■王冉冉 周艷菊 田富洋 王 震 劉莫塵 李法德

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安，271018；2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安，271018）

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)。

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。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)

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，通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可以通過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)，如有需要，可通過觸屏控制打印某段事件的奶牛飼喂歷史。通過單片機(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 h存入SD卡后清空內(nèi)存，也可以通過設(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5 V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)

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125 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3個(gè)大的料倉，分別存儲(chǔ)豆粕、麩皮和玉米，用3個(gè)小的料倉存儲(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，分別通過螺旋式排料裝置，將各種精料依次排放至稱重系統(tǒng)，通過控制中心的單片機(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 精料稱重系統(tǒng)

奶牛精料補(bǔ)飼的范圍一般不超過15 kg，稱重傳感器選用拉壓力稱重傳感器（YDLBS)，稱重為20 kg，靈敏度為(2.0±0.05)mV/V，準(zhǔn)確度0.03%F·S，根據(jù)計(jì)算，稱量的最大誤差為6 g，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3個(gè)大料倉的排放進(jìn)行稱量，再分別對(duì)3個(gè)小料倉的排放進(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)6 kg，這種影響對(duì)奶牛影響可以忽略。剩余5種精料的稱量精度就可以得到保證。

2.5 混合排料系統(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80 mm，節(jié)距60 mm，長(zhǎng)度360 mm。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

2.6 門禁裝置

研究表明：奶牛在補(bǔ)料的過程中，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程。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件使用MPLAB環(huán)境，用c語言編程，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)。軟件的主要流程如圖5所示。

圖4 門禁裝置

圖5 主程序流程

當(dāng)奶牛靠近門禁裝置，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，并通過控制中心存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫信息，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3個(gè)小料倉的排料和稱量。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LCD觸摸屏查詢一段時(shí)間的補(bǔ)飼數(shù)據(jù)，并通過打印機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)打印，還可以通過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5.2 s，排料時(shí)間15.1 s，讀卡器響應(yīng)距離受門禁裝置的影響，由讀卡器銘牌的100 cm下降到了55 cm，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，節(jié)約飼料成本15%。奶牛在經(jīng)過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，且通過觀察發(fā)現(xiàn)，奶牛采食后，采食槽內(nèi)幾乎無遺留的精料，SD卡數(shù)據(jù)保存完整，奶牛的產(chǎn)奶量沒有明顯變化，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程中受干擾問題和單頭奶牛多次補(bǔ)飼的問題，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)18篇，刊略，需者可函索）