互聯(lián)網(wǎng)+奶牛飼養(yǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田思慶，張炳權(quán)，吳 迪，姜永成，曹 宇，楊賀騰山

(1.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007；2.信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007)

?

互聯(lián)網(wǎng)+奶牛飼養(yǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田思慶1，2，張炳權(quán)1*，吳 迪2，姜永成1，曹 宇1，楊賀騰山2

(1.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007；2.信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007)

將互聯(lián)網(wǎng)引入奶?；兀瑢?shí)現(xiàn)了線(xiàn)上產(chǎn)品交易、線(xiàn)下智能飼養(yǎng)的新模式。介紹了企業(yè)網(wǎng)站以及奶?；氐闹悄茱曫B(yǎng)控制系統(tǒng)，基于PLC與HMI的飼養(yǎng)控制系統(tǒng)，提高了奶?；氐淖詣?dòng)化飼養(yǎng)水平，改善了飼養(yǎng)環(huán)境，提升了產(chǎn)品質(zhì)量。

互聯(lián)網(wǎng)+；PLC；HMI；飼養(yǎng)控制系統(tǒng)

“互聯(lián)網(wǎng)+”是知識(shí)社會(huì)創(chuàng)新2.0推動(dòng)下的互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)演進(jìn)及其催生的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展新形態(tài)?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”是互聯(lián)網(wǎng)思維的進(jìn)一步實(shí)踐成果，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)形態(tài)不斷地發(fā)生演變，從而帶動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)體的生命力，為改革、創(chuàng)新、發(fā)展提供廣闊的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[1]。將互聯(lián)網(wǎng)引入畜牧業(yè)成為迎合現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新模式。近幾年我國(guó)經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)增長(zhǎng)，國(guó)家更加重視基礎(chǔ)行業(yè)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)+畜牧業(yè)這樣的O2O(Online to Offline)線(xiàn)上到線(xiàn)下的銷(xiāo)售模式也逐漸成為接受的新消費(fèi)模式。

尋求優(yōu)質(zhì)的奶牛飼養(yǎng)牧場(chǎng)，引入優(yōu)質(zhì)的奶牛，或者與優(yōu)秀的奶牛牧場(chǎng)合作得到優(yōu)質(zhì)的奶源，成為近幾年一些中小型奶制品廠(chǎng)的選擇。將互聯(lián)網(wǎng)引入奶牛飼養(yǎng)企業(yè)，采用O2O模式，讓一些中小型企業(yè)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)找到合作伙伴，解決了奶牛飼養(yǎng)企業(yè)需要向外推廣自己的奶牛，以及代理飼養(yǎng)奶牛沒(méi)有合作伙伴的難題；同時(shí)也為一些中小型奶制品加工廠(chǎng)提供了可靠的奶牛與奶源進(jìn)貨渠道。這樣的新模式使雙方互利互惠，與此同時(shí)也推動(dòng)了全民創(chuàng)業(yè)，沖擊現(xiàn)有市場(chǎng)，促進(jìn)國(guó)內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品消費(fèi)新平臺(tái)的創(chuàng)建。

1　系統(tǒng)組成和總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)從2部分著手，一方面設(shè)計(jì)網(wǎng)站，主要包括介紹奶?；氐臓顩r，相關(guān)產(chǎn)品的介紹及銷(xiāo)售，在線(xiàn)觀看奶?；氐膶?shí)時(shí)狀況等；另一方面是基地的智能防盜飼養(yǎng)系統(tǒng)，主要包括自動(dòng)化飼養(yǎng)奶牛、對(duì)奶牛飼料的定時(shí)補(bǔ)給、飲水補(bǔ)給、環(huán)境溫濕度恒定調(diào)節(jié)、消毒藥物噴灑和基地的安防報(bào)警等。

線(xiàn)上借助網(wǎng)站，包括奶?；氐恼w概況、企業(yè)文化、行業(yè)動(dòng)態(tài)、奶牛品種的展示、相關(guān)政府部門(mén)的許可證明以及聯(lián)系地址和方式等，其中網(wǎng)站的特色在于在線(xiàn)觀看奶?；貙?shí)時(shí)的狀況，讓投資者和合作伙伴更加直觀地看到該基地的奶牛是健康的，奶源是放心的。線(xiàn)下為奶?；貜娘曫B(yǎng)奶牛到基地安防量身設(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)，使飼養(yǎng)人員更加方便地管理基地?？傮w設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1　互聯(lián)網(wǎng)+奶牛飼養(yǎng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.1　General design of internet+ cow feeding control system

2　網(wǎng)站的設(shè)計(jì)與制作

根據(jù)總體的網(wǎng)站設(shè)計(jì)思路，將網(wǎng)站大致分為6個(gè)頁(yè)面：“首頁(yè)”“公司簡(jiǎn)介”“行業(yè)動(dòng)態(tài)”“產(chǎn)品中心”“服務(wù)承諾”和“聯(lián)系我們”。在“首頁(yè)”上主要表現(xiàn)企業(yè)LOGO、滾動(dòng)海報(bào)、服務(wù)內(nèi)容以及飼養(yǎng)奶牛品種的介紹；“公司簡(jiǎn)介”主要介紹公司發(fā)展歷程以及公司文化；“行業(yè)動(dòng)態(tài)”介紹奶牛飼養(yǎng)行業(yè)近年來(lái)的整體動(dòng)態(tài)，分析現(xiàn)階段和未來(lái)公司在行業(yè)領(lǐng)域中的目標(biāo)和發(fā)展藍(lán)圖；“產(chǎn)品中心”主要介紹公司所養(yǎng)殖的各個(gè)品種的奶牛，以及在線(xiàn)查看奶牛基地的實(shí)時(shí)狀況；“服務(wù)承諾”包括誠(chéng)信的經(jīng)營(yíng)模式，相關(guān)政府頒布的營(yíng)業(yè)許可證明等內(nèi)容；“聯(lián)系我們”提供了公司的地址和聯(lián)系方式，方便有意向的合作者與公司聯(lián)系[2]。在網(wǎng)站制作上，以phpstudy作為php+MySQL+Apache集成環(huán)境的搭建工具，后臺(tái)服務(wù)器負(fù)責(zé)視頻信息的處理與轉(zhuǎn)發(fā)。用DREAMWEAVER設(shè)計(jì)的6個(gè)頁(yè)面與后臺(tái)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，網(wǎng)站的部分頁(yè)面如圖2所示。

圖2　佳木斯大學(xué)奶牛飼養(yǎng)控制系統(tǒng)網(wǎng)站頁(yè)面示意Fig.2　Cow feeding control system web page of Jiamusi University

3　飼養(yǎng)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)電路的搭建

3.1飼養(yǎng)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)飼養(yǎng)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)上選擇臺(tái)達(dá)PLC-EH32作為控制器，上位機(jī)采用MCGS TPC7062Ti觸摸屏，控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。PLC與HMI和溫濕度測(cè)量模塊采用RS-485通信，PLC的輸入節(jié)點(diǎn)分別接水槽液位傳感器、料槽低位接近開(kāi)關(guān)、料槽高位接近開(kāi)關(guān)、藍(lán)牙開(kāi)關(guān)、人體檢測(cè)開(kāi)關(guān)等。PLC的輸出節(jié)點(diǎn)分別接料斗閥門(mén)開(kāi)信號(hào)、料斗閥門(mén)關(guān)信號(hào)、補(bǔ)水電磁閥、熱風(fēng)扇、冷風(fēng)扇、藥物噴灑閥門(mén)、報(bào)警燈光和電鈴等設(shè)備。

圖3　奶牛飼養(yǎng)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.3　The general structure of cow feeding control system

3.2控制系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)主要包括主電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)，整體電路設(shè)計(jì)接線(xiàn)圖如圖4所示。系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)中，主要連接的設(shè)備有熱風(fēng)扇、冷風(fēng)扇、補(bǔ)料設(shè)備、補(bǔ)水電磁閥、藥物噴灑電磁閥、報(bào)警燈光和電鈴等電氣設(shè)備。這些電氣設(shè)備擔(dān)負(fù)控制奶牛的飲食、飲水、所處的環(huán)境條件等任務(wù)。

系統(tǒng)的控制部分中，自主研發(fā)了3個(gè)小型控制器，以arduino控制器為核心板，開(kāi)發(fā)了低成本的手機(jī)藍(lán)牙解除報(bào)警控制器、非法人員進(jìn)入檢測(cè)控制器以及料斗閥門(mén)控制器。這3個(gè)控制器的研發(fā)，降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本[3]。如圖4所示，主控制器是Delta PLC-EH32，在其輸入X0端子上連接水槽的液位開(kāi)關(guān)，當(dāng)水位低于水槽設(shè)定水位時(shí)，液位開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi)，此時(shí)控制器會(huì)收到水位過(guò)低的信號(hào)；端子X(jué)1連接料槽底部的接近開(kāi)關(guān)，在設(shè)定的喂養(yǎng)時(shí)間段內(nèi)，開(kāi)關(guān)可以檢測(cè)料槽內(nèi)的料量，如果開(kāi)關(guān)檢測(cè)不到飼料則向控制器輸入沒(méi)有飼料的信號(hào)，控制器向補(bǔ)料控制器發(fā)出信號(hào)，對(duì)料槽進(jìn)行供料；端子X(jué)2連接料槽頂端的接近開(kāi)關(guān)，當(dāng)料斗下放的飼料接近料槽頂部，此時(shí)高位的料槽接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到料量到位，向控制器發(fā)出料量到位的信號(hào)，此時(shí)控制器向補(bǔ)料控制器發(fā)出停止補(bǔ)料的信號(hào)，補(bǔ)料設(shè)備停止補(bǔ)料；X3連接藍(lán)牙控制器，此控制器可以通過(guò)藍(lán)牙與手機(jī)通信，手機(jī)客戶(hù)端的軟件可以發(fā)出信息來(lái)開(kāi)啟和關(guān)斷此控制器的輸入信號(hào)；端子X(jué)4連接人體檢測(cè)控制器，此控制器可以檢測(cè)到一定區(qū)域是否有人員闖入，如果有人員闖入就向控制器內(nèi)發(fā)送信號(hào)，控制器接收到這樣的信號(hào)就會(huì)開(kāi)啟報(bào)警模式，通過(guò)報(bào)警燈和報(bào)警鈴提醒安保人員?？刂破鞯妮敵鯵0和Y1作為料斗控制器的開(kāi)啟和關(guān)閉信號(hào)；Y2、Y3、Y4、Y5分別作為補(bǔ)水電磁閥、熱風(fēng)扇、冷風(fēng)扇、藥物噴灑的通斷信號(hào)；Y6作為報(bào)警的輸出信號(hào)[4]。

圖4　奶牛飼養(yǎng)控制系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì)接線(xiàn)Fig.4　Integrated circuit design of cow feeding control system

3.3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)定時(shí)補(bǔ)料、恒溫、補(bǔ)水、噴藥以及自動(dòng)報(bào)警等功能。

(1)補(bǔ)料功能。程序先檢測(cè)是否到達(dá)系統(tǒng)設(shè)定的補(bǔ)料時(shí)間段，如果未到達(dá)補(bǔ)料時(shí)段，設(shè)備不動(dòng)作繼續(xù)等待；如果到達(dá)補(bǔ)料時(shí)段則檢測(cè)料槽低位的接近開(kāi)關(guān)，檢測(cè)料槽內(nèi)的料量，如果料不足則開(kāi)啟補(bǔ)料控制器開(kāi)始補(bǔ)料，如檢測(cè)料槽內(nèi)還有料則不動(dòng)作繼續(xù)監(jiān)測(cè)；當(dāng)料量到達(dá)料槽頂部，則補(bǔ)料控制器關(guān)閉補(bǔ)料閥停止補(bǔ)料。

(2)補(bǔ)水功能。在水槽指定位置安裝有液位開(kāi)關(guān)，當(dāng)水量不足時(shí)，開(kāi)啟補(bǔ)水閥進(jìn)行補(bǔ)水，當(dāng)水量到達(dá)水位后關(guān)閉補(bǔ)水閥。

(3)恒溫系統(tǒng)。檢測(cè)奶牛所處室內(nèi)的溫度，當(dāng)溫度高于設(shè)定值上限，開(kāi)啟冷風(fēng)降溫；當(dāng)溫度低于設(shè)定值下限，則開(kāi)啟熱風(fēng)升溫。

(4)噴藥功能。在HMI觸摸屏中設(shè)計(jì)有噴藥窗口，窗口包含有噴藥時(shí)間和噴藥啟動(dòng)和停止按鈕，當(dāng)藥罐內(nèi)放入相應(yīng)的藥物后，基地人員可以通過(guò)HMI對(duì)PLC下達(dá)噴藥的指令。

(5)人性化的報(bào)警功能。當(dāng)基地人員進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域時(shí)，只需要通過(guò)手機(jī)的客戶(hù)端軟件對(duì)藍(lán)牙控制器發(fā)出指令，就可暫時(shí)關(guān)閉報(bào)警功能，不會(huì)觸發(fā)報(bào)警；如果基地以外人員進(jìn)入，則會(huì)觸發(fā)報(bào)警裝置，提醒基地的安保人員有外人闖入等不安全因素，需要及時(shí)查看。整個(gè)系統(tǒng)主程序流程圖見(jiàn)圖5。

圖5　奶牛飼養(yǎng)控制系統(tǒng)主程序流程Fig.5　Main program flow of cow feeding control system

4　飼養(yǎng)系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

在人機(jī)界面設(shè)計(jì)中，選用MCGS的HMI，型號(hào)為T(mén)PC7062Ti，此HMI與PLC以RS-485進(jìn)行通信，將補(bǔ)料畫(huà)面、補(bǔ)水畫(huà)面、溫度控制畫(huà)面、噴藥畫(huà)面、防盜畫(huà)面以及參數(shù)設(shè)定畫(huà)面設(shè)計(jì)在HMI中，并關(guān)聯(lián)相應(yīng)的變量使其以動(dòng)態(tài)效果呈現(xiàn)在管理人員的眼前，操作界面設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔大方為最初的設(shè)計(jì)初衷，并能完成相應(yīng)的功能，其實(shí)際畫(huà)面效果如圖6所示[5]。

以補(bǔ)料系統(tǒng)為例，當(dāng)沒(méi)到達(dá)設(shè)定的補(bǔ)料時(shí)間段且料槽內(nèi)沒(méi)有飼料，則左側(cè)的2個(gè)指示燈顯示紅色，料斗指示燈顯示為紅色并且旁邊有“停止”的字樣；當(dāng)?shù)竭_(dá)補(bǔ)料時(shí)間時(shí)，料斗開(kāi)始下料，畫(huà)面中料斗指示燈顯示綠色并且旁邊有“下料”字樣，左側(cè)料量的2個(gè)指示燈底部的顯示綠色頂部顯示紅色，料槽內(nèi)料量從顯示空到顯示填滿(mǎn)一半變化，當(dāng)料槽頂部料量到位時(shí)，左側(cè)的料量指示燈全部顯示綠色，料斗指示燈顯示紅色并且傍邊有“停止”字樣。其他的畫(huà)面也動(dòng)態(tài)地顯示了系統(tǒng)工作時(shí)的狀態(tài)，因此基地人員對(duì)奶牛基地的飼養(yǎng)管理更

圖6　奶牛飼養(yǎng)控制HMI界面Fig.6　HMI interface of cow feeding control

加直觀方便。

5　結(jié)論

在國(guó)家大力發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，并提出“互聯(lián)網(wǎng)+”概念的宏觀戰(zhàn)略下，將互聯(lián)網(wǎng)與畜牧業(yè)結(jié)合，對(duì)“互聯(lián)網(wǎng)+”在我國(guó)各個(gè)行業(yè)的實(shí)踐方面具有指導(dǎo)意義。以arduino pro mini模塊為核心，自主研發(fā)的控制器，降低了系統(tǒng)研發(fā)成本，更適于在農(nóng)場(chǎng)大力推廣。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。

[1] 馬化騰.“互聯(lián)網(wǎng)+”激活更多信息能源[N].光明日?qǐng)?bào)，2015-07-09.

[2] 張潔，趙英，余紅.B2C電子商務(wù)網(wǎng)站用戶(hù)體驗(yàn)評(píng)價(jià)研究[J].情報(bào)科學(xué)，2013(12)：84-89.

[3] 陳穎瑩.Zigbee+Arduino+Android圓夢(mèng)智能家庭[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011(8)：2.

[4] 劉巖石.基于臺(tái)達(dá)PLC的立體車(chē)庫(kù)控制系統(tǒng)[J].變頻器世界，2014(7)：96-99.

[5] 孫松麗，王榮林，張桂新，等.基于MCGS的PLC仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015(34)：87-91.

Internet+ Cow Feeding Control System Design

TIAN Si-qing1,2, ZHANG Bing-quan1*, WU Di2et al

(1. College of Mechanical Engineering, Jiamusi University, Jiamusi, Heilongjiang 154007; 2. College of Information Science & Electronic Technology, Jiamusi University, Jiamusi, Heilongjiang 154007)

Internet was introduced into cow base, which has realized the new pattern of products transaction online and intelligent breeding offline. Enterprise website and intelligent feeding control system for cow base was introduced, based on PLC and HMI feeding control system, automatic feeding level of cow base was improved, feeding environment and products quality was also perfected.

Internet+; PLC; HMI; Feeding control system

佳木斯大學(xué)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(Cxtd-2013-01)；佳木斯大學(xué)研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(LZR2015_003)。

田思慶(1965- )，男，黑龍江佳木斯人，教授，碩士生導(dǎo)師，從事農(nóng)業(yè)電氣化研究。*通訊作者，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)電氣化。

2016-06-28

S 818

A

0517-6611(2016)23-129-03