胡振楠 孫紅敏 李曉明

摘 要：豬舍刮糞板在運(yùn)行過(guò)程中可能存在清理不徹底、糞道內(nèi)異物阻礙刮糞板運(yùn)行、刮糞板損毀等工作人員難以監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，因此設(shè)計(jì)一種基于加速度傳感器的刮糞板運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，并通過(guò)MATLAB進(jìn)行仿真。通過(guò)MPU6050傳感器獲得當(dāng)前狀態(tài)下刮糞板的姿態(tài)角，采集正常狀態(tài)下運(yùn)行數(shù)據(jù)并運(yùn)用中值濾波算法消除異常角度波動(dòng)，由此確定閾值，根據(jù)不同角度閾值將刮糞板狀態(tài)不同故障類(lèi)型和等級(jí)，通過(guò)判斷運(yùn)行時(shí)刮糞板各與其對(duì)應(yīng)閾值的關(guān)系完成對(duì)故障的識(shí)別和警報(bào)。依據(jù)預(yù)定義的刮糞板運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行MATLAB仿真測(cè)試，獲得了96.1%的平均準(zhǔn)確率。仿真實(shí)驗(yàn)表明本裝置可用于實(shí)際作業(yè)狀態(tài)下對(duì)豬舍刮糞板狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：豬舍刮糞板運(yùn)行狀態(tài);MPU6050傳感器;故障檢測(cè);中值濾波;MATLAB仿真

引言

隨著養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)化的興起，規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)越來(lái)越多，也越來(lái)越大，隨之帶來(lái)的是污糞的清理問(wèn)題，當(dāng)前，豬場(chǎng)常用的清糞方式包括水沖式清糞、水泡糞清糞、干清糞[1]。其中干清糞為主流清糞方式，干清糞模式是將動(dòng)物的糞便和尿液在清理過(guò)程中進(jìn)行分離，然后再進(jìn)行集中堆放和轉(zhuǎn)運(yùn)處理，通常有人工方式和機(jī)械方式2種，現(xiàn)代化豬場(chǎng)采用機(jī)械式刮糞板清糞系統(tǒng)，其與其他清糞模式相比更有利于節(jié)省資源和保護(hù)環(huán)境[2]。然而，當(dāng)前刮糞板式清糞仍存在一些不可忽視的問(wèn)題，刮板在刮除糞污過(guò)程中可能存在運(yùn)行異常，如刮板左右傾角過(guò)大而導(dǎo)致清理不徹底、糞道內(nèi)異物影響刮板前進(jìn)等情況，異常運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)導(dǎo)致清理不徹底，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致設(shè)備損毀，這是影響刮糞設(shè)備使用壽命的重要因素。本文旨在設(shè)計(jì)一種豬舍刮糞板狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，可在工人無(wú)法觀測(cè)到的情況下準(zhǔn)確識(shí)別故障，在刮糞設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)，并可在故障發(fā)生時(shí)及時(shí)將信息反饋給工作人員，達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)處理，能在工作人員觀察不到的地方發(fā)現(xiàn)故障并預(yù)警，排除潛在故障的可能、提高污糞清理設(shè)備的可靠性以及使用壽命。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與硬件連接

系統(tǒng)硬件設(shè)備分別由STM32單片機(jī)、加速度傳感器、無(wú)線通信模塊、液晶顯示屏、警報(bào)器、供電電源組成，其材料具體信息如表1所示。

主控芯片采用STM32F103，該芯片屬于中低端的32位ARM微控制器，是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex—M3。芯片集成定時(shí)器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多種功能[3]。

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊為NEF24L01，NRF24L01是由 NORDIC 生產(chǎn)的工作在 2.4～2.5GHz 的 ISM頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片， NRF24L01 采用 SPI 通信，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或是1對(duì)多的無(wú)線傳輸，通信速度最高可達(dá)到2Mbps。輸出功率頻道的選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò) SPI 接口設(shè)置，可以連接到大多數(shù)的單片機(jī)芯片，并完成無(wú)線數(shù)據(jù)傳送工作[4]。

加速度傳感器采用MPU6050型號(hào)， MPU6050加速度傳感器模塊集成了三軸陀螺儀傳感器和三軸加速度傳感器，分別用了3個(gè) 16 位的ADC[5]，并有1個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字處理器（DMP），可將其檢測(cè)到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，MPU6050傳感器模塊可控制測(cè)量范圍，提取不同速度的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。通過(guò)得到的加速度和角速度能計(jì)算出歐拉角，且STM32可通過(guò)IIC總線獲取傳感器的數(shù)據(jù)值，誤差小，精度高[6]。

液晶顯示屏采用帶有ILI9341芯片控制的液晶屏，故障發(fā)生時(shí)通過(guò)液晶屏顯示出故障類(lèi)型和相關(guān)信息，該芯片核心部分是位于中間的 GRAM（Graphics RAM），即顯存[7]。GRAM 中每個(gè)存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)液晶面板中的1個(gè)像素點(diǎn)，由自身其他模塊共同把 GRAM 存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成液晶面板的控制信號(hào)，最終顯示程序設(shè)定的信息。

報(bào)警模塊通過(guò)簡(jiǎn)單的蜂鳴器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)單片機(jī)收檢測(cè)都存在故障時(shí)，控制 PNP 型三極管導(dǎo)通[8]，使蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。

供電電源選擇為鋰電池供電方式，電源模塊為2組2節(jié)串聯(lián)的鋰電池，分別為主從設(shè)備供電，2節(jié)鋰電池串聯(lián)提供7.4V電源經(jīng)L298N升壓到12V，再經(jīng)其轉(zhuǎn)換輸出電壓為3.3V為設(shè)備中各模塊供電。

豬舍刮糞板狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置硬件框圖如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于上述硬件系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)MPU6050采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解算獲得刮糞板運(yùn)行的實(shí)時(shí)角度數(shù)據(jù)，利用中值濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得較為合理的閾值，在此閾值的基礎(chǔ)上，對(duì)故障進(jìn)行分類(lèi)劃級(jí)，驗(yàn)證本裝置在應(yīng)用中值濾波算法的基礎(chǔ)上對(duì)故障類(lèi)型識(shí)別的可靠性。

為了保證取得中值的便利性，一般n所取的長(zhǎng)度都是奇數(shù)，在本次試驗(yàn)中每秒鐘可獲得10次角度數(shù)據(jù)，取n，即每0.5s取1次數(shù)據(jù)，此條件下滿(mǎn)足中值濾波條件，且檢測(cè)時(shí)間間隔也較為合理。根據(jù)中值濾波原理，針對(duì)角度的中值濾波步驟如下。

連續(xù)采集n個(gè)角度值并進(jìn)行排序;將中間值返回作為本次有效數(shù)據(jù)。

中值濾波的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)中值濾波得到的數(shù)據(jù)總是可以在輸入的原始角度數(shù)據(jù)中找到，不增加新的數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。

角度檢測(cè)的過(guò)程中存在偶然因素引起的短時(shí)間內(nèi)角度巨幅波動(dòng)，對(duì)閾值的選取可能帶來(lái)巨大誤差，中值濾波方法能有效排除這種由偶然因素產(chǎn)生的波動(dòng)，最終使閾值貼近真實(shí)數(shù)據(jù)。

下圖為通過(guò)中值濾波處理過(guò)的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的對(duì)比圖，如圖2所示。

原始數(shù)據(jù)在4.5～5s、5～5.5s、7.5s出現(xiàn)巨幅波動(dòng)，這種情況由偶然因素引起，濾波后使得角度值更貼近真實(shí)值，使用中值濾波的作用在于使得閾值確定更為真實(shí)、合理、準(zhǔn)確，以免閾值取得過(guò)高，在故障發(fā)生時(shí)不能有效的予以檢測(cè)警報(bào)。

1.2.3 確定閾值

閾值的確定是故障檢測(cè)的前提，基于MPU6050姿態(tài)解算獲取的實(shí)時(shí)角度數(shù)據(jù)和中值濾波處理，可以獲取一組正常運(yùn)行狀態(tài)的橫滾角（R）、俯仰角（P）、偏航角（Y）的波動(dòng)范圍，正常運(yùn)行狀態(tài)下R、P、Y均在±5°內(nèi)波動(dòng)。正常運(yùn)行狀態(tài)下的3個(gè)角度的數(shù)據(jù)20組，取每組R、P、Y波動(dòng)的最大范圍作為每組的閾值，最后取各角平均閾值作為最終閾值，其中橫滾角的閾值為HR=±4.9°、俯仰角的閾值為HP=±4.7°、偏航角的閾值為HY=±4.9°。

以橫滾角為例，正常與故障狀態(tài)下橫滾角變化的情況如圖3。

在運(yùn)行過(guò)程中，橫滾角在4～5.5s、6.5～7.5s間出現(xiàn)正向傾斜，其傾角超過(guò)閾值，在5.5～6.5s角出現(xiàn)反向傾斜，其傾角超過(guò)閾值，此種情況應(yīng)發(fā)出警報(bào)。

2 系統(tǒng)仿真與結(jié)果

在本次實(shí)驗(yàn)中，研究對(duì)象為刮糞板，參數(shù)為該刮糞板運(yùn)行時(shí)的橫滾角（R），俯仰角（P），和偏航角（Y），對(duì)于每個(gè)角度都對(duì)其設(shè)置了相應(yīng)的閾值，分別為HR、HP、HY，超過(guò)閾值范圍則處于異常狀態(tài)，由此，不同的角度組合出來(lái)的故障類(lèi)型也各不相同，為了在發(fā)出警報(bào)時(shí)能反饋準(zhǔn)確的故障信息，將故障進(jìn)行分類(lèi)劃級(jí)，詳細(xì)如表2。

不同的角度異常引起的故障也各不相同，嚴(yán)重程度也不相同，對(duì)此，將故障細(xì)分為7種類(lèi)型3個(gè)等級(jí)，其中污糞清理不徹底為第3等級(jí)，糞道下由異物阻礙刮糞板運(yùn)行為第2級(jí)，出現(xiàn)嚴(yán)重故障為第1級(jí)別，針對(duì)不同等級(jí)故障予以不同類(lèi)型的警報(bào)方式。

對(duì)應(yīng)上表不同運(yùn)行狀態(tài)下各角的波動(dòng)如圖4所示。

根據(jù)上述存在的各類(lèi)運(yùn)行狀態(tài)，我們?yōu)闄z測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)故障分類(lèi)器，輸入當(dāng)前狀態(tài)下各角度值，經(jīng)分類(lèi)5所示。

本系統(tǒng)包含主從設(shè)備，其中從設(shè)備負(fù)責(zé)采集傳感器信息并通過(guò)姿態(tài)解算獲得當(dāng)前狀態(tài)下的角度值，將數(shù)據(jù)發(fā)送至主設(shè)備，主設(shè)備經(jīng)初始化后設(shè)置各角閾值，然后不斷接收數(shù)據(jù)，經(jīng)中值濾波器處理獲得較為準(zhǔn)確的角度值，再經(jīng)故障分類(lèi)器進(jìn)行故障分類(lèi)，對(duì)不同類(lèi)型故障類(lèi)型給出不同處理方式，如果是1級(jí)故障則立即響起警報(bào)，如是其他類(lèi)型故障則記錄相應(yīng)故障類(lèi)型和故障位置，待運(yùn)行結(jié)束后將故障信息通過(guò)液晶屏反饋給工作人員，在刮糞板運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)角度都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)間t，由此通過(guò)設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)確定刮糞板的運(yùn)行速度v，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，通過(guò)s=vt 得知刮糞板出現(xiàn)故障的位置距離s，整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M表2中的8種刮糞板運(yùn)行狀態(tài)，針對(duì)每種運(yùn)行狀態(tài)采集100組角度數(shù)據(jù)，應(yīng)用前文所確定的各角度閾值，利用得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行MATLAB仿真，仿真結(jié)果如表3所示，其中W1～W8對(duì)應(yīng)8種狀態(tài)的測(cè)試組，W1～W8分別代表正常、故障1至故障7，G1～G8代表8種狀態(tài)的結(jié)果組，G1～G8分別代表正常、故障1至故障7。本次仿真實(shí)驗(yàn)的平均準(zhǔn)確率為96.1%。

3 討論與分析

基于仿真結(jié)果，正常狀態(tài)下的測(cè)試組檢測(cè)為正常的準(zhǔn)確率為100%，表明在在實(shí)際作業(yè)狀態(tài)下的刮糞板不會(huì)將正常狀態(tài)誤報(bào)為故障，在W2、W3、W5分別為單個(gè)角度故障類(lèi)型，在此種狀態(tài)下，有96.7%的準(zhǔn)確率，有3.3%的概率誤將故障檢測(cè)為正常，此種狀態(tài)為3級(jí)故障，不影響使用，W4、W6、W7為2級(jí)故障狀態(tài)下有94.3%準(zhǔn)確率，其1%的概率檢測(cè)為正常，4.7%檢測(cè)為3級(jí)故障，W8狀態(tài)下為99%能檢測(cè)到該類(lèi)故障，其中僅有1%檢測(cè)為2級(jí)故障，在實(shí)際作業(yè)中，該準(zhǔn)確率可以滿(mǎn)足作業(yè)要求。但是在此結(jié)果中我們發(fā)現(xiàn)，在測(cè)試組G4和G6組，在誤報(bào)的幾種類(lèi)型中，誤報(bào)為W3類(lèi)型較少分別各1例，說(shuō)明在俯仰角相對(duì)于橫滾角和偏航角更不易檢測(cè)出來(lái)，俯仰角對(duì)應(yīng)的閾值設(shè)置偏高，為進(jìn)一步提高準(zhǔn)確率，應(yīng)合理降低該角對(duì)應(yīng)的閾值。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)刮板式刮糞板運(yùn)行狀態(tài)的研究，對(duì)不同的故障狀態(tài)和危害程度予以分類(lèi)劃級(jí)，根據(jù)不同角度的閾值設(shè)計(jì)出針對(duì)不同故障的檢測(cè)裝置，獲得了較高的準(zhǔn)確率。隨著我國(guó)養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)逐步過(guò)渡為規(guī)?；B(yǎng)殖，大量的清糞設(shè)備成為豬場(chǎng)的必需，本裝置能對(duì)刮糞板的運(yùn)行進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)并能對(duì)不同故障予以不同程度的警報(bào)，對(duì)于清糞設(shè)備的維護(hù)和使用具有重要意義。本裝置在準(zhǔn)確率方面還有提升空間，需要在后續(xù)的研究中設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確且合理的閾值確定方法。

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