异位发酵床智能监测控制系统设计

2023-09-11陈万云

现代农业装备 2023年4期

陈万云，李宇

（广州市健坤网络科技发展有限公司，广东广州 510630）

0 引言

异位发酵床粪污处理技术是2018 年农业农村部十项重大引领性农业技术之一。异位发酵床一般由集污池，运输管道，发酵床，翻堆机4 部分组成：由集污池将养殖场粪污收纳缓冲后通过运输管道输送到发酵床，通过配套的翻堆机使粪污和发酵床的垫料层（由谷壳、木屑、菌糠等加入微生物菌种混合搅拌而成）充分搅拌混合，利用垫料层与粪污中的微生物进行充分发酵，最终转化形成有机肥，实现养殖场粪污的消纳与资源化处理[1]。异位发酵床粪污处理技术因其生态环保、低成本、可循环而受到国家的大力支持[2]，但在推广应用中，养殖户反馈经常出现“死床”现象[3]。

由于异位发酵床功能的发挥主要依赖于微生物的作用[4-8]，发酵床中的微生物通过分解利用粪污及垫料中的有机质释放生物质热使发酵床温度升高，床体持续高温使得水分蒸发较快，同时粪污被微生物快速分解消耗。粪污经垫料混合后需保持50 ℃以上的温度区间，并进行持续发酵才能转化为有机肥[9]，因此，温度是评价发酵床运行效率最为直观的指标[9-10]，也是评价异位发酵床是否“死床”的核心指标之一。当前，对于异位发酵床的运行管理主要依靠人工进行，因人员无法全天候蹲守，加之异位发酵床场地环境恶劣，各项监测操作不便开展，因此不能及时有效反馈异位发酵床的整体运行情况，导致异位发酵床在实际运行过程中常处于“失管”状态，“死床”情况时有发生，其运行管理方式有待进一步改进。

本文设计了一种异位发酵床智能监测控制系统，可实现对异位发酵床全天候、多维度监测，同时可结合监测信息实现对翻堆机、喷淋器的自动控制，最终实现异位发酵床自动运行管理，进而避免“死床”现象，提高粪污处理效率与效益。

1 异位发酵床智能监测控制系统整体方案设计

异位发酵床智能监测控制系统由监测硬件、控制软件系统这2 部分组成。监测硬件包括多功能电力仪表、流量传感器、温湿度移动监测部件、监控摄像头、数据采集器等物联网监测设备，监测硬件安装后通过有线或无线网络与控制软件系统相联通；控制软件系统经过部署设置后可获取监测硬件的监测数据并控制部分监测硬件及作业设备的运行，进而实现粪污处理过程的全方位监控。

当系统未启动时，温湿度监测模块处于升起状态位置。系统启动时，伺服电机将按照软件设定的时间参数带动温湿度监测模块下降到堆料内部一定位置进行数据采集监测，采集完成后，监测硬件返回初始位置，并按照系统设定时间参数开展下一周期监测工作；系统会根据采集的监测数据（主要是温湿度数据）进行信息预警通知及联动翻堆机进行相关翻堆作业，同时会自动记录汇总设备作业过程中的数据（如粪污处理量、处理能耗、处理过程影像等数据信息）供管理者参考，以便调整软件相关参数设置。其组成和工作原理如图1 所示。

图1 异位发酵床智能监测控制系统组成及其工作原理

2 异位发酵床智能监测控制系统硬件设计

异位发酵床智能监测控制系统的监测硬件部分由多功能电力仪表、流量传感器、温湿度移动监测部件、监控摄像头、数据采集器组成。其中温湿度移动监测部件是本系统的核心，主要用于采集床体内部物料的温湿度数据，并以此作为驱动翻堆机和喷淋器的控制信号。其余监测硬件均为市售产品，通过数据接口与控制软件系统实现互通互联，主要用于监测异位发酵床运行过程中的相关数据信息。

2.1 温湿度移动监测部件

异位发酵床温湿度移动监测部件的机械结构由温湿度监测模块、传动模块组成。配套系统控制器，可独立运行，也可与翻堆机控制器进行联动，并可通过手机进行系统参数设定与数据实时访问。

2.1.1 温湿度监测模块

温湿度监测模块主要由固定模块、传感器保护杆、温湿度监测仪组成，其结构示意图如图2 所示，温湿度监测仪是由温度传感器、湿度传感器集成而制成，可设定不同料堆深度监测位点，支持锂电供电、监测数据无线传输的综合传感器。传感器保护杆是由不锈钢钢管制成的半镂空空心杆，主要用于破开粪污发酵层和保护温湿度监测仪，避免因破开粪污发酵层时阻力太大导致温湿度监测仪弯折。温湿度监测仪放入传感器保护壳体，经壳体固定孔固定在固定模块上，固定模块再经传动固定孔固定在传动杆上。

图2 温湿度监测模块结构组成

2.1.2 传动模块

传动模块结构示意图如图3 所示，主要由固定杆、传动轴、伺服电机组成。

图3 传动模块结构组成

当系统未启动时，固定杆处于升起高于异位发酵床位置；系统启动时，伺服电机将按照设定的程序带动传动轴使固定杆下降到发酵床堆料位置，固定于固定杆上的温湿度监测器即可插入发酵堆料层内部开展温湿度数据采集监测工作；数据采集完成后，伺服电机将按照设定的程序带动固定杆返回初始位置。

2.2 多功能电力仪表

多功能电力仪表是一种能耗数据采集设备。该设备内置4G 通讯宽带技术与485 通道，能够单独为电表工作，也可以收集子表的数据信息上传至软件系统。该设备主要用于监测采集异位发酵床翻堆机的用电能耗、用电时间等信息。

2.3 流量传感器

流量传感器是利用电磁感应原理制成的流量计量器。当被测液体流过传感器时，在流体作用下，叶轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比。叶轮的转动会导致磁回路磁阻值的周期性改变，检测线圈中的磁通随之发生周期性变化，产生频率与叶片旋转频率相同的感应电动势，经放大后，进行转换和处理，形成流量体积。该设备内置4G 通讯宽带技术与485 通道，可通过无线或有线方式将数据将数据上传至软件系统。该设备主要用于监测采集粪污处理量，通过时间参数累计即可计算各个时间段异位发酵床的粪污处理能力。

2.4 摄像头

利用监控摄像头的影像记录功能，记录异位发酵床现场运行场景，以补齐监测传感器有数据无画面或监测设备故障时无法监测到有效数据的情况，帮助养殖户对异位发酵床的运行效果进行辅助判断。通过与其他监测硬件的配合使用，实现对异位发酵床运行过程监测全覆盖。

2.5 数据采集器

数据采集器是将通信芯片、存储芯片等集成在一块电路板上，用于数据传输的信息采集装置。数据采集器支持多通道多种传感器信号输入，可集成多种监测传感设备；支持4G、WIFI 和有线通信，可实现监测数据的实时传输。该设备主要用于接收汇总温湿度传感器、多功能电力仪表、流量传感器、摄像头的监测数据信息，并将这些信息通过互联网传输至软件系统，同时负责接收软件系统下达的控制信号，并将其分发至各设备控制终端。

3 异位发酵床智能监测控制系统软件设计

异位发酵床智能监测控制系统软件设计主要包括对伺服电机的精准控制及信息预警、与翻堆机和喷淋器的联动控制、监测信息可视化3 部分。

对伺服电机的精准控制需根据用户的实际需求进行调试，确定运行周期、停留时间。在软件编辑中，本系统以初始设定的运行周期与停留时间作为启动条件，并以运行过程中监测到的温湿度数据作为激发条件；若监测到的温湿度数据正常，即按初始设定的运行周期继续运转；若监测到的温湿度数据异常，即会联动翻堆机与喷淋器进行作业，直至再次监测到的温湿度数据恢复正常，再按照初始设定的运行周期继续运转。在控制伺服电机运转过程中，设置有手动启停控制环节，能够手动启停电机运转。

信息预警即通过系统设定监测指标阈值来控制，当系统运行过程中的监测数据超过设定阈值时，即可发出预警信息，以短信或系统信息方式提醒通知用户。本系统需要进行阈值设定的监测指标主要有温度、湿度、流量，主要对床体料堆的温湿度、翻堆机翻抛作业时的喷淋量进行监测监控。此外，通过摄像头对发酵床的整体运行情况进行监测预警，若异位发酵床物料整体低于划定的警戒线，即可进行预警提醒。同时还可对突发性异常事件的过程进行及时监视和记录，以便管理者及时进行调度指挥。

与翻堆机、喷淋器的联动控制，主要是以温湿度传感器的监测数据作为翻堆机翻抛动作的控制源，当监测数据超过设定阈值时，系统将通过控制器启动翻堆机开展相应位置的翻堆工作，以流量传感器的监测数据作为喷淋器的控制源，当监测数据超过设定阈值，系统即可关闭喷淋器，终止抽污喷淋。系统运转控制流程如图4 所示。