摘要 為了提高母豬飼養(yǎng)現(xiàn)代化管理水平，實現(xiàn)母豬飼養(yǎng)自動化控制和管理，設計一種基于專家系統(tǒng)的智能化飼喂系統(tǒng)，該系統(tǒng)以AT89S52單片機為核心處理器，采用了射頻技術、信息采集、總線拓撲結(jié)構(gòu)、專家系統(tǒng)等技術。介紹系統(tǒng)中主要模塊的設計原理，并詳細的介紹專家系統(tǒng)中知識庫的建立方式、推理機的原理、控制算法的設計。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，測試結(jié)果滿足項目控制指標，實現(xiàn)母豬的精確化飼養(yǎng)。

關鍵詞 飼喂系統(tǒng);專家系統(tǒng);模糊推理;智能控制

中圖分類號 S818.9 "文獻標識碼

A "文章編號 0517-6611（2014）32-11593-04

The Design of Intelligent Feeding System Based on the Expert System

ZHANG Liang， XIE Fuqiang， ZHAO Yuhong et al （College of Electric Engineering， University of South China， Hengyang， Hunan 421001）

Abstract "In order to improve modern management level of the sow breeding and carry out the aquaculture automatic control and management， it designed a intelligent sow feeding system based on expert system， the system put the AT89S52MCU as the core and adopt some technology about radio frequency technology， information collection， bus topology technology， expert system. This paper introduces the principle of each subsystem and expert system about the way of establishment of a knowledge base， the principle of reasoning machine， the design of control algorithm. After the commissioning， test results meet the project control indicator， it can realize sow breeding with accuracy.

Key words "Feed system; Expert system; Fuzzy reasoning; Intelligent control

未來我國養(yǎng)豬業(yè)發(fā)展方向是規(guī)模化生產(chǎn)，其規(guī)?；潭仍絹碓酱螅B(yǎng)豬業(yè)迫切需要找到一種能夠提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益的現(xiàn)代化養(yǎng)豬設備和相應系統(tǒng)。飼喂系統(tǒng)的出現(xiàn)解決了這一問題，不同的公司設計出不同的飼喂系統(tǒng)。荷蘭Nedap公司設計了一種Velos系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動供料、自動管理、自動數(shù)據(jù)傳輸、自動報警的功能，但該系統(tǒng)沒有考慮飼喂過程中的多個方面的因素[1]。余泳昌等提到的飼喂系統(tǒng)是基于電機轉(zhuǎn)速與進食量的函數(shù)關系式，忽略了環(huán)境因素對進食量的影響。劉伯強提到的基于專家系統(tǒng)的飼喂系統(tǒng)沒有考慮無法獲取機理模型、確定規(guī)則或者統(tǒng)計模型的情況?；谏鲜鲈蚬P者設計了一種全新的基于專家系統(tǒng)的智能化飼喂系統(tǒng)，實現(xiàn)了母豬生長過程中進食量的精確控制。

1 系統(tǒng)的工作原理

母豬智能化飼喂系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分組成。上位機為信息化管理系統(tǒng)，它由專家系統(tǒng)、人機交互界面、PC機組成。下位機為自動飼喂子系統(tǒng)，它由射頻模塊、采樣模塊、電機控制模塊組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框

母豬進站吃食料時進站門打開，母豬耳朵上的電子標簽進入讀卡器的讀卡范圍，讀卡器讀取母豬個體信息，同時采集模塊采集豬舍的環(huán)境參數(shù)和母豬體重，將采集的數(shù)據(jù)傳輸給單片機，單片機將數(shù)據(jù)傳輸給上位機，數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機后對數(shù)據(jù)進行顯示和處理，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄＜蚁到y(tǒng)中，作為專家系統(tǒng)的決策依據(jù)，經(jīng)過專家系統(tǒng)的一系列推斷后，將調(diào)控目標傳遞給下位機，由下位機發(fā)出操作指令對執(zhí)行機構(gòu)進行操作，同時控制電機進行操作。母豬進食完畢后采集食槽內(nèi)剩余飼料的重量并記錄到數(shù)據(jù)庫中，用戶在操作系統(tǒng)中設置報警線，當出現(xiàn)異常情況時報警電路發(fā)出警報。

2 系統(tǒng)軟硬件設計

2.1 RFID射頻識別系統(tǒng)

為了實現(xiàn)母豬個體信息的快速識別，設計了RFID射頻識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要利用無線電射頻識別控制器與電子標簽的數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)非接觸式目標識別與跟蹤[4]。RFID射頻識別系統(tǒng)包括4個部分：標簽、天線、控制器和主機（PC）。標簽用于記錄母豬個體信息。天線的作用是通過無線電磁波從標簽中讀數(shù)據(jù)或?qū)憯?shù)據(jù)到標簽中。射頻控制器控制天線與PC機之間的數(shù)據(jù)通信，與天線合稱讀寫器，PC機根據(jù)讀寫器捕捉到的數(shù)據(jù)完成相應的過程控制[5]。

根據(jù)項目選擇集成了13.56 MHz的非接觸通信的射頻基站芯片MFRC500，通過Mifare卡操作來完成Mifare卡與MFRC500之間的信息傳輸，Mifare卡操作包括請求操作、反碰撞操作、選擇操作、認證操作、讀寫操作等流程[6]，如圖2所示。請求操作主要把Mifare卡的序列號傳給閱讀器，反碰撞操作主要保證閱讀器只對一張卡進行響應，選擇操作主要是確定即將操作的Mifare卡，認證操作將Mifare卡的序列號與閱讀器中存儲的序列號進行認證以便進行讀寫操作，讀寫操作主要是Mifare卡的讀、寫、減值、增值、回復、存儲和傳送等操作。

圖2 RFID流程

2.2 環(huán)境信息采集系統(tǒng)

采集模塊主要作用是將母豬個體的體重以及豬舍內(nèi)部的環(huán)境溫度、濕度、二氧化碳濃度等參數(shù)進行采集，將采集后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂颇K，控制模塊以STC89S52單片機為控制核心，由于豬場里有多個獨立的采食區(qū)，采用多機通信方式對不同區(qū)域通信，因此將控制模塊作為主機，采集模塊作為從機，通過232總線完成數(shù)據(jù)的傳輸。

采集模塊程序執(zhí)行時初始化傳感器和串口通信接口，然后依次循環(huán)讀取各個傳感器傳來的數(shù)據(jù)，對主機傳來的地址信息位進行檢測，當檢測到主機對自己地址請求后，置SM2=0，進行數(shù)據(jù)的處理和通信，處理完畢以后SM2=1，等待下一次主機的地址請求，當系統(tǒng)進入通信中斷后，接收主機發(fā)來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)接收到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，設置標志位ReceiveOK，通知協(xié)議處理程序，同時將發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去[6]，流程如圖3所示。

圖3 采集模塊程序流程

2.3 通信模塊

通信方式最常用的是并行通信和串行通信兩種方式。并行通信方式傳輸速度快，傳輸距離較遠，一般使用RS-485接口標準實現(xiàn)長距離通信，但占用硬件資源較大。通信線路成本增加，通信設備復雜化，串行通信方式雖然傳輸速度慢，傳輸距離較近，但占用硬件資源少、大幅度降低通信線路的成本、簡化通信設備，一般使用RS-232接口標準實現(xiàn)短距離通信。從系統(tǒng)的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性、可行性等幾個方面綜合考慮最終選擇異步串行通信方式。系統(tǒng)的串行通信電路設計如圖4所示。射頻讀卡器作為前置機進行采樣，采樣的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C，單片機通過P3.1、P3.2端口與MAX232的T2IN、R2OUT連接實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)的傳輸。

圖4 串行通信電路

3 專家系統(tǒng)設計

專家系統(tǒng)是一個擁有專門知識和經(jīng)驗的程序系統(tǒng)，它將計算機技術與專家提供的知識和經(jīng)驗緊密結(jié)合在一起，通過內(nèi)部推理程序的不斷搜索與匹配，最終實現(xiàn)模擬人類專家解決具體問題的思維過程[7-8]。專家系統(tǒng)主要由人機交互界面、知識獲取機構(gòu)、知識庫、推理機、解釋機構(gòu)等幾個部分組成，如圖5所示。母豬的生長過程中由于控制的目標多、對于不同的品種的母豬以及各自生長的階段的環(huán)境參數(shù)以及生長參數(shù)都不相同，因此采用傳統(tǒng)的方法無法實現(xiàn)多目標的控制，也不能有效地參考農(nóng)業(yè)專家意見和歷史數(shù)據(jù)，控制效果一般?；趯＜蚁到y(tǒng)的飼喂系統(tǒng)主要將母豬的生長狀態(tài)與環(huán)境和生長參數(shù)之間聯(lián)系，通過案例匹配和模糊推理決策出適合母豬生長的最佳條件，這樣能夠有效地把專家經(jīng)驗參數(shù)和歷史參數(shù)結(jié)合實現(xiàn)母豬生長控制。

3.1 專家系統(tǒng)知識庫的建立

知識表示方法有產(chǎn)生式規(guī)則、框架表示法、圖表式表示法、基于面向?qū)ο蟊硎痉?，由于母豬飼養(yǎng)包含的知識較為廣泛，有許多屬于建設性、描述性的知識，這些知識與邏輯性、過程性、運算性知識交織在一起運用，因此采用框架表示法來表示知識。框架相當于一組槽和槽值，用于定義典型的對象，每一個槽有一個槽值或若干個側(cè)面，框架基本結(jié)構(gòu)如下：

lt;框架名gt;

lt;槽名1gt; lt;槽值1gt;

lt;槽名2gt;

lt;側(cè)面名21gt; lt;側(cè)面值211，側(cè)面值212，側(cè)面值213，………gt;

圖5 母豬專家管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

lt;側(cè)面名22gt; lt;側(cè)面值221，側(cè)面值222，側(cè)面值223，………gt;

………

其中框架名相當于知識對象，槽名相當于知識的范疇，槽值相當于具體的對象，側(cè)面名就是對象的屬性，側(cè)面值相當于取值范圍、默認值等數(shù)據(jù)。

單個知識相互作用構(gòu)成綜合知識體，綜合知識體由描述框架、“規(guī)則架+規(guī)則體”規(guī)則組和黑板結(jié)構(gòu)組成。其中描述框架：描述母豬個體在不同生長時期的條件和規(guī)則，分別存放在不同的描述框架中，“規(guī)則架+規(guī)則體”規(guī)則組：通過一組規(guī)則的關系描述進行相關推理過程，得到專家推理結(jié)果。黑板結(jié)構(gòu)：專家系統(tǒng)作為監(jiān)控系統(tǒng)的控制模型，需要向下位機傳送最優(yōu)參數(shù)控制目標，而黑板結(jié)構(gòu)正是系統(tǒng)相互通信的樞紐，它能記錄用戶輸入的信息及保存推理結(jié)果[9]。

3.2 專家系統(tǒng)推理機

推理機是運用一定的推理方法和推理策略，以動態(tài)數(shù)據(jù)庫為工作存儲器，根據(jù)動態(tài)數(shù)據(jù)庫的當前內(nèi)容，采用相應的推理控制策略，決定如何使用知識庫中的知識，同時，可以控制規(guī)則庫中的規(guī)則不斷與動態(tài)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)、事實相匹配，匹配成功后則觸發(fā)相應的規(guī)則，通過執(zhí)行該規(guī)則來修改動態(tài)數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容，經(jīng)過不斷的推理得到結(jié)果。

以品種生長發(fā)育狀態(tài)診斷為例，通過查閱分析母豬飼喂管理流程，總結(jié)專家的建議和經(jīng)驗，建立選擇項。首先用戶選擇母豬的品種，經(jīng)過規(guī)則庫1匹配得到該品種在不同階段的理想環(huán)境參數(shù)、母豬體重、帶仔數(shù)量、進食量參數(shù);用戶通過人機交互界面選擇母豬的實際體重信息，該信息與規(guī)則庫2進行匹配，推理出母豬體重診斷結(jié)論;將該診斷數(shù)據(jù)作為規(guī)則庫3中的事實數(shù)據(jù)驅(qū)動，然后根據(jù)用戶輸入的母豬實際帶仔數(shù)的信息與規(guī)則庫3進行匹配，得到母豬帶仔數(shù)的診斷結(jié)論;將該診斷數(shù)據(jù)作為規(guī)則庫4中的事實數(shù)據(jù)驅(qū)動，與用戶輸入的母豬實際進食量的信息與規(guī)則庫4進行匹配，得到母豬進食量的診斷結(jié)論;將實時采集的參數(shù)與規(guī)則庫4中的推理診斷結(jié)果作為規(guī)則庫5的事實數(shù)據(jù)驅(qū)動，將規(guī)則庫1的診斷數(shù)據(jù)作為目標驅(qū)動，結(jié)合運算法則得到最優(yōu)參數(shù)調(diào)節(jié)目標，如圖6所示。

圖6 專家系統(tǒng)推理機

42卷32期 " " " " " " " "張 亮等 基于專家系統(tǒng)的智能化飼喂系統(tǒng)的設計

3.3 專家控制算法的設計

專家系統(tǒng)的關鍵在與控制器的設計，控制器向系統(tǒng)提供控制信號，并直接對受控過程產(chǎn)生作用，專家控制器的一般模型可表示為：

U=f（E，K，I） " "（1）

式中，f為智能算子，其基本形式為 IF E AND K THEN （I THEN U）;E{e1，e2，…，en}為控制器的輸入集;

K{k1，k2，…，kn}為知識庫中經(jīng)驗數(shù)據(jù)與事實集;

I{Ii，i2，…，in}為推理機構(gòu)的輸出集;U{u1，u2，…，un}為控制器的輸出集。

該系統(tǒng)有7個狀態(tài)變量，并對這7個狀態(tài)輸入量定義7個模糊子集，需要建立7個模糊控制器，由于模糊控制器較多，以豬舍溫度模糊控制器為例。

（1）確定模糊控制器的輸入、輸出語言變量。模糊控制器的輸入語言變量為豬舍溫度誤差ei（t）和誤差變化率eci（t），計算公式如下：

ei（t）=xs（t）-xi（t） " （2）

eci（t）=ei（t）-ei（t-1）（3）

式中，xs（t）為系統(tǒng)設置豬舍的溫度;xi（t）為實際豬舍溫度。

輸出為母豬的進食量的變化量u。

（2）確定語言變量誤差E、誤差變化率EC以及輸出量U的賦值表。

誤差E的基本論域為[-3，+3]%，選定e（t）的等級量化論域E={-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4}，量化因子ke（t）=2×43-（-3）=43，E的模糊集取為{NB，NS，Z，PS，PB}，建立模糊變量E賦值表1。

表1 模糊變量E的賦值

E-4-3-2-10+1+2+3+4

PB0000000.40.71.0

PS000000.61.00.50

Z0000.51.00.5000

NS00.51.00.600000

NB1.00.70.4000000

誤差變化率EC的基本論域為[-3，+3]%/s，選定ec（t）的等級量化論域EC={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，量化因子kec（t）=2×33-（-3）=2，EC的模糊集取為{NB，NS，Z，PS，PB}，建立模糊變量EC賦值表2。

表2 模糊變量EC的賦值

E-3-2-10+1+2+3

PB00000.30.71.0

PS0000.30.51.00

Z000.51.00.500

NS01.00.50.3000

NB1.00.70.30000

輸出量U的基本論域為[1.5，3]kg，選定u（t）的等級量化論域U={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，量化因子

ku（t）=2×33-1.5=4，U的模糊集取為{NB，NS，Z，PS，PB}，建立模糊變量EC賦值表3。

表3 模糊變量U的賦值

E-3-2-10+1+2+3

PB00000.20.61.0

PS0000.20.71.00

Z000.51.00.500

NS01.00.70.2000

NB1.00.60.20000

（3）模糊控制規(guī)則的設計。根據(jù)飼養(yǎng)過程中遇到的各種情況和相應的控制策略匯總，得到一組由25條的模糊條件語句構(gòu)成的控制規(guī)則，如表4所示。

表4 模糊控制規(guī)則

ECENBNSZPSPB

NBPBPBPBPSZ

NSPBPSPSZNS

ZPBPSZNSNB

PSPSPSNSNSNB

PBPSNSNBNBNB

根據(jù)上面的表格求出豬舍溫度的偏差及偏差變化率與進食量之間的模糊關系R=（E×U）·（EC×U），進而得到模糊控制器輸出量U=（E×EC）·R，最后可以得到實際的輸出u=ku（t）*U。

3.4 開發(fā)工具機實現(xiàn)方式

該系統(tǒng)以Visual C++為開發(fā)工具，以SQL Server 2005為數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)系統(tǒng)的人機界面的設計，用戶通過界面輸入母豬的品種和生長狀態(tài)選擇項，經(jīng)過專家系統(tǒng)的推理決策，得到最終的診斷結(jié)論和控制方法，將控制方法傳輸?shù)絾纹瑱C為核心的控制平臺上，在由控制平臺對執(zhí)行機構(gòu)進行控制。

4 結(jié)論

該研究設計的基于專家系統(tǒng)的智能化飼喂系統(tǒng)采用了射頻技術、信息采集、總線拓撲結(jié)構(gòu)、專家系統(tǒng)等技術手段，實現(xiàn)了母豬生長過程中的進食量的控制，既能體現(xiàn)母豬生長的內(nèi)在規(guī)律，又能發(fā)揮農(nóng)業(yè)專家在農(nóng)業(yè)生長中的指導作用，保證了母豬的營養(yǎng)需求，減少飼料的浪費，提高了養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展，提高了養(yǎng)殖業(yè)的收益，具有重要的社會意義和經(jīng)濟價值。

參考文獻

[1]

葉娜，黃川.荷蘭Velos智能化母豬飼養(yǎng)管理系統(tǒng)在國內(nèi)豬場的應用[J].養(yǎng)豬，2009，2（1）： 41-42.

[2] 余泳昌，栗文雁，胡豐收，等.基于單片機的奶牛精細飼喂系統(tǒng)的設計研究[J].農(nóng)機化研究，2008，9（21）：108-111.

[3] 劉伯強.哺乳期母豬飼喂專家系統(tǒng)的研究[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，2010.