異位發(fā)酵床智能監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計

陳萬云，李 宇

（廣州市健坤網(wǎng)絡(luò)科技發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

異位發(fā)酵床糞污處理技術(shù)是2018 年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部十項(xiàng)重大引領(lǐng)性農(nóng)業(yè)技術(shù)之一。異位發(fā)酵床一般由集污池，運(yùn)輸管道，發(fā)酵床，翻堆機(jī)4 部分組成：由集污池將養(yǎng)殖場糞污收納緩沖后通過運(yùn)輸管道輸送到發(fā)酵床，通過配套的翻堆機(jī)使糞污和發(fā)酵床的墊料層（由谷殼、木屑、菌糠等加入微生物菌種混合攪拌而成）充分?jǐn)嚢杌旌?，利用墊料層與糞污中的微生物進(jìn)行充分發(fā)酵，最終轉(zhuǎn)化形成有機(jī)肥，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場糞污的消納與資源化處理[1]。異位發(fā)酵床糞污處理技術(shù)因其生態(tài)環(huán)保、低成本、可循環(huán)而受到國家的大力支持[2]，但在推廣應(yīng)用中，養(yǎng)殖戶反饋經(jīng)常出現(xiàn)“死床”現(xiàn)象[3]。

由于異位發(fā)酵床功能的發(fā)揮主要依賴于微生物的作用[4-8]，發(fā)酵床中的微生物通過分解利用糞污及墊料中的有機(jī)質(zhì)釋放生物質(zhì)熱使發(fā)酵床溫度升高，床體持續(xù)高溫使得水分蒸發(fā)較快，同時糞污被微生物快速分解消耗。糞污經(jīng)墊料混合后需保持50 ℃以上的溫度區(qū)間，并進(jìn)行持續(xù)發(fā)酵才能轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥[9]，因此，溫度是評價發(fā)酵床運(yùn)行效率最為直觀的指標(biāo)[9-10]，也是評價異位發(fā)酵床是否“死床”的核心指標(biāo)之一。當(dāng)前，對于異位發(fā)酵床的運(yùn)行管理主要依靠人工進(jìn)行，因人員無法全天候蹲守，加之異位發(fā)酵床場地環(huán)境惡劣，各項(xiàng)監(jiān)測操作不便開展，因此不能及時有效反饋異位發(fā)酵床的整體運(yùn)行情況，導(dǎo)致異位發(fā)酵床在實(shí)際運(yùn)行過程中常處于“失管”狀態(tài)，“死床”情況時有發(fā)生，其運(yùn)行管理方式有待進(jìn)一步改進(jìn)。

本文設(shè)計了一種異位發(fā)酵床智能監(jiān)測控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對異位發(fā)酵床全天候、多維度監(jiān)測，同時可結(jié)合監(jiān)測信息實(shí)現(xiàn)對翻堆機(jī)、噴淋器的自動控制，最終實(shí)現(xiàn)異位發(fā)酵床自動運(yùn)行管理，進(jìn)而避免“死床”現(xiàn)象，提高糞污處理效率與效益。

1 異位發(fā)酵床智能監(jiān)測控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計

異位發(fā)酵床智能監(jiān)測控制系統(tǒng)由監(jiān)測硬件、控制軟件系統(tǒng)這2 部分組成。監(jiān)測硬件包括多功能電力儀表、流量傳感器、溫濕度移動監(jiān)測部件、監(jiān)控攝像頭、數(shù)據(jù)采集器等物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測硬件安裝后通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)與控制軟件系統(tǒng)相聯(lián)通；控制軟件系統(tǒng)經(jīng)過部署設(shè)置后可獲取監(jiān)測硬件的監(jiān)測數(shù)據(jù)并控制部分監(jiān)測硬件及作業(yè)設(shè)備的運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)糞污處理過程的全方位監(jiān)控。

當(dāng)系統(tǒng)未啟動時，溫濕度監(jiān)測模塊處于升起狀態(tài)位置。系統(tǒng)啟動時，伺服電機(jī)將按照軟件設(shè)定的時間參數(shù)帶動溫濕度監(jiān)測模塊下降到堆料內(nèi)部一定位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集監(jiān)測，采集完成后，監(jiān)測硬件返回初始位置，并按照系統(tǒng)設(shè)定時間參數(shù)開展下一周期監(jiān)測工作；系統(tǒng)會根據(jù)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)（主要是溫濕度數(shù)據(jù)）進(jìn)行信息預(yù)警通知及聯(lián)動翻堆機(jī)進(jìn)行相關(guān)翻堆作業(yè)，同時會自動記錄匯總設(shè)備作業(yè)過程中的數(shù)據(jù)（如糞污處理量、處理能耗、處理過程影像等數(shù)據(jù)信息）供管理者參考，以便調(diào)整軟件相關(guān)參數(shù)設(shè)置。其組成和工作原理如圖1 所示。

圖1 異位發(fā)酵床智能監(jiān)測控制系統(tǒng)組成及其工作原理

2 異位發(fā)酵床智能監(jiān)測控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

異位發(fā)酵床智能監(jiān)測控制系統(tǒng)的監(jiān)測硬件部分由多功能電力儀表、流量傳感器、溫濕度移動監(jiān)測部件、監(jiān)控攝像頭、數(shù)據(jù)采集器組成。其中溫濕度移動監(jiān)測部件是本系統(tǒng)的核心，主要用于采集床體內(nèi)部物料的溫濕度數(shù)據(jù)，并以此作為驅(qū)動翻堆機(jī)和噴淋器的控制信號。其余監(jiān)測硬件均為市售產(chǎn)品，通過數(shù)據(jù)接口與控制軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互通互聯(lián)，主要用于監(jiān)測異位發(fā)酵床運(yùn)行過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

2.1 溫濕度移動監(jiān)測部件

異位發(fā)酵床溫濕度移動監(jiān)測部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)由溫濕度監(jiān)測模塊、傳動模塊組成。配套系統(tǒng)控制器，可獨(dú)立運(yùn)行，也可與翻堆機(jī)控制器進(jìn)行聯(lián)動，并可通過手機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定與數(shù)據(jù)實(shí)時訪問。

2.1.1 溫濕度監(jiān)測模塊

溫濕度監(jiān)測模塊主要由固定模塊、傳感器保護(hù)桿、溫濕度監(jiān)測儀組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，溫濕度監(jiān)測儀是由溫度傳感器、濕度傳感器集成而制成，可設(shè)定不同料堆深度監(jiān)測位點(diǎn)，支持鋰電供電、監(jiān)測數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)木C合傳感器。傳感器保護(hù)桿是由不銹鋼鋼管制成的半鏤空空心桿，主要用于破開糞污發(fā)酵層和保護(hù)溫濕度監(jiān)測儀，避免因破開糞污發(fā)酵層時阻力太大導(dǎo)致溫濕度監(jiān)測儀彎折。溫濕度監(jiān)測儀放入傳感器保護(hù)殼體，經(jīng)殼體固定孔固定在固定模塊上，固定模塊再經(jīng)傳動固定孔固定在傳動桿上。

圖2 溫濕度監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)組成

2.1.2 傳動模塊

傳動模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示，主要由固定桿、傳動軸、伺服電機(jī)組成。

圖3 傳動模塊結(jié)構(gòu)組成

當(dāng)系統(tǒng)未啟動時，固定桿處于升起高于異位發(fā)酵床位置；系統(tǒng)啟動時，伺服電機(jī)將按照設(shè)定的程序帶動傳動軸使固定桿下降到發(fā)酵床堆料位置，固定于固定桿上的溫濕度監(jiān)測器即可插入發(fā)酵堆料層內(nèi)部開展溫濕度數(shù)據(jù)采集監(jiān)測工作；數(shù)據(jù)采集完成后，伺服電機(jī)將按照設(shè)定的程序帶動固定桿返回初始位置。

2.2 多功能電力儀表

多功能電力儀表是一種能耗數(shù)據(jù)采集設(shè)備。該設(shè)備內(nèi)置4G 通訊寬帶技術(shù)與485 通道，能夠單獨(dú)為電表工作，也可以收集子表的數(shù)據(jù)信息上傳至軟件系統(tǒng)。該設(shè)備主要用于監(jiān)測采集異位發(fā)酵床翻堆機(jī)的用電能耗、用電時間等信息。

2.3 流量傳感器

流量傳感器是利用電磁感應(yīng)原理制成的流量計量器。當(dāng)被測液體流過傳感器時，在流體作用下，葉輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比。葉輪的轉(zhuǎn)動會導(dǎo)致磁回路磁阻值的周期性改變，檢測線圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生頻率與葉片旋轉(zhuǎn)頻率相同的感應(yīng)電動勢，經(jīng)放大后，進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理，形成流量體積。該設(shè)備內(nèi)置4G 通訊寬帶技術(shù)與485 通道，可通過無線或有線方式將數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)上傳至軟件系統(tǒng)。該設(shè)備主要用于監(jiān)測采集糞污處理量，通過時間參數(shù)累計即可計算各個時間段異位發(fā)酵床的糞污處理能力。

2.4 攝像頭

利用監(jiān)控攝像頭的影像記錄功能，記錄異位發(fā)酵床現(xiàn)場運(yùn)行場景，以補(bǔ)齊監(jiān)測傳感器有數(shù)據(jù)無畫面或監(jiān)測設(shè)備故障時無法監(jiān)測到有效數(shù)據(jù)的情況，幫助養(yǎng)殖戶對異位發(fā)酵床的運(yùn)行效果進(jìn)行輔助判斷。通過與其他監(jiān)測硬件的配合使用，實(shí)現(xiàn)對異位發(fā)酵床運(yùn)行過程監(jiān)測全覆蓋。

2.5 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器是將通信芯片、存儲芯片等集成在一塊電路板上，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⒉杉b置。數(shù)據(jù)采集器支持多通道多種傳感器信號輸入，可集成多種監(jiān)測傳感設(shè)備；支持4G、WIFI 和有線通信，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。該設(shè)備主要用于接收匯總溫濕度傳感器、多功能電力儀表、流量傳感器、攝像頭的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，并將這些信息通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸至軟件系統(tǒng)，同時負(fù)責(zé)接收軟件系統(tǒng)下達(dá)的控制信號，并將其分發(fā)至各設(shè)備控制終端。

3 異位發(fā)酵床智能監(jiān)測控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

異位發(fā)酵床智能監(jiān)測控制系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括對伺服電機(jī)的精準(zhǔn)控制及信息預(yù)警、與翻堆機(jī)和噴淋器的聯(lián)動控制、監(jiān)測信息可視化3 部分。

對伺服電機(jī)的精準(zhǔn)控制需根據(jù)用戶的實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)試，確定運(yùn)行周期、停留時間。在軟件編輯中，本系統(tǒng)以初始設(shè)定的運(yùn)行周期與停留時間作為啟動條件，并以運(yùn)行過程中監(jiān)測到的溫濕度數(shù)據(jù)作為激發(fā)條件；若監(jiān)測到的溫濕度數(shù)據(jù)正常，即按初始設(shè)定的運(yùn)行周期繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；若監(jiān)測到的溫濕度數(shù)據(jù)異常，即會聯(lián)動翻堆機(jī)與噴淋器進(jìn)行作業(yè)，直至再次監(jiān)測到的溫濕度數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，再按照初始設(shè)定的運(yùn)行周期繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。在控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，設(shè)置有手動啟?？刂骗h(huán)節(jié)，能夠手動啟停電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

信息預(yù)警即通過系統(tǒng)設(shè)定監(jiān)測指標(biāo)閾值來控制，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設(shè)定閾值時，即可發(fā)出預(yù)警信息，以短信或系統(tǒng)信息方式提醒通知用戶。本系統(tǒng)需要進(jìn)行閾值設(shè)定的監(jiān)測指標(biāo)主要有溫度、濕度、流量，主要對床體料堆的溫濕度、翻堆機(jī)翻拋?zhàn)鳂I(yè)時的噴淋量進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控。此外，通過攝像頭對發(fā)酵床的整體運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，若異位發(fā)酵床物料整體低于劃定的警戒線，即可進(jìn)行預(yù)警提醒。同時還可對突發(fā)性異常事件的過程進(jìn)行及時監(jiān)視和記錄，以便管理者及時進(jìn)行調(diào)度指揮。

與翻堆機(jī)、噴淋器的聯(lián)動控制，主要是以溫濕度傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為翻堆機(jī)翻拋動作的控制源，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設(shè)定閾值時，系統(tǒng)將通過控制器啟動翻堆機(jī)開展相應(yīng)位置的翻堆工作，以流量傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為噴淋器的控制源，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設(shè)定閾值，系統(tǒng)即可關(guān)閉噴淋器，終止抽污噴淋。系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)控制流程如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)控制流程圖

監(jiān)測信息可視化可將監(jiān)控影像、溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)、流量監(jiān)測數(shù)據(jù)、能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)以實(shí)時影像、圖表等可視化形式進(jìn)行綜合展示，方便養(yǎng)殖戶直觀了解異位發(fā)酵床的整體運(yùn)行情況。監(jiān)測信息可視化界面設(shè)計如圖5 所示。

圖5 監(jiān)測信息可視化界面設(shè)計

3 結(jié)語

通過實(shí)際調(diào)試模擬運(yùn)行，該設(shè)計系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)想，按照既定程序和流程實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)，在設(shè)定的時間周期與監(jiān)測閾值范圍內(nèi)，能夠獲得預(yù)期的結(jié)果。在模擬運(yùn)行中，傳動模塊能夠帶動溫濕度監(jiān)測模塊實(shí)現(xiàn)上下移動，但與翻堆機(jī)、噴淋器的聯(lián)動控制未能達(dá)到預(yù)期，在后續(xù)開發(fā)中將重點(diǎn)研究如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)聯(lián)動控制。

本文的設(shè)計對于異味發(fā)酵床智能檢測控制系統(tǒng)的后續(xù)開發(fā)工作奠定了良好的基礎(chǔ)，起到了一定的指導(dǎo)作用，對于類似堆料自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計有一定的借鑒意義。