鵝種蛋孵化環(huán)境監(jiān)測調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)

韓甲文，張燕軍，繆 宏，張善文，戴 敏

(揚州大學(xué) 機械工程學(xué)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(shù)還較為落后[3]?；诖?，提出鵝種蛋孵化質(zhì)量監(jiān)測調(diào)控技術(shù)，通過環(huán)境調(diào)控設(shè)備（通風(fēng)、溫控、凈化等設(shè)備）與規(guī)模化孵化環(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(guān)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(shù)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(zhì)量的預(yù)測分析模擬模型以及基于孵化天數(shù)和鵝蛋種類的調(diào)控決策處方對溫度、濕度、光照進行智能優(yōu)化監(jiān)測調(diào)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(fēng)口的阿基米德螺旋線的勻熱協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)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(diào)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(zhǔn)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(nèi)新鮮度與光特性的對應(yīng)關(guān)系及健康鵝蛋所對應(yīng)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(luò)對種蛋內(nèi)部圖像像素集進行機器學(xué)習(xí)分類，選擇合適的神經(jīng)元權(quán)重與偏移量，在保證準(zhǔn)確率的同時提高檢測效率。完成優(yōu)質(zhì)鵝種蛋孵化及其活性監(jiān)測，如圖2 所示，該孵化箱內(nèi)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(shè)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(zhǔn)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(luò)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(zhǔn)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(diào)節(jié)孵化箱環(huán)境以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)孵化。

圖2 孵化箱光照胚胎發(fā)育監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備

2 結(jié) 語

本文提出一種種蛋孵化環(huán)境監(jiān)測調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)，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(shè)計，優(yōu)化種鵝孵化環(huán)境并配置送風(fēng)器、蛋槽、聚焦燈和圖像采集設(shè)備的選型。研發(fā)基于多通道融合技術(shù)的實時監(jiān)測與智能化控制系統(tǒng)，采用結(jié)構(gòu)化編程中嵌入式開發(fā)技術(shù)與總線技術(shù)相結(jié)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(zhǔn)監(jiān)測和智能控制、通過合理配置傳感器和環(huán)境調(diào)控設(shè)備（通風(fēng)、溫控、凈化等設(shè)備）的數(shù)量和安裝方位，結(jié)合規(guī)?；趸h(huán)境的時空特征模型，設(shè)計孵化環(huán)境的高效精準(zhǔn)調(diào)控策略，采用單片機構(gòu)成系統(tǒng)主控制器，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，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(fēng)、溫控、凈化三位一體的環(huán)境調(diào)控設(shè)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(shè)備的起停由單片機控制繼電器的開關(guān)實現(xiàn)，以溫度調(diào)節(jié)和通風(fēng)氣流強度建立濕度控制關(guān)系，實現(xiàn)溫度、濕度、氣流、塵埃三位一體的云管控技術(shù)，建立自適應(yīng)的特征參數(shù)在線整定機制，實現(xiàn)對孵化全周期內(nèi)各個時間段環(huán)境質(zhì)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(zhì)環(huán)境內(nèi)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(luò)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(yù)測模型進行溫度調(diào)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(zhǔn)控制。