規模化養殖場的羊只智能稱重分欄系統設計

孫建英 宣傳忠 于文波 郝 敏 朱曉波

(內蒙古農業大學 機電工程學院/內蒙古自治區草業與養殖業智能裝備工程技術研究中心，呼和浩特 010018)

北方地區是我國重要的畜牧業生產基地，養羊業在經濟發展中有著舉足輕重的作用，成為畜牧業的重要組成部分[1]。但是長期以來靠天養畜和粗放經營形成的養羊舊體系已經不能適應當前經濟的發展，且國人的食品消費結構正在快速變化中，對肉食特別是羊肉的消費需求正在快速增長，使得肉羊生產模式從傳統放牧型向集中舍飼型轉變，并不斷向集約化、規模化和標準化方向發展[2-3]。傳統的人工管理方式已經無法適應肉羊產業快速發展的需求，養殖規模不斷擴大，養殖場需要測定和分析的數據越來越多，設計開發智能化的養羊裝備，利用先進的智能化實現羊場現代化管理，是當前規模化養羊業的發展趨勢[4]。

規模化舍飼養殖可以提高養羊業的生產效率，不但要求養殖戶掌握科學的養殖技術，而且對羊只要進行精細化管理[5-6]。實現羊只快速稱重和分群是大型養殖場的智能化養殖基礎，如在羊只的不同生產階段快速測量羊只體重，可確定羊只的料肉比用以羊只育種管理，肉羊的體重數據也可用于判斷羊只是出欄還是繼續育肥，以提高舍飼養羊經濟效益。另外，通過定期測量羊只體重便于檢查全群的發育情況，注意個體發育情況，隨時進行調整；在羊銷售交易時也需對其進行稱重，所以準確快速測量羊只重量是規模化養羊場的重復性必要工作[7]。但目前的方法多數通過人工完成，效率比較低，同時由于人為干預太多，羊只會產生應激反應，不利于羊只的健康和正常生長[8-9]。智能稱重分欄系統是對豬飼養生長特征進行實時監測的先進設備，是運用計算機信息技術把嵌入式單片機、無線射頻識別、壓力數模轉換、自動稱重、自動記錄、匯總和分析等組合成的機電一體化系統，可對每頭豬做到精準管理，提高育肥效率[10]。該系統已應用于規模化養豬場，現有的稱重分欄系統若用于養羊場，由于未考慮到羊只膽小和體型結構的特點，存在著開關門速度慢且稱重欄無法徹底固定羊只的狀況。針對以上問題，本研究設計了一套低成本智能化羊只稱重分欄控制系統，以可編程控制器(Programmable logic controller， PLC)為核心控制器，利用無線射頻識別器讀取羊只耳標信息，光電傳感器對羊只行走位置進行實時檢測，氣缸驅動實現分欄門的快速開啟和關閉，觸摸屏作為人機交互界面。該系統可應用于大型養羊場，不僅節省勞動力，還可提高羊只稱重和分欄效率。

1 系統整體結構設計

1.1 機電結構設計

羊只智能稱重分欄系統整體結構如圖1所示，依據一般成年羊只的身體尺寸，該系統的長寬高設計為(2 700×770×1 035) mm，重量約為180 kg，主要由機械部分和電氣部分組成，機械部分由入口門、阻隔門、分欄門和稱重欄四部分組成，通過模塊化設計可方便的組裝和維護，稱重欄的長度為1 180 mm，設計成上寬下窄的形式，其上部和下部的寬度分別為430和180 mm；電氣部分由PLC控制系統、氣力驅動系統、稱重傳感器、光電傳感器、耳標閱讀器和觸摸屏等組成。

1.功能按鈕；2.內置控制系統；3.觸摸屏；4.阻隔門；5.紅外光電傳感器；6.稱重欄；7.氣缸；8.入口門；9.分欄門；10.耳標閱讀器 1.Function button； 2.Built-in control system； 3.Touch screen； 4.Barrier door； 5.Infrared photoelectric sensor； 6.Weighing frame； 7.Cylinder； 8.Entrance door； 9.Fence gate； 10.Ear tag reader 功能按鈕共有5個，阻隔門和入口門上分別有2個氣缸，紅外光電傳感器2個，稱重欄的底部有4個稱重傳感器，左右側各有1個分欄門，可實現左中右三分欄。 There are 5 function buttons, 2 cylinders on the barrier door and the entrance door respectively, 2 infrared photoelectric sensors, 4 load sensors on the bottom of the weighing frame, and 2 fence gate on the left and right sides to form 3 outlet gates.圖1 羊只智能稱重分欄系統結構圖Fig.1 Structure diagram of intelligent sheep weighing and grouping system

1.2 系統工作過程

羊只智能稱重分欄系統主要應用規模化養殖場，一般放置在養殖場內的空曠地方，在系統的入口門處(圖1 結構8)連接有百米長供羊只行走的彎曲通道，以便大量的羊只進入通道；系統出口的左右側2個分欄門(圖1 結構9)可各連接一個羊只行走通道，正中間的出口也可以連接一個羊只通道，故2個分欄門可實現三分欄，該三個通道可連接三個不同的羊圈，以實現羊只不同體重的分群。羊群由入口的彎曲通道引導進入到該系統，當羊只智能稱重分欄系統工作時，入口門處于開啟狀態，稱重欄上在入口門側和阻隔門側分別安裝有位置可調的光電傳感器(圖1 結構5)。當羊只進入稱重欄(圖1 結構6)時，處于入口門側光電傳感器感知羊的到來，發出信號至PLC，PLC通過電磁閥控制氣缸(圖1 結構7)驅動阻隔門(圖1 結構4)關閉，耳標閱讀器(圖1 結構10)讀取羊只身份編號的數據，當羊只行走至靠近阻隔門時，阻隔門側的光電傳感器感知羊行走到此位置，系統關閉入口門。此時入口門和阻隔門均處于關閉狀態，羊只在稱重欄內，由于稱重欄內是上寬下窄的設計，底部很窄就限制了羊只的運動，稱重欄底部安裝有四只高精度的稱重傳感器，當稱重系統監測到羊只重量穩定時，觸摸屏(圖1 結構3)顯示并記錄下羊只的耳標身份和體重數據，開啟阻隔門并根據羊只體重打開相應的分欄門。在系統的左右側各有一個分欄門，當兩個分欄門均處于關閉狀態，羊只可以從中間出，故可實現羊只從左側出、右側出和中間出的三分欄功能。當羊只離開稱重欄，阻隔門側的光電傳感器感知羊只離開稱重系統，此時打開入口門，開始下一只羊的稱重分欄，系統將會重復上述動作。

2 智能稱重分欄系統設計

2.1 電氣控制系統的設計

可編程控制器PLC由于可靠性高、抗干擾能力強和維護方便等特點，廣泛用于畜牧養殖業的智能化設備中[11-12]。該項目的電氣控制系統核心為西門子S7-200 SMART CPU SR20型號的PLC控制器，它的輸入路數為12，輸出路數為8，自帶1個RS485/232接口。羊只智能稱重分欄系統的電氣線路連接如圖2所示，PLC控制器的輸入端連接有5個功能按鈕，分別實現手動/自動切換、開關入口門、開關阻隔門、開關左側分欄門和開關右側分欄門。2個檢測距離為10～50 cm可調的NPN型常開紅外光電傳感器與PLC輸入端連接，用于監測稱重欄內羊只行走所處位置，PLC控制器的輸出端與4個24 V供電的二位五通的電磁閥相連，該電磁閥工作頻率為開關3次/s，可控制氣缸實現門的快速開啟和關閉。由于系統需要2個RS485/232接口，對該PLC控制器安裝了擴展模塊CM01 RS485/232信號板。4個稱重傳感器連接到分辨率為24位的模數轉換器，將羊只重量數據轉換成數字量后接入到PLC自帶的RS485端，作為監控和顯示裝置的7寸昆侖通態觸摸屏也與PLC的此RS485總線端相連，可實時顯示整個系統的運行狀態；超高頻的射頻識別(Radio frequency identification，簡稱RFID)電子耳標閱讀器連接到數據采集卡，RFID閱讀器的工作頻率為925 MHz、輸出天線功率為20 dBm、最大識別距離為40 cm且讀取時間<6 ms，可將佩戴在羊只耳朵的RFID電子標簽數據傳送到PLC擴展的RS232端口，實現羊只身份數據的采集。

圖2 PLC控制系統的電氣接線圖Fig.2 Electrical schematic diagram of the PLC control system

羊只智能稱重分欄系統的控制可分為手動模式和自動模式，在手動模式下，通過功能按鈕控制各門的開啟和關閉。在自動模式情況下，系統開始工作前，用戶可利用觸摸屏預先設定羊只分欄的重量參數，通過稱重欄入口門的紅外光電傳感器檢測羊只是否進入稱重欄，光電傳感器在稱重欄上所處的位置可以進行調節，以適應不同大小的羊只。當入口門和阻隔門均關閉時，稱重傳感器組采集羊只重量數據，PLC控制器對獲得的羊只重量數據與預設參數進行比對，將控制信號傳輸給相應分欄的電磁閥，控制相應分欄門的開關，使該羊只通過對應的分欄門。

2.2 稱重模塊設計

稱重模塊由稱重傳感器與重量變送器組成，將測量的模擬數據轉換為數字量，并將數據發送給PLC控制器進行處理。本系統采用電阻應變式稱重傳感器，電阻應變式傳感器以電阻應變計為轉換元件，不但精度高和測量范圍廣，且能在惡劣條件下工作，常用于畜牧機械的動態稱重系統中[13]。由于在稱重過程中羊只進入稱重欄存在較大的沖擊載荷，需要根據最大不平衡負載或動態負載來確定稱重傳感器的額定參數，傳感器數量的選擇一般與秤體的支撐點數相一致，單個稱重傳感器的額定參數λ為[14]：

(1)

式中：k0為保險系數，通常為1.2～1.3；k1為沖擊系數；k2為風壓系數；k3為秤體的重心偏移系數；wmax為被稱物體重量的最大值；w為秤體自身重量；N為秤體采用支撐點的個數。稱量欄自重為50 kg，稱重的羊只重量最大一般不會超過100 kg，采用4個稱重傳感器，根據工程經驗，選用一般的保險系數k0=1.2，沖擊系數k1=1.05，環境風壓系數k2=1.03，稱重欄的重心偏移系數k3=1.02，將上述各參數代入公式(1)得到單個稱重傳感器的量程是：

稱重傳感器的工作范圍一般在30%～70%，選用單個傳感器的最大量程為100 kg，單個稱重傳感器的參數如表1所示，表中F.S(Full Scale)表示滿量程。4個稱重傳感器的最大量程為400 kg，能夠滿足羊只對稱重欄的負荷沖擊要求。

表1 稱重傳感器性能參數Table 1 Performance parameters of weighing sensor

4個稱重傳感器將4路毫伏級的電信號，送至模數轉換器，模數轉換器對此4路的模擬信號相加后轉換為數字信號，通過RS485總線協議送至PLC控制器，在PLC控制器內建立數字量與重量之間的分段線性關系，稱重模塊的校準是通過標準砝碼進行的。

2.3 稱重數據的處理

當羊只進入稱重欄內，羊只智能稱重分欄系統的入口門和阻隔門將限制羊只行動，羊不會有行走狀態，但羊會在原地產生踩踏等動作，對稱重欄產生沖擊力，導致稱重過程中載荷發生變化。因此，在分析羊只體重數據時，需要考慮到踩踏等動作對數據帶來的誤差影響，消除羊在稱重過程中的動態干擾[15-16]。

羊只從進入稱重欄開始，到走出稱重欄出口時，稱重模塊產生的信號會經歷3個階段，如圖3所示。其中T1-T2時間段是羊只開始直至完全進入稱重欄的過程，T2-T3時間段為入口門和阻隔門均關閉，羊只完全停留在稱重欄過程，T3-T4時間段為羊只走出直至完成離開稱重欄過程，在T2時刻，阻隔門側光電傳感器監測到羊只完全進入稱重欄，入口門和阻隔門均關閉；T3時刻表示稱重過程已成功完成，阻隔門和相應的分欄門均打開。因此，在T2-T3時段的稱重信號可用于羊只體重的測量，需要在這段曲線內尋找波動值<1%且>2 s的時間段T21-T22，此時羊只處于相對靜止狀態，可有效消除羊只的擺頭、踢腳等動作對稱重信號的影響，對該時間段的稱重信號進行中值加權平均處理，可得到準確的羊只重量值[17-18]，當系統成功獲取羊只重量數據后，系統將自動進入T3時刻。

圖3 羊只稱重時的重量信號變化波形圖Fig.3 Waveform of sheep weight signal when weighing

2.4 觸摸屏程序設計

羊只智能稱重分欄系統的軟件由PLC控制程序和觸摸屏組態程序組成，PLC將稱重數據、光電傳感器數據、耳標數據及按鈕開關數據實時傳送給觸摸屏，觸摸屏上的人機交互的軟件程序界面如圖4 所示。系統運行過程中，觸摸屏會顯示測量的羊只重量、羊只身份信息及羊只進入的分欄，通過指示燈監視系統的運行狀況，以便工作人員查看。并將測量體重、耳標身份、時間信息保存到數據庫中。

圖4 觸摸屏上的軟件程序界面Fig.4 Software program interface on touch screen

3 現場試驗和數據分析

為了驗證所研制的羊只智能稱重分欄系統的實際效果，于2019年4月在內蒙古四子王旗的某杜泊肉羊養殖基地中進行試驗，現場試驗如圖5所示。

在該養殖場選取15只不同大小的杜泊羊，并為這些杜泊羊佩戴無線電子耳標，提前用高精度電子秤稱量羊只的重量，作為羊只的實際重量。在系統的操作界面中設定羊只分欄參數分別為30和50 kg，若測得的羊只重量<30 kg，系統將打開左側分欄門、關閉右側分欄門，羊只從左側分欄門出，設定為狀態A；在30和50 kg之間時，系統則打開右側分欄門、關閉左側分欄門，羊只從右側分欄門出，設定為狀態B；若>50 kg時，羊只從中間分欄口出，此時左右側分欄門均關閉，設定為狀態C。在自動模式下，將養殖場的15只羊依次通過羊只智能稱重分欄系統，并將測得的羊只重量與實際重量進行對比(表2)。

圖5 羊只智能稱重分欄試驗現場Fig.5 Field test scene of sheep intelligent weighing and grouping

表2 羊只稱重分欄的數據Table 2 Data of sheep weighing and grouping

通過現場試驗結果數據分析可知，15個樣本數據的統計學P值為0.41(P>0.05)，表明了羊只實際重量數據與測量重量數據的差異不顯著，但存在一定的誤差，其相對誤差范圍一般<1.2%，其平均相對誤差值為0.71%，達到了現有已開發成型的豬只自動稱重裝置精度[10]，相對誤差較大的樣本大多是由羊只頭部沖擊稱重欄造成的；15只羊在完全熟悉該系統后，不再出現羊只不敢進入系統甚至后退的情況，此時所有羊完成稱重的平均時間<5 min，可得到該系統的稱重效率為3只/min。設計的氣動驅動能夠快速開關系統的各門，防止了羊的誤撞和羊被夾，且羊只在完成稱量之后，能夠依據分欄參數進入相應的分欄門。系統能通過無線電子耳標準確識別羊只身份信息，觸摸屏能夠監視整個控制系統的運行過程，并對羊只稱重的時間、重量和耳標信息進行實時保存，系統運行的穩定性和準確性可滿足大型養殖場的實際要求。

4 結 論

規模化設施養殖是目前養羊業的發展趨勢，為提高大型養殖場的生產效率和對羊只進行精細化管理，研究和設計了一套機電相結合的羊只智能稱重分欄系統。該系統以PLC控制器為核心，以氣動為驅動力實現分欄門的快速開啟和關閉，控制系統的硬件電路和人機交互軟件，可實現羊只電子耳標身份和體重數據的實時顯示和保存、系統工作狀態實時監視和工作模式切換等功能。通過養殖現場試驗驗證，所設計的系統運行安全可靠且稱重精度高，可在規模化養羊場進行應用示范，進一步改進和完善系統的功能。