Система интеллектуального управления и контроля параметров и режимов работы машин и оборудования ферм по производству молока

Предлагаемая система относится к сельскому хозяйству, а именно к технологиям содержания и обслуживания коров, более конкретно к конструкции устройств и систем контроля параметров и режимов работы машин и оборудования ферм по производству молока, и может быть использована на молочных фермах крупного рогатого скота с различными способами содержания и поголовьем животных.

Известны системы и устройства интеллектуального управления функциональными блоками сельскохозяйственной техники (патент РФ №№2213837, 2213838, 2361049, 2467780, 2601349; патенты на полезную модель №№43123, 139847; патенты WO №2013/089567 и др.).

Из известных систем и устройств интеллектуального управления функциональными блоками сельскохозяйственной техники наиболее близким к предлагаемой является «Устройство для контроля параметров и режимов работы машин и оборудования ферм по производству молока» (патент на полезную модель №139847, A01K 5/02, 2013), которое и выбрано в качестве прототипа.

При этом компьютер фермы по проводной или беспроводной линии соединен с компьютерами пользователей. При значительном расстоянии между компьютером фермы и компьютером пользователя для передачи параметров и режимов работы машин и оборудования фермы по производству молока целесообразно использовать радиоканал и сложные сигналы с фазовой манипуляцией (ФМн), которые обладают высокой помехоустойчивостью, энергетической и структурной скрытностью.

В состав классического приемника сложных (ФМн) сигналов входит преобразователь частоты и демодулятор.

При этом в преобразователе частоты, содержащем гетеродин 25, смеситель 26 и усилитель 27 промежуточной частоты (фиг. 3), одно и то же значение промежуточной частоты ω_пр, может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах, ω_с и ω_з т.е.

и

Следовательно, если частоту настройки ω_с принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота ω_з которого отличается от частоты ω_с на 2 ω_пр и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты ω_г гетеродина (фиг. 3). Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования k_пр, что и по основному каналу, поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость приемника.

Кроме зеркального существуют и другие дополнительные комбинационные каналы приема. В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия:

где ωki - частота i-го комбинационного канала приема;

m, n, i - целые положительные числа.

Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии первой гармоники частоты сигнала с гармониками частоты гетеродина малого порядка (второй, третий), так как чувствительность приемника по этим каналам близка к чувствительности основного канала. Так, двум комбинационным каналам при m=1 и n=2 соответствует частота:

и

Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, приводит к снижению избирательности и помехоустойчивости приемника.

Демодулятору ФМн-сигналов, состоящему из удвоителя фазы 28, делителя фазы 29 на два, узкополосного фильтра 30 и фазового детектора 31 (схема Пистолькорса А.А.), присуще явление «обратной работы», которое обусловлено неопределенностью начальной фазы опорного напряжения, выделяемого непосредственно из принимаемого ФМн сигнала. При равновероятных значениях переменной составляющей фазы сигнала: ϕ₁=0 и ϕ₂=π отсутствующий признак, который позволял бы «привязать» фазу ф_с опорного напряжения к одной из фаз сигнала. Поэтому фаза опорного напряжения всегда имеет два устойчивых состояния: ϕ_с и ϕ_с + π. Переход из одного состояния в другое может происходить скачкообразно в случайные моменты времени под действием помех, кратковременного прекращения приема и других факторов, что и приводит к явлению «обратной работы». Указанное явление присуще и другим известным демодуляторам ФМн сигналов (схемы Сифорова В.И., Костаса Д.Ф. и Травина Г.А.).

Наличие явления «обратной работы» приводит к снижению достоверности и помехоустойчивости приемника.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости приема сложных сигналов с фазовой манипуляцией и достоверности их демодуляции путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, и устранения явления «обратной работы».

Поставленная задача решается тем, что система интеллектуального управления и контроля параметров и режимов работы машины и оборудования ферм по производству молока, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, устройство для идентификации отдельного животного из группы скота, компьютер с программой, устройство для кормления, система доения, которая контролируется компьютером, датчики в системах утилизации навоза, микроклимата, ресурсообеспечения фермы, контроля качества продукции, сигналы с которых поступают на входы своих многоканальных цифровых измерителей, выходы последних соединены через модуль сбора данных на вход компьютера фермы, на второй вход которого подается сигнал с регистратора визуального контроля, соединенного с видеокамерами, установленными на ферме, при этом компьютер фермы по проводной или беспроводной линии соединен с компьютерами пользователей, отличается от ближайшего аналога тем, что компьютер фермы выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен через формирователь модулирующего кода с выходами модуля сбора данных и регистратора визуального контроля, усилителя мощности передающей антенны, а компьютер пользователя выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, первого фильтра нижних частот, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, узкополосного фильтра, фазового детектора второй вход которого соединен со вторым выходом гетеродина, и второго фильтра нижних частот, выход которого соединен с управляющим входом гетеродина, причем выход первого фильтра нижних частот подключен к входу блока регистрации, частота ω_г гетеродина выбирается равной частоте ω_c принимаемого сложного сигнала с фазовой манипуляцией ω_г=ω_с и указанное равенство поддерживается системой фазовой автоматической подстройкой частота ω_г гетеродина.

Структурная схема системы интеллектуального управления и контроля параметров и режимов работы машины оборудования ферм по производству молока представлена на фиг. 1, 2, 3, 4 и 5.

Структурная схема устройства для контроля параметров и режимов работы машин и оборудования ферм по производству молока представлена на фиг. 1. Структурная схема компьютера фермы 14 изображена на фиг. 2. Структурная схема классического приемника сложных ФМн сигналов изображена на фиг. 3. Структурная схема компьютера пользователей 18 изображена на фиг. 5. Частотная диаграмма, иллюстрирующая образование дополнительных каналов приема, показана на фиг. 4.

На молочной ферме установлены датчики 1.i процесса доения, датчики 2.i процесса кормления, датчики 3.i системы утилизации навоза, датчики 4.i микроклимата, датчики 5.i системы ресурсообеспечения и датчики 6.i системы контроля качества продукции (i = 1, 2, …, n). Сигналы с этих датчиков поступают на входы многоканальных цифровых измерителей 7-12 соответственно. Выходы измерителей 7-12 через модуль 13 сбора данных соединены с входом компьютера с программой 14 фермы, на второй вход последнего подается сигнал с видеокамер 15, установленных на ферме, через регистратор визуального контроля 16. Компьютер с программой 14 проводной или беспроводной линией 17 соединен с компьютерами пользователей 18.

Компьютер с программой 14 фермы выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора 19, фазового манипулятора 21, второй вход которого через формирователь 20 модулирующего кода соединен с выходами модуля сбора данных 13 и регистратора 16 визуального контроля, усилителя 22 мощности и передающей антенны 22.1.

Классический приемник сложных ФМн сигналов выполнен в виде последовательно включенных: приемной антенны 23, усилителя 24 высокой частоты, смесителя 26, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 25, усилителя 27 промежуточной частоты, удвоителя фазы 28, делителя фазы на два 29, узкополосного фильтра 30, фазового детектора 31, второй вход которого соединен с выходом усилителя 27 промежуточной частоты, и блока 32 регистрации.

Компьютер 18 пользовательский выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны 23, усилителя 24 высокой частоты, смесителя 26, второй вход которого соединен с первым входом гетеродина 25, первого фильтра 33 нижних частот, перемножителя 35, второй вход которого соединен с выходом усилителя 24 высокой частоты, узкополосного фильтра 30, фазового детектора 31, второй вход которого соединен со вторым выходом гетеродина 25, и второй фильтр 36 нижних частот, выход которого соединен с управляющим входом гетеродина 25. Выход первого фильтра 33 нижних частот подключен к входу блока регистрации 32. Фильтр 36 нижних частот, перемножитель 35, узкополосный фильтр 30 и фазовый детектор 31 образующий систему 34 автоматической подстройки (ФАПЧ) гетеродина 25.

Предлагаемая система работает следующим образом.

В процессе производства молока и обслуживания животных, находящихся в помещениях, задействован целый ряд машин и оборудования, которые разбиты на группы в соответствии с выполняемыми технологическими процессами. Каждая машина и единица оборудования оснащена рядом датчиков физических величин 1-6, фиксирующие определенные ее рабочие параметры, например температуру, влажность, давление, скорость перемещения, частоту вращения, напряжение, силу тока, мощность, газовый состав и другие. Сигналы с датчиков поступают в многоканальные цифровые измерители 7-12, соответствующие определенной технологической системе. Поступивший сигнал обрабатывается в многоканальном цифровом измерителе и передается в модуль 13 сбора данных, где все поступившие данные также обрабатываются и формируются в базе данных и далее по установленной форме и заданному временному графику пакетом по линии передачи данных направляются на персональный компьютер фермы 14. На персональном компьютере с программой 14 формируется база данных, определяется режим работы оборудования (нормальный, критический, аварийный) и по установленной форме эта информация передается на компьютер пользователя 18 посредством проводных и беспроводных линий 17.

Одновременно видеосигнал с видеокамер 15 поступает на регистратор 16 визуального контроля и далее на персональный компьютер фермы 14, где сохраняется в базе данных. По необходимости персонал фермы может оперативно ознакомиться с текущей ситуацией в помещениях фермы или на прилегающей территории, а также ознакомиться с событиями, произошедшими ранее на ферме, что очень важно при расследовании выявленных нарушений.

При беспроводной связи между компьютерами 14 и 18 задающим генератором 19 формируется гармоническое колебание

где U_c, ω_с, ϕ_с, Т_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания, которое поступает на первый вход фазового манипулятора 21, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода формирователя 20 модулирующего кода. Модулирующий код M(t) содержит всю необходимую информацию о процессе производства молока и обслуживании животных, находящихся в помещениях.

На выходе фазового манипулятора 21 формируется сложный сигнал с фазовой манипуляцией ФМн

где ϕ_к(t) = {0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), который после усиления в усилителе 22 мощности поступает в передающую антенну 22.1, излучается ею в эфир, улавливается приемной антенной 23 и через усилитель 24 высокой частоты наступает на первый вход смесителя 26, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 25

При этом частота ω_г гетеродина 25 выбирается равной несущей частоты ω_с принимаемого ФМн сигнала ω_г=ω_с. В этом случае на выходе смесителя 26 образуется низкочастотное напряжение

где

пропорциональное модулирующему коду M(t). Это напряжение выделяется фильтром 33 нижних частот и поступает на вход блока 32 регистрации и на первый вход перемножителя 35, на второй вход которого подается принимаемый ФМн сигнал U₁(t) с выхода усилителя 24 высокой частоты. На выходе перемножителя 35 образуется гармоническое колебание

где

которое выделяется узкополосным фильтром 30 и поступает на первый вход фазового детектора 31, на второй вход которого подается напряжение u_r(t) гетеродина 25.

Так как несущая частота ω_с принимаемого сложного ФМн сигнала может изменяться под воздействием различных дестабилизирующих факторов, в том числе и эффекта Доплера, то используется система 34 фазовый автоматический подстройки частоты (ФАПЧ), состоящая из перемножителя 35, узкополосного фильтра 30, фазового детектора 31 и фильтра 36 нижних частот.

Если гармонические колебания u₂(t) отличаются друг от друга по частоте или фазе, то на выходе фазового детектора 31 формируется управляющее низкочастотное напряжение, которое выделяется фильтром 36 нижних частот и воздействующий на управляющий вход гетеродина 25, изменяя его частоту ω_г так, чтобы выполнялось равенство ω_г=ω_с. При этом амплитуда и полярность управляющего низкочастотного напряжения определяется степенью и стороной отклонения частоты ω_г гетеродина 25 от несущей частоты ω_с принимаемого сложного ФМн сигнала.

В процессе изменения несущей частоты ω_c принимаемого сложного ФМн сигнала указанное равенство будет автоматически поддерживаться системой ФАПЧ 34.

Следовательно, предлагаемая схемная конструкция выполняет одновременно две функции: преобразователя частоты и демодулятора принимаемого сложного ФМн сигнала. При этом за счет преобразования принимаемого сложного ФМн сигнала на низкую (нулевую) частоту отсутствуют дополнительные каналы приема. Нет причины и для явления «обратной работы».

Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение помехоустойчивости приема сложных сигналов с фазовой манипуляцией и достоверности их демодуляции. Это достигается путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, и устранения явления «обратной работы» за счет использования схемной конструкции, которая выполняет две функции: преобразователя частоты и демодулятора принимаемого сложного ФМн сигнала. При этом за счет преобразования принимаемого сложного ФМн сигнала на низкую (нулевую) частоту отсутствуют дополнительные каналы приема. Нет причин и для явления «обратной работы». Сложные ФМн сигналы обладают высокой помехоустойчивостью, энергетической и структурной скрытностью.

Техническая реализация предлагаемой системы не вызывает определенных затруднений и может найти широкое применение при разработке радиоканалов современных ферм по производству молока.