李曼，司展，李龙霞，张占胜

（沈阳化工大学信息工程学院，辽宁沈阳110142）

1 引言

中国是一个农业大国，畜牧业在农业中的地位是非常高的。但随着新时代的到来，中国人民的生活水平得到了显著地提高，人们不再满足于对食物数量上的要求，而更加注重食物的质量以及食物对自身健康情况的影响。据统计，人们对猪肉的需求占中国肉类总产量的64%，如此看来，猪肉已经成为人们餐桌上不可或缺的食物。正因为人们对猪肉有如此大的需求量，因此对猪养殖问题上的要求也更加的严格，特别是对生猪的质量问题。研究表明，猪粪易分解出对生猪和人有害的气体，考虑到人工清理的复杂性、安全性以及养殖场的效率问题，提出了一种智能化清理系统。而实践智能化养殖的推广前，需考虑到废物的清理以及能源的循环。这样才会使得养殖业有可持续发展的前景。

2 猪舍基本结构

2.1 基本框架

早期猪舍采用的是密闭无窗式，由于经济条件有限，故猪舍的外部结构大多为四面栅栏或石头砌起的墙。现代猪舍建筑按墙的结构划分有开放式（三面有墙一面无墙）、半开放式（三面有墙，一面设半截墙）、密闭有窗式（四面设墙，窗设在纵墙上）、密闭无窗式（四面设墙，墙上只设应急窗）。按屋顶结构可简单划分为平顶式、单坡式、双坡式（见图1）。

图1 屋顶结构形式

按猪栏排列有单列式、双列式、多列式（见图2）。按用途划分有种公猪舍、种母猪舍、保育舍、生长猪舍。该文假设建造的猪舍结构为半开放双坡双列生长猪舍。

2.2 构成要求

众所周知，为了让生猪安全健康地生长，就必须对生猪所生存的环境进行严格要求。对于地面及墙体，要求保温、坚实、不透水、平整、不滑、便于清扫；对于屋顶，要求防火、不透风、不漏水、结构轻便、有一定的承重能力。墙体对保温性的要求可以通过泡沫保温板来实现。除此之外，猪舍对采光和通风的要求也是极高的。最重要的是对排污系统的要求，粪沟要保证有足够的宽度、坡度及一定的表面光滑度。

3 室内设备

3.1 围栏设备

现代化养猪围栏设备根据生猪的阶段不同可大体分为公猪栏、配种栏、妊娠栏、分娩哺乳栏、保育栏等。生猪所处阶段不同对围栏设备的需要也不同，饲养人员可根据不同阶段生猪的需要进行针对性地饲养。比如，母猪生产和初生幼崽的养育是养猪中至关重要的环节。初生幼崽的免疫系统功能不健全、对温度的调节能力低、体弱，如果不细心照料，在冬天很可能出现冻死、踩死的情况。这就需要对分娩哺乳栏的围栏设备有更加严格的要求。暖床是舍饲散养工艺中的核心设备，它是一种局部加热设施。为了保证幼崽的成活率，饲养员必须为幼崽们设立舒适的暖床。

图3 一种基于智能系统的清理机器人设计

3.2 饲喂及饮水设备

3.2.1 饲喂设备

近年来，由于受到疫情的影响，粮食的价格有了短暂的上升，故饲料成本也有了明显地提升。因此，减少饲料浪费、提高饲料利用率是当阶段饲养人员首要解决的问题。猪场实际生产过程中虫蛀鼠害、饲料霉变及饲料添加过剩是造成猪场饲料浪费的主要原因，也是增加养殖成本的主要因素。我国目前常用的饲喂设备有：干-湿料箱、干料自动输送设备、液态饲料自动输送设备和群养单喂采食站设备等。

3.2.2 饮水设备

除了需要合理的饲喂设备外，饮水设备对一个大型的养殖场来说也是至关重要的。如果没有给猪舍配备合理的饮水设备，那么很容易会造成水资源的浪费，而且被浪费的水会和粪便混在一起，增加了粪污的产量和清粪的成本，还会增加猪舍空气的湿度。一般的饮水设备包括饮水管道、过滤器、减压阀和自动饮水器等。目前常采用的饮水器有鸭嘴式、杯式和乳头式，且鸭嘴式的优越性会更好。饲养人员需要根据生猪所处的不同阶段来安排合适的饮水设备。

3.3 监测设备

3.3.1 室内气体排放的监测

迄今为止，牲畜活动是臭气排放量最大的来源之一。牲畜排放的尿液和粪便中的氨、硫化氢、二氧化碳和一氧化二氮被认为是增加温室效应和酸雨的主要气体，生猪生产设施运行产生的气体异味是一个严重的社会问题。所以合理的监测并处理生猪粪便中产生的有害气体是当务之急。氨是猪舍环境中最常见的毒物，故准确测量猪舍中氨的排放量是研究的关键。目前最普遍的方法是氨检测仪，可以在猪舍中安装氨检测仪实时监测室内氨气的浓度。防止因室内有毒气体浓度高而引起生猪死亡的情况，避免造成不必要的经济损失。

3.3.2 室内温度及湿度的监测

生猪的汗腺不发达，对环境温度的自我调节能力较差，所以说给生猪提供一个适宜生存的温度环境尤为重要。常见的猪舍保温设备有红外线灯、加热地板、挡风帘幕、电热风器、热风炉等等。降温设备有通风机、喷雾降温系统、滴水降温系统等。最常采用监测室内温度的仪器为温度传感器。当室内温度超出了人工设定的温度范围时，传感器便会发出报警的声音，来提示饲养人员室内温度已超出设定温度范围，并通过冷热环境调控系统对环境进行调控。室内湿度的监测与温度监测同理，通过湿度传感器来监控室内湿度水平，一旦超出设定值，便会报警，这时工作人员便会立刻调节室内湿度。通过室内温度与湿度的监测来给生猪提供一个舒适健康的生长环境。

3.3.3 室内粪便的监测

粪便的监测是室内监测系统中最重要的监测方面，据研究表明，室内的许多有毒气体大多都是从粪便和尿液中分解出来的，所以，实时监测猪舍中粪污的排放情况就显得尤为重要。智能清粪机器人就是用来完成这项检测的，它不仅可以清理粪便，也有着监测室内粪便量的作用。机器人在巡逻过程中会不断记录每部分的粪便量，然后会计算总的粪便量。当总粪便量达到设定值时，机器人就开始完成他的清粪任务。而这一切的实施都依赖于机器人身上的监控系统以及人类的编程技术。只有给机器人精确的算法，它才能更好地完成监测以及清粪任务。

4 粪便清理系统

利用高压水技术对猪舍进行人工清洗是人类劳动最繁琐、最威胁健康的工作之一。这个清洁过程本身会导致工作环境的恶化，因为被冲洗的污垢、微生物和水等不经意间会被操作者吸入。因此，对从事禽舍清理的工作人员来说，工作条件智能化发展是必须解决的问题。进一步的研究表明，机器人在洗涤剂及水的利用率方面的性能较差。机器人清洗的耗水量比人工清洗高40%。而且机器人清洗通常需要随后的手动清洗，因为机器人缺乏检测被清洗地面清洁度的能力。粪便清理系统的关键是开发一种智能传感系统，为生猪隔间的自动清理系统提供数据。

智能传感系统的主体为智能清理机器人，该机器人的基本结构为主控制系统、监控系统、清粪系统、驱动执行系统、喷水系统等。主控制系统是机器人工作的核心系统，由它来控制机器人的各个系统，占据了主导地位。监控系统的具体体现为位于机器人上方的摄像头设备，该摄像头可360°旋转，来监测机器人行进位置周围的地面环境。清粪系统由位于机器人下方的可伸缩的刮粪板来完成。喷水系统不单单只完成喷水这一项任务，它要将水从含有化学试剂的通道处喷出以达到更有效地处理粪便的目的。驱动执行系统由主控制系统控制，控制机器人的清理路径。

机器人的基本构成中还缺一项最基本的功能便是能够自动识别猪舍里的粪便。“猪舍自主清洁智能传感系统”是为了改善人类工作环境，优化猪舍清洁资源利用而创立。具体目标是开发一种智能传感器系统，该系统能够为不同隔间里的牲畜的自动清洁系统提供非清洁区域的位置范围和数据。所开发的传感器系统与自主清洗系统相结合，将能够在猪舍中进行不同批次间的清洗，并控制达到的清洁度水平。该清理系统可以根据相关地面特征和待清除粪便的干湿程度及总量选择要采用的成像传感器技术。这种方法将鲁棒控制器和基于上下文的传感器信号分析相结合，以提供一种智能传感器，该传感器可以定位要清理区域的粪便，并与机器人设备交互以执行所需的清洁。该传感系统应具备能够在室内移动，记录清洁水平，并将获得的数据传递给清粪机器人的功能。清洁传感器可用于自主操作，独立于清洁过程。除此之外，为了优化清理过程中的耗水问题，那么就应该选择合适的水压、射流角度、用水量以及脉冲率等。

由研究可知，生猪粪便中80%以上为有机肥，剩下不足20%为无机肥。而且猪舍地板一般为混凝土，为无机材料，故可以通过监测地板表面的有机含量来识别生猪粪便。清洁度传感器的主要技术支持为可见光和近红外波段的图像分析。因此，可将光谱分析法与特殊照明相结合，来达到识别非洁净区域位置的目的。

自动识别传感系统固然重要，但为了防止其工作过程中出现识别误差，备用选择便是机器人头上的摄像头。那么，将拍摄到的内容传输到PC机上就需要用到图像无线传输技术。图像无线传输系统主要负责将移动的自动清粪机器人前方拍摄到的相关图像传输到PC机上。

当然，只凭借一个智能传感系统来完成清理任务是远远不够的，需要其他系统的配合，特别是主控制系统。机器人的工作原理简单概括为：首先清粪机器人在猪舍中巡逻视察，通过无线智能传感技术将室内环境传送给监控室的工作人员。其次，工作人员根据具体情况给机器人提供其所执行的命令，所有的命令都存在于机器人的主控制系统中，它会根据具体命令来控制其他相应系统。最后通过电机带动执行机构开始完成清粪任务。这样一套完整的粪便清理系统便完成。

5 粪便回收系统

智能清理系统的建立很好地解决了养猪场粪污的清理问题，也大大提高了饲养人员的工作效率，但随之而来的更大的问题便是粪污的处理问题。如何处理猪舍产生的粪污并不使其给环境造成更大的威胁成了当今养殖业需要处理的问题，国内外学者提出的方法主要有生物回收法和化学回收法。

5.1 生物方法回收粪便

对人类来说，粪便不但不能给人类带来好处还会给人类增添清理的麻烦。但粪便却是自然界中许多昆虫的主要食物，尤其是Black soldier fly幼虫。

Black soldier fly是一种常见于美国东南部的本土昆虫。成虫在幼虫栖息地附近的裂缝中生活、交配和产卵。由于成虫对人类的居住环境或食物没有造成威胁，因此Black soldier fly未被视为有害生物。Black soldier fly能够将粪便中残留的蛋白质等营养物质转化为可利用生物量，所以说粪便是一种优质的动物蛋白饲料。

因此最简单的生物粪便回收系统采用野生Black soldier fly种群来消化粪便。有了这样一种理论依据，就可以通过利用这种生物的特性来实现对猪舍粪便的回收利用，减少猪粪对环境的污染。

5.2 化学方法回收粪便

另一种比较好的方法便是电渗析法回收猪粪沼渣中的养分。以往的膜技术在处理畜禽粪便时存在着严重的膜污染问题，故采用电渗析法。

电渗析逆转（EDR)指通过频繁地反转电极的极性，可以有效地缓解膜污染颗粒聚集造成的污垢，提供了一种自清洁机制。通过周期性酸洗方案的半连续操作，利用EDR技术从猪粪消化液中长期回收N和P。做到了真正意义上的猪粪回收利用的效果。电渗析法回收粪便中的养分比直接在粪便中加入化学试剂的方法更可取，因为化学反应中，生成物质对环境的要求极为严格，如果稍有不慎就可能发生另一种反应。为了避免不必要的损伤，通常采取电渗析法回收猪粪中养分。

6 小结

本研究基于国内外先进的科技成果，提出适宜国内的现代化、智能化、科学化猪舍管理系统，重在阐述猪舍智能清粪系统的优化，并在猪舍智能识别传感器问题上进行研究，同时也介绍了猪舍基本结构、室内设备以及粪便回收方法并简要介绍了清粪机器人的基本构成。但对于环境因素的定量影响、以及对特定习性品种的猪和清理系统的材质考察并未做出定量化的讨论及解决，对于复杂的工程性问题前瞻总结性研究无可避免地难以对细节性问题做出充分考虑，而对于重大工程可行性分析的细节研究将是推行智能化普遍的重要依据。