAB仿真，仿真結(jié)果如表3所示，其中W1～W8對應(yīng)8種狀態(tài)的測試組，W1～W8分別代表正常、故障1至故障7，G1～G8代表8種狀態(tài)的結(jié)果組，G1～G8分別代表正常、故障1至故障7。本次仿真實驗的平均準確率為96.1%。

3 討論與分析

基于仿真結(jié)果，正常狀態(tài)下的測試組檢測為正常的準確率為100%，表明在在實際作業(yè)狀態(tài)下的刮糞板不會將正常狀態(tài)誤報為故障，在W2、W3、W5分別為單個角度故障類型，在此種狀態(tài)下，有96.7%的準確率，有3.3%的概率誤將故障檢測為正常，此種狀態(tài)為3級故障，不影響使用，W4、W6、W7為2級故障狀態(tài)下有94.3%準確率，其1%的概率檢測為正常，4.7%檢測為3級故障，W8狀態(tài)下為99%能檢測到該類故障，其中僅有1%檢測為2級故障，在實際作業(yè)中，該準確率可以滿足作業(yè)要求。但是在此結(jié)果中我們發(fā)現(xiàn)，在測試組G4和G6組，在誤報的幾種類型中，誤報為W3類型較少分別各1例，說明在俯仰角相對于橫滾角和偏航角更不易檢測出來，俯仰角對應(yīng)的閾值設(shè)置偏高，為進一步提高準確率，應(yīng)合理降低該角對應(yīng)的閾值。

4 結(jié)論

本文通過對刮板式刮糞板運行狀態(tài)的研究，對不同的故障狀態(tài)和危害程度予以分類劃級，根據(jù)不同角度的閾值設(shè)計出針對不同故障的檢測裝置，獲得了較高的準確率。隨著我國養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)逐步過渡為規(guī)模化養(yǎng)殖，大量的清糞設(shè)備成為豬場的必需，本裝置能對刮糞板的運行進行狀態(tài)監(jiān)測并能對不同故障予以不同程度的警報，對于清糞設(shè)備的維護和使用具有重要意義。本裝置在準確率方面還有提升空間，需要在后續(xù)的研究中設(shè)計更加準確且合理的閾值確定方法。

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