徐世軍，葉秋冬

(重慶理工大學計算機科學與工程學院，重慶 400054)

中國在世界養(yǎng)豬業(yè)占有重要的地位，是世界養(yǎng)豬和豬肉消費的第一大國，年生豬飼養(yǎng)量、出欄量、產(chǎn)肉量均居世界各國之首。然而中國卻不是養(yǎng)豬強國，與養(yǎng)豬發(fā)達國家相比，在良種培育、組織化程度與標準化生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量、加工能力、經(jīng)濟效益等方面都存在較大差距，市場競爭力不強，國際市場占有率低。其中，養(yǎng)豬科技的落后是目前生產(chǎn)落后的重要因素，特別是最近大量建設(shè)的規(guī)?；B(yǎng)豬場，缺乏必要的裝備設(shè)施對豬只進行持續(xù)改良或篩選最佳日糧。20世紀80年代，國外開始應用一種豬生產(chǎn)性能自動測定系統(tǒng)，能夠精確地對豬的生長情況進行記錄，對人員的依賴大大降低，是進行養(yǎng)豬技術(shù)研發(fā)的絕佳平臺，迅速提升了國外的養(yǎng)豬科技水平。但該系統(tǒng)由于價格昂貴，在我國除了一些專業(yè)研究院校少量引進外，豬場或養(yǎng)豬公司方面幾乎沒有購買，使國內(nèi)企業(yè)無法非常有效地對豬只進行改良或?qū)ζ渌B(yǎng)豬技術(shù)進行改進［1］。本研究擬對該設(shè)備進行國產(chǎn)化，大幅降低價格與作用成本，同時根據(jù)目前最新的信息技術(shù)對其進行針對性的改進，使國內(nèi)的規(guī)?；i場能夠買得起、用得起，幫助它們提升養(yǎng)豬技術(shù)水平，從而提高整個行業(yè)的市場競爭力，縮小與國外的差距。系統(tǒng)中自動飼喂站的設(shè)計增加了環(huán)境溫濕度檢測與豬只體溫檢測功能，使數(shù)據(jù)更完整，結(jié)果更準確。該系統(tǒng)具有價格低、維護保養(yǎng)方便等特點，適合在國內(nèi)規(guī)?；i場大量采用，可顯著提升豬場自身的研發(fā)能力，促進其養(yǎng)豬水平上一個新臺階。

1 研究現(xiàn)狀

目前，在世界生豬養(yǎng)殖行業(yè)中，荷蘭、美國等處于領(lǐng)先地位。荷蘭的Velos智能化母豬管理系統(tǒng)中，在所有母豬的耳牌中安裝了芯片，芯片中存有該母豬所有的個體生物檔案信息，可以根據(jù)每頭母豬的識別信息，甚至根據(jù)季節(jié)因素設(shè)置每頭母豬的采食曲線。系統(tǒng)內(nèi)配置了自動精確飼喂器，通過識別電子耳標，按照相應的飼喂曲線給每頭母豬精確飼喂，避免人工飼喂造成的應激以及飼料浪費和由于飼喂不準確造成的母豬體況不均，從而確保每頭母豬得到最準確的飼喂。另外，系統(tǒng)配置了自動分離器，可將豬場需要處理的母豬，如發(fā)情母豬、臨產(chǎn)母豬、生病母豬、打疫苗的母豬等分離到待處理區(qū)域，并分類標記出來，方便豬場工作人員及時處理。即使豬場管理人員在外地，也可以通過電腦遠程了解豬場信息，真正做到豬場管理信息化與現(xiàn)代化。目前，Velos智能化母豬管理系統(tǒng)在荷蘭以及歐美許多國家已經(jīng)得到了廣泛運用。

美國的全自動種豬生產(chǎn)性能測定系統(tǒng)FIRE(feed intake recording equipment)也是利用 RFID電子耳牌的識別技術(shù)，主要任務(wù)是能從一個群體中識別出每個個體，并對個體進行測定和記錄。FIRE測定系統(tǒng)中每個測定欄安裝一臺測定站，每個測定站可以飼養(yǎng)十幾頭測定豬。當佩帶RFID電子耳牌的生豬進入測定站采食時，測定站可以立即記錄該豬的耳牌號碼，并記錄該測定豬進入、退出測定站的時間和測定豬進入前、退出后料槽的重量，其中料槽的重量差即為該測定豬此次的采食量。在測定豬采食的同時，測定豬站立于一個個體稱重秤上，個體稱重秤記錄該測定豬本次采食時的體重值。由于自由采食的緣故，每頭測定豬每天將進入 FIRE測定站進行采食10～15次。FIRE系統(tǒng)將每頭測定豬每次的采食量自動累加成為每天的采食量記錄，并從當日測定的體重值中取一個中間值作為該測定豬當天的體重，以此作為階段飼養(yǎng)的飼料配制基礎(chǔ)，使各階段飼養(yǎng)的飼料營養(yǎng)既滿足豬的生長發(fā)育需要，又不浪費營養(yǎng)物質(zhì)。各階段的飼料營養(yǎng)含量完全與本場的生產(chǎn)豬的生長發(fā)育曲線相吻合。此舉不但可大大節(jié)約飼料成本，減少不必要的營養(yǎng)浪費和避免營養(yǎng)物質(zhì)不足，還可大大降低豬場氮磷廢物的排放，減輕豬場對環(huán)境造成的壓力［2］。

2 自動飼喂站的研究與設(shè)計

2.1 自動飼喂站的研究概況

自動飼喂站基于自動控制、計算機網(wǎng)絡(luò)、無線通信、機械傳動于一體，將多種設(shè)備有機整合，既要考慮實用性，又要考慮經(jīng)濟性。自動飼喂站具備長時間不間斷工作的能力，具備在豬舍環(huán)境下抗灰塵、抗銹蝕、抗撞擊的能力和在較長時間內(nèi)精確計量、準確稱量、精準控制的能力［2］。通常自動飼喂站都是數(shù)臺聯(lián)合使用，中心控制系統(tǒng)負責對這些飼喂站進行統(tǒng)一管理，包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)存儲以及預警等，并自動生成日測定明細表、統(tǒng)計表、測定結(jié)果報表，自動繪制測定期內(nèi)生長性能曲線，還可進一步擴展定制其他多種報表和曲線。自動飼喂站結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 自動飼喂站結(jié)構(gòu)

2.2 自動飼喂站的功能說明

1)飼喂站控制柜。實現(xiàn)飼喂站與計算機系統(tǒng)的通信;實現(xiàn)豬只的RFID識別號、體重、料重、環(huán)境溫度、體溫傳感器信號的采集、處理和存儲;實現(xiàn)料槽的自動定量補料控制;實現(xiàn)信息顯示、報警和緊急狀態(tài)的手動操作;實現(xiàn)重量計量檢測的校準、清零功能［3］。

2)擾動傳感器。通過豬只觸發(fā)，喚醒休眠系統(tǒng)。

3)RFID識別系統(tǒng)。實現(xiàn)豬只識別號的采集。

4)環(huán)境溫度傳感器。實現(xiàn)環(huán)境溫度信號的采集。

5)料槽定量給料系統(tǒng)。接受飼喂站控制柜的給料驅(qū)動及控制;實現(xiàn)料槽的定量存料。

6)豬只體重稱重系統(tǒng)。實現(xiàn)豬只體重及料槽重量的計量和校準、清零功能。

7)豬只體溫測量系統(tǒng)。實現(xiàn)豬只體溫信號的采集。

8)信息顯示、異常報警系統(tǒng)。顯示指定的信息，對異常豬只、故障信息進行報警。

9)護欄及調(diào)整系統(tǒng)。實現(xiàn)豬只的定位和定點飼喂。

10)豬電子耳標全自動識別系統(tǒng)。由RFID標簽、RFID讀寫器及后臺數(shù)據(jù)庫等3部分組成。系統(tǒng)采用無源標簽(射頻卡)，卡內(nèi)無電池，適應在惡劣環(huán)境下工作。射頻卡利用波束供電技術(shù)將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電源為卡內(nèi)電路供電。當射頻卡進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應電流，射頻卡獲得能量被激活。射頻卡將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置的發(fā)送天線發(fā)送出去。系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器。閱讀器對接收的信號進行解調(diào)和解碼，然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關(guān)處理。主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構(gòu)動作。

11)環(huán)境溫濕度、豬只體溫以及豬生產(chǎn)性能相關(guān)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過特制的溫濕度感應器對當前豬舍環(huán)境進行檢測。在飼喂站中安裝特制的體溫檢測儀對吃料的豬進行適時檢測。另外，還采集豬只生產(chǎn)方面的數(shù)據(jù)，包括開始采食時間、結(jié)束采食時間、進飼喂站體重、出飼喂站體重以及每次采食數(shù)量等。通過RFID耳標，能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)與豬只一一對應。

12)基于豬只生理特點的自動投料系統(tǒng)。該系統(tǒng)由感應器、投料器、料秤、控制器幾部分組成。豬只進入飼喂站后用嘴觸動感應器，系統(tǒng)根據(jù)豬只的體重以及過去的采食情況給料，料秤隨時記錄剩余料的數(shù)量，如果低一個設(shè)定值，又繼續(xù)給料，直到豬只離開。感應器、投料器、料秤都由控制器控制，控制器又由遠程計算機控制，每次給料量、最大剩余量都可進行設(shè)定。如果某一頭豬只的采食情況異常，系統(tǒng)會自動報警。

3 自動飼喂站中傳感器的應用

3.1 傳感器的概念

傳感器是將實際中的力、聲、光、溫度、濕度等非電量轉(zhuǎn)化為電量的媒介，也可以說傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)［4］。

3.2 傳感器的特性

傳感器的特性是指傳感器的輸入量和輸出量之間的對應關(guān)系。通常把傳感器的特性分為2種:靜態(tài)特性和動態(tài)特性。靜態(tài)特性是指輸入不隨時間而變化的特性，它表示傳感器在被測量各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)下輸入輸出的關(guān)系。動態(tài)特性是指輸入隨時間而變化的特性，它表示傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性［5］。一般來說，傳感器的輸入和輸出關(guān)系可用微分方程來描述。理論上，將微分方程中的一階及以上的微分項取為零時，即可得到靜態(tài)特性，因此傳感器的靜特性是其動特性的一個特例。傳感器除了描述輸入與輸出量之間的關(guān)系特性外，還有與使用條件、使用環(huán)境、使用要求等有關(guān)的特性。

3.3 傳感器的作用

在工業(yè)生產(chǎn)中，對于高精密的產(chǎn)品要借助各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質(zhì)量［6－7］。因此可以說，沒有眾多優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。在醫(yī)學中，借助傳感器能夠更好分析病因，得到一個好的治療方案。在科學研究中，傳感器更具有突出的地位。許多領(lǐng)域人的感官，用簡易的傳感器根本無法得到精確的數(shù)據(jù)，必須借助高精密的傳感器來實現(xiàn)分析測量。要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相應的傳感器是不可能的。許多基礎(chǔ)科學研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機理和靈敏度的檢測傳感器的出現(xiàn)，往往會導致該領(lǐng)域研究的突破。

3.4 自動飼喂站中傳感器的應用

傳感器在自動飼喂站中的應用涉及很多方面，如環(huán)境溫濕度的測量、豬只生理信號的采集和處理等。另外，料重等飼料的一些特性的獲取也需要使用傳感器［8］。圖2為自動飼喂站中的傳感器結(jié)構(gòu)。

圖2 自動飼喂站中傳感器結(jié)構(gòu)

1)環(huán)境溫濕度傳感器。該項目中使用的溫濕度一體傳感器是采用高品質(zhì)數(shù)字集成傳感器SHT做探頭，配以可靠的數(shù)字化處理電路，從而將環(huán)境中的溫度和濕度轉(zhuǎn)換成與之相對應的標準的MOBUS RS－485信號，能可靠地與上位機系統(tǒng)等進行集散監(jiān)控。它具有體積小、重量輕、量程寬、精度高且響應速度快和長期工作穩(wěn)定性好等特點，應廣泛用于氣象、國防、郵電、化工、環(huán)保、醫(yī)藥等各種需要對空氣中的溫濕度進行測量和控制的領(lǐng)域。溫濕度傳感器實體見圖3，主要技術(shù)參數(shù)見表1。該溫濕度傳感器具有溫度和濕度一體化結(jié)構(gòu)，具有測量和監(jiān)控便捷、設(shè)計合理、體積小巧、便于安裝等特點，很適合應用在自動飼喂站中。

圖3 溫濕度傳感器實體

表1 項目中溫濕度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)

2)豬只生理信號采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用植入式生理信號芯片，采用植入式采集信號方法，將生理信號接收裝置植入動物體內(nèi)，通過無線傳遞，將信號傳回信號接收處理器，并利用先進的智能軟件對信號進行分析處理(選配)，從而直接得出測量數(shù)據(jù)，可用于長時間測量清醒無束縛的大小豬成品的心電(溫度、血壓等)生理參數(shù)。使用此芯片可以保證動物在籠內(nèi)自由活動，不需要麻醉或束縛，這樣測量到的生理信號更能反映自然狀態(tài)下的動物生理狀況，比較適用于豬只的生理特征測量。該芯片具有長時間記錄清醒動物心電(血壓、溫度等)數(shù)據(jù)、電池可維持長時間正常記錄、數(shù)字信號與解析軟件完美結(jié)合、可多通道輸出記錄信號等方面的優(yōu)勢，可以更大限度地滿足用戶的需求。豬只生理信號采集芯片實體見圖4。

圖4 豬只生理信號采集芯片實體

植入式生理信號芯片常用測量模式有單只動物測量和多動物系統(tǒng)工作站(最多8只)同時測量2種方式，可以根據(jù)不同的需要進行選擇。工作站系統(tǒng)是在單只動物基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)處理盒(ECGProcessor:EP－2B)和模擬信號連接器升級的多通道模式，從而實現(xiàn)多只動物同時測量的要求。測量模式如圖5～6所示。

圖5 植入式生理信號芯片單只動物測量模式

圖6 植入式生理信號芯片多只動物測量模式

3)豬只體溫計。豬只體溫測量是飼喂站中傳感器應用的關(guān)鍵，因此器材的選取很重要。系統(tǒng)選取的動物紅外線測溫儀根據(jù)普朗克原理，通過準確測定動物體表特定部位的體表溫度，修正體表溫度與實際溫度的溫差，能準確顯示出動物的個體體溫。該體溫計應用紅外測溫等國際先進技術(shù)，測量精確度高，而且具有報警和背投型液晶(LCD)數(shù)字顯示、自動關(guān)機等功能，非常適用于養(yǎng)殖企業(yè)對動物體溫的測量。動物體溫計實體見圖7。對于豬只體溫的測量采用的是 RS485 Modbus通訊協(xié)議［9］，具體參數(shù)見表2～3。表2中的Slave Address(從設(shè)備地址)表示1條 Modbus總線上允許1個Master Device(主設(shè)備)和1個或多個Slave Devices(從設(shè)備)。數(shù)據(jù)包中只包含從設(shè)備地址(也稱設(shè)備地址)，它的地址范圍是 1～247。RS485是兩線制，符合 Modbus RTU標準的11位格式，波特率為9600 bps編碼，采用8位二進制，1代表傳送位的起始位，8代表數(shù)據(jù)位。

RS485 Modbus通訊協(xié)議中，讀取寄存器中的目標測量溫度依照標準16位寄存器，傳送時讓MSB字節(jié)和CRC效驗LSB字節(jié)先傳送。當Modbus無32位數(shù)據(jù)傳送的明確標準時，LSB在低地址寄存器，先傳送。

圖7 動物體溫計實體

表2 RS485串行通訊傳輸方式

表3 RS485 Modbus協(xié)議讀取目標溫度時的請求包和響應包

4)豬只體重、料重傳感器。豬只的體重增長情況和飼料的供給量也是觀測豬只性能的重要指標。體重料重傳感器結(jié)構(gòu)示意圖見圖8，體重料重傳感器的主要技術(shù)參數(shù)見表4［10］。

表4 體重料重傳感器技術(shù)參數(shù)

4 結(jié)束語

本文介紹了智能型豬生產(chǎn)性能測定系統(tǒng)中自動飼喂站的設(shè)計流程，作為整個系統(tǒng)的核心組成部分，它能對豬只生產(chǎn)性能進行精確測定，使育種人員能夠及時了解最新的選育效果，推動育種工作的順利開展，有利于最佳飼養(yǎng)方案的確定。該系統(tǒng)能夠針對自身特點，對不同飼料進行科學的篩選，使增重效果最大化，同時效益也能夠最大化。自動飼喂站的研發(fā)是在國外同類設(shè)備基礎(chǔ)上，結(jié)合我國豬舍難以恒溫的實際情況，創(chuàng)新地加裝了溫濕環(huán)境感應裝置以及豬只體溫自動測量裝置。這樣可以得到一條環(huán)境溫濕度的變化曲線與豬只體溫的變化曲線。通過這些曲線結(jié)合相應算法能夠?qū)ωi只生產(chǎn)性能數(shù)據(jù)進行校正，從而使數(shù)據(jù)更加精確。再加上該系統(tǒng)的設(shè)計價格低，保養(yǎng)維護方便，能夠為國內(nèi)的各大豬場接受，便于大規(guī)模推廣，能夠幫助各大豬場自行進行豬只改良工作。

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