奶牛多精料動(dòng)態(tài)補(bǔ)飼裝置的設(shè)計(jì)

1、奶牛多精料動(dòng)態(tài)補(bǔ)飼裝置的設(shè)計(jì)王冉冉1，周艷菊1，田富洋1，王震2，劉莫塵1，李法德2（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，泰安，271018；2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，泰安，271018）摘要本文設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)為控制核心的奶牛多精料動(dòng)態(tài)補(bǔ)飼裝置。該系統(tǒng)通過(guò)射頻技術(shù)識(shí)別奶牛身份，并根據(jù)奶牛的個(gè)體信息自動(dòng)進(jìn)行精料的變量補(bǔ)飼，實(shí)現(xiàn)多種精料的精確、快速配料和飼喂，同時(shí)利用門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)了奶牛防沖突防干擾系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)計(jì)量準(zhǔn)確，并且能夠有效解決奶牛采食中，其它奶牛的干擾問(wèn)題，節(jié)約飼料15%左右，同時(shí)節(jié)約了人力成本，提高了奶牛產(chǎn)奶量。關(guān)鍵詞: 奶牛 多精料飼喂 動(dòng)態(tài)補(bǔ)飼 身份識(shí)別 防沖

2、突Design of cow multi concentrated feed dynamic feeding deviceWang Ranran1, Zhou Yanju1, Tian Fuyang1, Wang Zhen2, Liu Mohen1, Li Fa-de2（1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong Agricultural University, Taian, 271018, China;2. Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural M

3、achineries and Equipments, Taian, 271018, China）AbstractThe cow multi concentrated feed dynamic feeding device which based on single-chip microcomputer control was designed in this paper. This system distinguish dairy cow through the RFID technology, and change feeding automatically according to the

4、 cow individual information, to achieve feed accurate, fast of multi concentrated feeding, at the same time anti-interference system was designed using entrance guard system. Experiments show that, the system measurement accuracy, and can effectively solve the problem of interference in dairy cow fe

5、eding from other dairy cow, saving about 15%, at the same time, save manpower cost, improve milk yield.隨著奶業(yè)的發(fā)展，中國(guó)的奶牛養(yǎng)殖模式，由散養(yǎng)模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)模化養(yǎng)殖，奶牛養(yǎng)殖小區(qū)正在逐步成為一種規(guī)模飼養(yǎng)奶牛的主要模式，為縮小我國(guó)奶牛單產(chǎn)與世界平均水平的差距，提高單頭奶牛的產(chǎn)量并保證生產(chǎn)安全的奶產(chǎn)品，提升飼養(yǎng)管理技術(shù)水平，推行奶牛飼養(yǎng)生產(chǎn)機(jī)械化是中國(guó)奶牛業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)1-6。奶牛作為畜牧養(yǎng)殖的重要草食動(dòng)物，不同于精料型自由采食的豬和禽類，基本上是個(gè)體計(jì)量單喂。奶牛日糧中的飼草和其他非精飼

6、料組分（青貯料、根莖類、糟渣類）非常重要，且要求占日糧的一定比例范圍。奶牛日糧中的精飼料部分，通常配成精料補(bǔ)充料形式。在每次擠奶同時(shí)分別喂給。而在奶牛的機(jī)械化飼養(yǎng)管理中，采用的精料飼喂方式通常是直接購(gòu)買固定配方的精料統(tǒng)一飼喂，不考慮奶牛的個(gè)體差異，既造成了精料飼料的浪費(fèi)，又可能對(duì)個(gè)別奶牛產(chǎn)生負(fù)面影響7-17。因此，設(shè)計(jì)一款能夠根據(jù)奶牛個(gè)體差異，進(jìn)行精料動(dòng)態(tài)補(bǔ)飼的裝置，不但可以降低飼喂成本，還能夠提高奶牛產(chǎn)量。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖奶牛多精料動(dòng)態(tài)補(bǔ)飼裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要由精料飼喂控制中心、奶牛身份識(shí)別系統(tǒng)、精料配料系統(tǒng)、精料稱重系統(tǒng)、混合排料系統(tǒng)和門禁裝置6部分組成。圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

7、框圖精料飼喂控制中心采用微芯公司的高可靠性PIC單片機(jī)為處理器；奶牛身份識(shí)別系統(tǒng)采用長(zhǎng)距離無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)，配合唯一卡號(hào)的EMIC卡，實(shí)現(xiàn)奶牛身份的自動(dòng)識(shí)別；利用精料配料系統(tǒng)分別排出四種精料飼料，通過(guò)精料稱重系統(tǒng)控制配料，將配好的精料送入混合排料系統(tǒng)，自動(dòng)攪拌混合后，排出到采食槽；門禁裝置可以防止奶牛補(bǔ)料的過(guò)程中受到干擾，同時(shí)也可以防止奶牛重復(fù)采食精料。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 精料飼喂控制中心精料飼喂控制中心的CPU選用微芯公司PIC16F87x系列的單片機(jī)，具有高可靠性的工業(yè)級(jí)芯片18，通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可以通過(guò)LCD顯示，查詢奶牛精料飼喂歷史事件，并可以顯示當(dāng)日未能補(bǔ)飼奶牛的牛號(hào)，如

8、有需要，可通過(guò)觸屏控制打印某段事件的奶牛飼喂歷史。通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器對(duì)奶牛飼喂工作進(jìn)行定時(shí)，當(dāng)日奶牛飼喂歷史每12小時(shí)存入SD卡后清空內(nèi)存，也可以通過(guò)設(shè)置，利用GPRS模塊向指定手機(jī)發(fā)送當(dāng)日奶牛飼喂記錄情況。RS485通訊外接EMID超遠(yuǎn)距離讀卡器，實(shí)現(xiàn)對(duì)奶牛的身份識(shí)別。運(yùn)算放大器外接稱重傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)精料配料重量的計(jì)量。步進(jìn)電機(jī)控制器外接配料系統(tǒng)、排料攪拌系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。整個(gè)系統(tǒng)使用5V供電，由開關(guān)電源為系統(tǒng)提供電能。圖2精料飼喂控制中心結(jié)構(gòu)框圖2.2 奶牛身份識(shí)別系統(tǒng)奶牛身份識(shí)別系統(tǒng)采用北京完美科技的WM-18系列的EMID卡及超遠(yuǎn)距離讀卡器實(shí)現(xiàn)，射頻卡發(fā)射頻率為12

9、5 kHz，最大讀卡距離不低于95 cm，EMID射頻卡擁有全球唯一ID，佩戴在奶牛頸部，方便讀卡器識(shí)別。讀卡器通過(guò)RS485通訊方式與控制中心連接。2.3 精料配料系統(tǒng)配料系統(tǒng)分為兩部分，奶牛精料飼喂配方中，蛋白質(zhì)和能量飼料需求量較大，占精料配方的90%以上，鈣、維生素和鹽分所占比例相對(duì)較小，因此在配料系統(tǒng)中，使用了三個(gè)大的料倉(cāng)，分別存儲(chǔ)豆粕、麩皮和玉米，用三個(gè)小的料倉(cāng)存儲(chǔ)礦物質(zhì)、食鹽和促奶預(yù)混料。由控制中心控制配料系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，按照順序，分別通過(guò)螺旋式排料裝置，將各種精料依次排放至稱重系統(tǒng)，通過(guò)控制中心的單片機(jī)對(duì)稱重系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)的計(jì)算和奶牛個(gè)體的配方，確定排料是否停止。2.4 精料稱

10、重系統(tǒng)奶牛精料補(bǔ)飼的范圍一般不超過(guò)15kg，稱重傳感器選用拉壓力稱重傳感器（YDLBS)，稱重為20kg，靈敏度為2.00.05 mV/V，準(zhǔn)確度0.03%FS，根據(jù)計(jì)算，稱量的最大誤差為6g，完全滿足奶牛精料稱量的需求。為消除由于精料粘連在稱重系統(tǒng)的秤盤上造成的稱量不準(zhǔn)，該系統(tǒng)采用累加稱重方式，先分別對(duì)奶牛精料的三個(gè)大料倉(cāng)的排放進(jìn)行稱量，再分別對(duì)三個(gè)小料倉(cāng)的排放進(jìn)行稱量。這種稱量方式下，稱量系統(tǒng)的秤盤上即使遺留了部分精料，由于首先稱量玉米精料，也僅對(duì)玉米精料造成影響，而玉米精料通常占精料的50%左右，重量可達(dá)6kg，這種影響對(duì)奶牛影響可以忽略。剩余五種精料的稱量精度就可以得到保證。2.5 混

11、合排料系統(tǒng)精料稱重系統(tǒng)將所有6種精料稱重后，利用螺旋排料系統(tǒng)，將飼料混合并排料至奶牛采食槽，設(shè)計(jì)螺旋直徑80mm，節(jié)距60mm，長(zhǎng)度360mm。螺旋式的排料系統(tǒng)由于存在輸送段，排料速度較慢，在輸送過(guò)程中可以使精料混合均勻，然后排放至奶牛采食槽。圖3 螺旋排料裝置1-驅(qū)動(dòng)電機(jī)；2-排料螺旋；3-料筒外殼；4-稱重傳感器2.6 門禁裝置研究表明：奶牛在補(bǔ)料的過(guò)程中，有42%的奶牛會(huì)受到其它奶牛的干擾，其中有63%的奶牛會(huì)因受到干擾而導(dǎo)致采食終止。因此，為保證奶牛的正常采食和補(bǔ)飼的針對(duì)性，系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了門禁裝置。門禁裝置如圖4所示，當(dāng)射頻卡讀卡器檢測(cè)到未采食精料的奶牛，門禁護(hù)欄下落，使奶牛前半身可以

12、進(jìn)入采食槽的采食區(qū)域，同時(shí)通知控制中心進(jìn)行配料，奶牛采食完畢后，由紅外探測(cè)裝置檢測(cè)到奶牛離開采食區(qū)域了，通過(guò)控制中心控制門禁電機(jī)使門禁護(hù)欄上升，完成單頭奶牛的采食過(guò)程。圖4 門禁裝置1-精料倉(cāng)；2-采食槽；3-門禁護(hù)欄；4-讀卡器；5-紅外探測(cè)裝置；6-奶牛3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件使用MPLAB環(huán)境，用c語(yǔ)言編程，在正常實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的前提下，具有軟件陷阱、冗余操作和看門狗定時(shí)器等軟件抗干擾設(shè)計(jì)。軟件的主要流程圖如圖5所示。圖5 主程序流程圖當(dāng)奶?？拷T禁裝置，奶牛識(shí)別系統(tǒng)的讀卡器根據(jù)奶牛佩戴的射頻卡卡號(hào)讀取奶牛個(gè)體信息， 確定該頭奶牛是否需要補(bǔ)飼精料，若需要補(bǔ)飼，則打開門禁，將讀卡器斷電，并通

13、過(guò)控制中心存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)信息，查詢奶牛數(shù)據(jù)，并調(diào)用該次補(bǔ)飼的配方，控制精料配料系統(tǒng)進(jìn)行配料，先對(duì)玉米進(jìn)行排料，稱重達(dá)到配方標(biāo)準(zhǔn)后，對(duì)豆粕進(jìn)行排料，與玉米精料混合稱重，然后是麩皮，最后是三個(gè)小料倉(cāng)的排料和稱量。投料結(jié)束后，紅外檢測(cè)裝置檢測(cè)奶牛是否吃完離開，奶牛離開后，門禁系統(tǒng)關(guān)閉，讀卡器重新上電，并將本次飼喂信息存儲(chǔ)至SD卡，完成本次飼喂。若需要更新奶牛數(shù)據(jù)庫(kù)中的飼喂配方，只需要將系統(tǒng)中的SD卡在上位機(jī)中修改相應(yīng)數(shù)據(jù)即可。在補(bǔ)飼間隙還可以通過(guò)LCD觸摸屏查詢一段時(shí)間的補(bǔ)飼數(shù)據(jù)，并通過(guò)打印機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)打印，還可以通過(guò)GPRS將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送至指定手機(jī)。4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作完成后，首先在室內(nèi)對(duì)裝

14、置的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。投料質(zhì)量用電子天平JA5003A標(biāo)定，裝置的響應(yīng)和動(dòng)作時(shí)間用秒表進(jìn)行標(biāo)定，響應(yīng)距離用卷尺進(jìn)行標(biāo)定。檢測(cè)結(jié)果表明，在干燥條件下，秤盤上遺留飼料較少，投料質(zhì)量的計(jì)量誤差在1%以內(nèi)，門禁裝置動(dòng)作時(shí)間從讀卡器讀取數(shù)據(jù)到完全打開，需要5.2S，排料時(shí)間15.1S，讀卡器響應(yīng)距離受門禁裝置的影響，由讀卡器銘牌的100cm下降到了55cm，但是滿足響應(yīng)距離的要求，射頻卡讀卡器自帶防沖突功能，選取10個(gè)射頻卡，每個(gè)射頻卡讀取20次，識(shí)別正確率達(dá)到100%。該裝置在山東泰山生力源乳液公司進(jìn)行了3個(gè)月的試運(yùn)行，根據(jù)專家系統(tǒng)對(duì)50頭奶牛的精料飼喂配方進(jìn)行了重新計(jì)算，與之前的飼喂方法相比，結(jié)余

15、飼料成本15%。奶牛在經(jīng)過(guò)1周左右的培訓(xùn)后，能夠主動(dòng)識(shí)別補(bǔ)飼裝置并自動(dòng)進(jìn)行采食，且通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，奶牛采食后，采食槽內(nèi)幾乎無(wú)遺留的精料，SD卡數(shù)據(jù)保存完整，奶牛的產(chǎn)奶量沒(méi)有明顯變化，各項(xiàng)指標(biāo)均符合奶牛飼喂要求。5 結(jié)論（1）該裝置使用專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)每頭奶牛的精料配方進(jìn)行動(dòng)態(tài)飼喂，節(jié)約精料飼料15%，同時(shí)節(jié)約了人力成本，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)飼喂。（2）奶牛計(jì)量裝置準(zhǔn)確，能夠針對(duì)每頭奶牛的個(gè)體狀況單獨(dú)設(shè)計(jì)配方，通過(guò)改變專家系統(tǒng)的設(shè)定，可以適用于各種不同品種奶牛的飼喂。（3）飼喂結(jié)果表明，門禁裝置有效解決了奶牛采食過(guò)程中受干擾問(wèn)題，和單頭奶牛多次補(bǔ)飼的問(wèn)題，同時(shí)不存在采食槽遺留飼料造成飼喂精料的誤差。參考文獻(xiàn)1

16、李順. 中國(guó)畜牧業(yè)發(fā)展歷程分析及趨勢(shì)預(yù)測(cè)J. 中國(guó)畜牧雜志. 2010(12)2 李杰. 奶牛養(yǎng)殖小區(qū)現(xiàn)象分析J. 中國(guó)乳業(yè). 2010(06)3 張永根,李勝利,曹志軍,周鑫宇. 奶牛散養(yǎng)戶長(zhǎng)期存在的必然性和未來(lái)出路的思考J. 中國(guó)畜牧雜志. 2009(02)4 李勝利. 中國(guó)奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)J. 中國(guó)畜牧雜志. 2008(10)5 G. Borreani, M. Coppa, A. Revello-Chion, et al. Effect of different feeding strategies in intensive dairy farming systems on m

17、ilk fatty acid profiles, and implications on feeding costs in ItalyJ. Journal of Dairy Science 2013，96(11):684068556 P. Morand-Fehr, V. Fedele, M. Decandia, et al. Influence of farming and feeding systems on composition and quality of goat and sheep milkJ. 2007,68(1-2):20-347 李法德,王中華,郭予偉等.奶牛數(shù)字化精準(zhǔn)飼養(yǎng)裝

18、置:中國(guó), CN200810013818YP. 2008-07-09.8 倪志江,高振江,蒙賀偉等. 智能化個(gè)體奶牛精確飼喂機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2009,40(12):205209.9 范永存,張長(zhǎng)利,董守田等.奶牛精量飼喂系統(tǒng)研究J. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2009,40(增刊):6568.10 熊本海.奶牛精細(xì)養(yǎng)殖綜合技術(shù)平臺(tái). 北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社,2005.11 花俊國(guó),周永亮,花俊治,等.奶牛自動(dòng)飼喂系統(tǒng)的研究與開發(fā).農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(2):7983.12 田富洋.奶牛采食量自動(dòng)檢測(cè)儀的研制.泰安:山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2006.13 YanYinfa, WangRanran, SongZhanhua, et al. Study on intelligent multi-concentrates feeding system for dairy cowC roceeding sof Joint International Agricultural Conference, PaperNo.