熊本海，蔣林樹，楊 亮，王 坤，潘曉花

（1. 中國農業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京 100193；2. 北京農學院，奶牛營養(yǎng)學北京市重點實驗室，北京 102206）

奶牛飼喂自動機電控制系統(tǒng)的設計與試驗

熊本海1，蔣林樹2，楊 亮1，王 坤1，潘曉花1

（1. 中國農業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京 100193；2. 北京農學院，奶牛營養(yǎng)學北京市重點實驗室，北京 102206）

為開展奶牛精準飼喂及采食行為學研究，設計了一種集自動識別、飼喂、數據自動采集、數據分析與處理于一體的奶牛飼喂自動機電控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括機械裝置、電子識別系統(tǒng)、料槽稱質量系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、現場數據存貯及遠程數據提取與分析系統(tǒng)等幾部分。其中，機械裝置包括料斗、支撐座、欄桿和阻擋單元等；電子識別系統(tǒng)包括閱讀天線及料門啟閉的氣動裝置；料槽稱質量系統(tǒng)除支撐座外，還有嵌入的質量傳感器及線路；中央控制系統(tǒng)包括微處理器、看門狗復位電路、讀卡器電路、稱質量數據采集電路、數據通信電路、數據收發(fā)器電路及外圍驅動與穩(wěn)壓電路等。現場數據存貯電路接受來自各個飼喂系統(tǒng)的中央控制系統(tǒng)發(fā)送的采食行為數據，其主板結構與中央控制系統(tǒng)基本一致，預設可存貯記錄數為14 000條，且采用堆棧數據存貯模式。遠程PC端數據提取與分析系統(tǒng)實時管理采食行為數據，并提供多功能的數據挖掘分析。系統(tǒng)測試結果表明，對牛只低頻RFID（134 kHz）電子耳標的識讀率為100%，料及槽的計量范圍為0.01～200 kg，最低稱量精度10 g, 實際稱量相對誤差≤0.15%，同時滿足奶牛對最大采食量及精準飼喂對計量的需求。系統(tǒng)的采食行為試驗表明，奶牛的日均采食次數、采食時間及采食量等采食行為均差異顯著（P＜0.05），符合奶牛的采食行為特點。具體地，奶牛日均采食次數10～13次，日均采食時間5.38 h，而奶牛個體實際采食量與NRC(National Research Council)模型預測的采食量有?4.76%～7.83%的偏差，可能是由各種內外部因素及NRC模型的普適度造成的，有待進一步研究?？傊?，該系統(tǒng)能較好地實現奶牛個體的精細化飼喂，為研究奶牛的采食行為特點提供了在線、智能化的自動數據采集與分析平臺。

設計；控制系統(tǒng)；自動檢測；奶牛；精準飼喂；采食行為；數據分析

熊本海，蔣林樹，楊 亮，王 坤，潘曉花. 奶牛飼喂自動機電控制系統(tǒng)的設計與試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2017，33(7)：157－163.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.020 http://www.tcsae.org

Xiong Benhai, Jiang Linshu, Yang Liang, Wang Kun, Pan Xiaohua. Design and test of electromechanical control system of automatic feeder for dairy cow[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 157 －163. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.020 http://www.tcsae.org

0 引 言

2015年，中國奶業(yè)在生乳收購價格持續(xù)低迷的形勢下，由于散養(yǎng)戶加速退出等自行調整，奶?？偞鏅诹繙p至1 369萬頭，同比下降8.7%。同時，由于散養(yǎng)戶占比下降，進一步拉升了中國成母牛單產水平，即由2005年的3 891 kg/頭提高到2015年的6 000 kg/頭。其中，中國10大牛奶主產省區(qū)的成母牛平均年單產為6 500 kg/頭，寧夏最高，達7 100 kg/頭，新疆最低，僅為1 200 kg/頭[1]。盡管單產水平提升了，但是基于奶牛個體體況的精準飼喂技術及管理仍然粗放，飼草品質不高，三次擠奶技術尚未完全普及等，導致成母牛單產水平與美國、日本及加拿大比較還存在巨大差距，后者依次達到10 170、9 460 及8 810 kg/頭[2]。

數字化描述奶牛的采食、飲水、泌乳、奶牛間相互交流等生理及行為，對于開展奶牛的精細化飼喂與管理至關重要。有研究發(fā)現，成母牛每天采食 9～14次，大約23 min/次，大約5～5.5 h/d[3]。但隨著飼喂方式的變革，舊的“先粗后精”的飼喂方式已逐漸被全混合日糧（total mixed rations，TMR）所代替。TMR飼喂方式因內在養(yǎng)分及物理加工特性方面的改善，并結合分群飼喂模式的實施，均在不同程度上促進了奶牛單產水平的提高。但采食行為特點是否仍適應新的飼喂模式及管理理念，需要開展條件變化后的行為學觀察研究，才能探究新的采食規(guī)律。隨著以信息采集為切入點的、物聯網技術的快速發(fā)展[4]，開發(fā)基于信息感知為基礎、具有物聯網特征的畜禽精細飼喂設備已成為可能。例如，基于物聯網技術的妊娠母豬電子飼喂站、哺乳母豬自動飼喂裝置已有報道[5-6]，但采用的原理是通過下料量的精確控制達到精準飼喂，與現代奶牛飼喂采取幾乎自由采食的方式明顯不同。為此，也有研究報道了奶牛采食量的自動記錄裝置[7-8]，通過傳感器記錄奶牛顳窩鼓動次數作為吞咽次數，估算奶牛的采食量，但誤差較大，達5%左右。高振江等[9]研制了自走式奶牛精確飼喂控制系統(tǒng)，解決了奶牛個體的自動識別問題，計量誤差控制在2%左右。后者計量誤差得到明顯改進，但僅僅識別奶牛個體和記錄采食量對深入研究奶牛的采食行為規(guī)律仍遠遠不夠。因此，本研究設計了一種奶牛個體自動飼喂及行為連續(xù)記錄系統(tǒng)，集成了電子標識技術、質量感知技術、機電一體自動控制技術、數據傳輸及計算機軟件技術等，實現了對奶牛個體采食行為的全面監(jiān)測，為系統(tǒng)研究奶牛個體的采食行為規(guī)律提供了平臺。

1 奶牛自動飼喂系統(tǒng)的機電控制系統(tǒng)

1.1 自動飼喂系統(tǒng)的機械設計

如圖1所示，整個飼喂控制系統(tǒng)由識別系統(tǒng)、飼喂控制臺、稱質量系統(tǒng)、飼喂系統(tǒng)（機械裝置）、采食行為數據緩存系統(tǒng)、數據貯存管理及分析系統(tǒng) 6個模塊或系統(tǒng)組成。

圖1 飼喂控制與數據采集系統(tǒng)結構框圖Fig.1 Structure block diagram of feeding control and data acquisition system

圖2為奶牛飼喂裝置結構簡圖，主要由料斗1、支撐座2、欄桿3和阻擋單元4、閱讀天線5及地面6組成。其中，料斗為上部開放的斗狀容器，且在 2個支撐座上可拆卸，支撐座上帶有稱質量傳感器，可用于稱量料斗及其盛放的飼料質量；欄桿設置于料斗的一側，欄桿中部設置有用于供奶牛頭部通過的取食空間；阻擋單元設置于料斗和欄桿之間，用于阻擋不符合條件的奶牛進食，放入符合條件的奶牛進食。

圖2 奶牛飼喂裝置結構簡圖Fig.2 Sketch map of cows feeding device

支撐座包括底座、稱質量模塊和卡位模塊，支撐座上端設置有稱質量模塊，稱質量模塊上端設置有卡位模塊。其中，稱質量模塊嵌入的傳感器為美國ZEMIC公司的L6G質量傳感器。最大稱質量200 kg，綜合誤差在±0.002 kg以內 ，可滿足奶牛個體飼喂對采食量計量精度的要求[10]。

欄桿包括主欄桿、副欄桿和上橫桿；主欄桿有2根，相隔在料斗之間，主欄桿下半段豎直，上半段分別向左右兩側傾斜，在上半段之間形成供奶牛頭部通過的第一空間，在下半段之間形成不足奶牛頭部通過、能夠容納奶牛頸部的第二空間；副欄桿自主欄桿下半段起，相隔主欄桿下半段向左右兩側等間距設置。

阻擋單元包括立柱、上下紅外發(fā)射與接收模塊、連接體和擋板；立柱有2根，對稱設置于主欄桿左右兩側，任一立柱內設置有升降裝置，通過連接體連接至正對主欄桿設置的擋板，用于帶動擋板上下移動；上、下紅外發(fā)射模塊相對位于 2根立柱上側，下、下紅外接收模塊相對位于 2根立柱下側；擋板初始位置處于上、下紅外發(fā)射模塊之間；當上紅外接收模塊檢測不到紅外光線時，升降裝置帶動擋板下移，直至擋板低于下紅外發(fā)射模塊和下紅外接收模塊；當上紅外接收模塊能夠接收到光線，且下紅外接收模塊由不能接收到光線的狀態(tài)變化為能夠接收到光線的狀態(tài)時，升降裝置帶動擋板上移，直至擋板回到初始位置。

1.2 自動飼喂系統(tǒng)的機電控制系統(tǒng)設計

如圖 1所示中央控制系統(tǒng)是以微處理器芯片電路為核心布局的。芯片采用 NXP32位微控制器（LPC1766FBD100）[11]，其 CPU 采用功耗最低的Cortex-M3芯片，工作溫度?40～105 ℃，工作電壓2.0～3.6 V，閃存256 K，最高主頻能達到100 M。主要包括的控制電路如下：

1）牛只個體讀卡器結構電路（圖 3），采用多通道R232接口模式，芯片為MAX232E。圖3中的上下鏈接電路是電平轉化電路，接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，通過所示電路將接口的電平轉化成TTL電平[12]。

圖3 奶牛電子耳標識別電路Fig.3 Electronic ear tag identification circuit of dairy cattle

2）飼料稱質量數據采集電路（圖 4）。采用了 RC低通濾波器和 24位 AD轉換芯片，后者為德州ADS1232[13]，片內含有可編程的差分放大器，采集速率有10和80次/s 2種選擇，計量靜態(tài)精度10 g，稱量范圍0.01～200 kg，具有精度高、范圍大的特點。

圖4 飼料稱質量數據采集電路Fig.4 Feed weighing data acquisition circuit

3）收發(fā)器電路（圖5），采用帶隔離的通用CAN收發(fā)器芯片，型號為CTM8251A且符合ISO 11898標準，最大可允許連接110個節(jié)點，速率可達1 MB/s。本電路及其輔助器件承擔數據的交互，即將采集的牛只識別數據、采食時間點數據及采食稱質量數據等及時傳送到圖1所示的采食行為數據緩沖系統(tǒng)中。

圖5 收發(fā)器電路Fig.5 Transceiver circuit

4）采食行為數據緩存系統(tǒng)電路（圖 6），該存貯電路接受來自不同奶牛個體飼喂系統(tǒng)采集的數據，實現數據的集中緩存貯，無需與之連接的PC機或服務器開機工作。設計存儲最小容量256 KB（可擴展），采用鐵電存儲器和串行外設 SPI接口，數據有線傳輸速率可達 15 MB/S預設可存儲14 000條數據記錄，且采用先進先出的堆棧方式存貯數據。

1.3 自動機電控制系統(tǒng)的上位機設計

本系統(tǒng)上位機系統(tǒng)開發(fā)包括2個部分，即圖1所示“飼喂控制系統(tǒng)”的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)及“數據管理與分析系統(tǒng)”的軟件設計。系統(tǒng)開發(fā)框圖及功能設計如圖7所示。

如圖 7所示，飼喂控制嵌入式系統(tǒng)即下位機系統(tǒng)是控制精準飼喂的，采用C語言開發(fā)，實現的控制模塊嵌入到控制主板的內存中，與其關聯的是上位機系統(tǒng)即數據管理及分析系統(tǒng)。后者采用C#語言開發(fā)[14]，并以Access為數據庫系統(tǒng)。上位機及下位機系統(tǒng)可獨立運行，從與之鏈接的現場采食數據存貯系統(tǒng)中導入或提取數據，可開展如圖 7所示的各種分析處理與可視化顯示，甚至可將采食行為數據導出或升遷到遠程的“奶牛場綜合信息管理平臺”中。

圖6 采食行為數據緩存系統(tǒng)電路Fig.6 Feeding behavior data caching system circuit

圖7 飼喂與數據采集處理上位機軟件開發(fā)功能設計Fig.7 PC software function design of feeding and data acquisition and processing

系統(tǒng)是以奶牛個體電子標識編碼為基礎，而編碼大致分為2種情形：第1種是按國家農業(yè)部2007年頒布的67號令[15]執(zhí)行，即15位數字編碼，第1位代表畜種，牛為“2”，第2至第7位共6位為養(yǎng)殖場所屬縣市行政區(qū)劃代碼，最后8位為順序號；第2種方案采用國際動物編碼協會（international committee for animal recording，ICAR）認證機構生產的電子標簽[15]，通常為無線射頻識別（RFID）標簽，編碼也為15位，不同的是前6位為ICAR賦予生產標簽企業(yè)的編碼，后 9位為企業(yè)自定義的順序號，由此構成的15位是唯一投放市場的。通常將編碼事先寫入芯片，而標簽的外殼上也會印上醒目的編碼，同時滿足自動識別與肉眼識別。在本系統(tǒng)中，采用農業(yè)部67號令的編碼規(guī)則進行奶牛個體編碼的設計。

其次，主要數據項目包括每次采食起始時間及離開時間、起始料槽質量（含飼料）及離開時料槽質量（含飼料）等?；谏鲜?5項指標，可直接派生的數據包括奶牛每天的采食次數、采食量、單次采食時長及總采食時長等，可實現對采食行為的定量分析，并發(fā)現不同胎次、不同泌乳潛力的奶牛采食規(guī)律特性。

1.4 奶牛精準飼喂的干物質采食量預測模型

本飼喂裝置主要用于飼喂 TMR日糧。因此在制作TMR及預投TMR時，需要預測奶牛個體的干物質采食量（dry matter intake, DMI）。本研究擬采用NRC(2001)[16]推薦的奶牛DMI預測模型:

式中4%FCM為4%乳脂率矯正奶量，kg/d；4%FC M=(0.4×日產奶量)+(15×乳脂率)，kg；BW為體質量，kg；WOL為泌乳周數。

此外，泌乳奶牛飼喂所用TMR最佳干物質質量分數為50%～75%[17]，偏濕或偏干的日糧均會影響采食量。

因此，在初步估測或在線感知奶牛個體體質量、預期產奶量及泌乳周數后，可按公式（1）估算出DMI，然后依據測定的或估測TMR的水分含量，粗略得到理論上應飼喂的TMR的原樣量，作為個體奶牛每天制作及投喂TMR的參考量。

2 飼喂試驗及結果分析

2.1 稱質量性能測定與數據分析

按圖2及圖6的機電設計的外形及原理在河南南商農牧科技有限公司的智能設備研制車間研制第 1批設備6套，并安裝在北京昌平誠遠盛隆奶牛養(yǎng)殖場的試驗牛圈，進行了靜態(tài)的稱質量試驗。在對每個飼喂設備進行校正及回零處理即消去系統(tǒng)誤差后，考慮泌乳牛最可能的采食量范圍在10～70 kg之間，采用4個標準稱質量水平，即15、30、45、60 kg，6個重復即同一質量的TMR飼料分別在6臺設備上計量1次。

表1數據統(tǒng)計表明，各質量組實際稱量質量與標準質量均無顯著差異（P＞0.05），而稱質量的相對誤差在0.15%內，完全滿足奶牛飼喂計量精度要求。研究證明，該自動飼喂系統(tǒng)能準確稱量10～70 kg的質量，且稱質量精度符合奶牛精準飼喂要求（一般認為不超過1%即可）。

表1 奶牛飼喂自動機電控制系統(tǒng)的稱質量性能試驗Table1 Weighing performance test of automatic mechanical and electrical control system for dairy cows

2.2 奶牛個體采食試驗

2.2.1 飼喂試驗設計

從北京昌平誠遠盛隆奶牛養(yǎng)殖場81頭泌乳奶牛中，隨機挑選 6頭體質量、胎次及泌乳日齡相近的健康荷斯坦奶牛。飼養(yǎng)在同一個試驗圈欄內，共配備按2.1所述的飼喂系統(tǒng)6套，試驗期為100 d，且每天保證飼喂料斗內盛有的TMR飼料量為公式（1）估算的110%，通過開發(fā)的數據存貯系統(tǒng)記錄 6頭奶牛的采食次數、采食量及采食時間。

2.2.2 采食試驗結果與討論

觀察不同頭牛的日平均采食次數、均次采食量及采食時間，并對上述3項指標均進行統(tǒng)計處理（表2）。其中，每日的DMI是基于原樣水分為57.6%折算的。此外，由于在每臺飼喂器的頂端采用了功率為12 W的閱讀器，耳標感應半徑為15 cm，經反復測試，識讀率為100%。

表2 個體飼喂裝置飼喂性能數據Table2 Performance data of individual feeding device

表2統(tǒng)計分析表明，不同個體奶牛采用自動飼喂表現的采食特性如下：日均采食次數為 10～13；個體奶牛DMI為18～20.5 kg；奶牛個體的日均采食時間為5.1～5.7 h。盡管所選奶牛的胎次、體質量及泌乳日齡相近，可能與泌乳潛力及體況有關，需要結合產奶量及品質數據綜合分析。

以上數據分析表明，奶牛個體之間的采食特性參數均在一定的閾值范圍內變化，但個體之間存在差異性。就采食次數而言，本性能試驗得到的次數為10～13次，與 Bach等[18]報道的 9～14次基本吻合，且均為在飼喂TMR條件下觀察的數據，說明了該設備基本不影響奶牛的自由采食行為。而趙宗勝等[19]的研究報道發(fā)現，奶牛日自由采食粗飼料的次數為 4.0±2.0，差異的原因主要是傳統(tǒng)的“先粗后精”與現代的TMR飼喂模式不同造成的。王建平等[20]、Trevor等[21]提出“少吃多餐”可以促進采食量，更利于瘤胃的均勻發(fā)酵。

在采食量上，個體奶牛每日總實際采食量（表 2中的均次采食量乘以采食次數）與理論采食量（由式(1)估算的）的實際誤差在?4.76%～7.83%之間（因理論數據也是參考值，表 2中未列出），即低于或高于模型預測的采食量。差異的存在可能與牛只實際體質量、飼料粒度、預測的產奶量的準確性有關[22-29]，也與 NRC（2001）的采食量模型與中國荷斯坦奶牛的適應性有關。楊琴等[30-31]通過采食量的實際數據驗證，NRC模型預測中國荷斯坦奶牛采食量存在局限性。

采食行為的重要指標是采食的時間長度。一般認為，奶牛的采食時間受控制于各種內外部因素，包括泌乳潛力、生理階段、日糧的養(yǎng)分及物理特性（纖維的長短及適口性）等，也與日糧的飼喂模式有關。有研究報道，采食時長為3～6 h[32]，高產成母牛為3～5 h[33]。本試驗得到的平均日采食時間為 5.38 h，略高于先前的報道結果，可能與本試驗奶牛尋找固定采食的飼喂裝置有關，也受控于飼料的長度及適口性，需要進一步增加奶牛頭數和觀察時間以獲得更一般性的結論。

3 結 論

1）設計了一種奶牛飼喂自動機電控制系統(tǒng)，對奶牛個體的識別率為100%，采用質量傳感器靜態(tài)計量，系統(tǒng)的計量相對誤差在0.15%以內，符合精準飼喂及采食行為學研究對設備的要求。

2）個體飼喂試驗表明，奶牛的采食次數、采食量及采食節(jié)律等采食行為均符合奶牛的行為特點，設備較好地滿足了奶牛個體的精細飼喂需求，為研究奶牛的采食行為規(guī)律提供了在線的自動數據采集系統(tǒng)。

增加設備數量、試驗奶牛頭數及試驗天數，在獲得大量采食行為數據的基礎上開展大樣本量的大數據分析，將可獲得奶牛采食行為更一般性的規(guī)律，甚至可以精細到不同泌乳階段的采食行為特點。

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Design and test of electromechanical control system of automatic feeder for dairy cow

Xiong Benhai1, Jiang Linshu2, Yang Liang1, Wang Kun1, Pan Xiaohua1
(1.State Key Laboratory of Animal Nutrition, Institute of Animal Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing100193, China; 2. Beijing Key Laboratory of Dairy Cow Nutrition, Beijing University of Agriculture, Beijing102206,China)

In order to perform the studies on the precision feeding and behavioral monitoring of dairy cows, an automatic feeder of dairy cows was designed, which accomplished the functions of cows automatic identification, automatic feeding data (feed intake time and amount) acquisition and data analysis simultaneously. The automatic feeder was composed of mechanical device system, electric identification system, weighing system, central control system, live data collection and storage system, and remote feeding data extraction and analysis system. The mechanical device system was constituted of feeding bin, brackets, railing and blocking apron. The electric identification system included reading antenna and pneumatic switch for discharging. The weighting system was made up of brackets and embedded weight sensor (L6G, technical parameters: Weighing range ≤ 200 kg, error less than 0.002 kg). Central control system was composed of microprocessor (LPC1766, technical parameters: Operating temperature of from -40 to 105 ; ℃operating voltage of 2.0-3.6 V; flash memory of 256 K, low power consumption), watchdog reset circuit, card reader circuit, weighing data collection circuit, data communication circuit, data transceiver circuit, and external regulator circuit. The reader circuit adopted multi-channel R232 interface and chips (Model: MAX232E), and low-pass filter and 24 bit conversion chip (Model: ADS1232, Dezhou) were used in the weighing data collection circuit. For transceiver circuit, according to the standard ISO 11898, the universal CAN (controller area network) transceiver chip (Model: CTM8251A) with isolation function was adopted, which had 110 nodes at the most and the transmission rate increased to 1 M/s. The ferroelectric memory and serial peripheral interface were adopted in the circuit of data caching system, and the cable data transmission rate could reach 15 MB/s. The live data collection and storage system

signals from the central control system in each feeder, the preset record number in storage system could reach 14 000, and the form of stack data was applied in system. The feeding data could be managed and analyzed in real time by data process system in PC (personal computer) terminal. The feeding experiment showed that the cognition rate for low frequency RFID (radio frequency identification) (134 kHz) ear tag by the automatic feeder reached 100%, the range of weighing was 0.01-200 kg, the precise was 10 g, and the weighting error was below 0.15%, which could meet the requirement of cows’ precise feeding intake record. The performance test of control system showed that individual cow’s feeding behaviors, including feeding frequency, intake time, and feed intake, were different significantly (P＜0.05). The average feeding frequency was 10-13 times per day, and the average intake time was 5.38 h per day, which were consistent with cow feeding characteristics. However, the deviation between average daily feed intake and predicted intake value by NRC (National Research Council) model was –4.76%-7.83%, which may be caused by the low applicability of NRC model. In conclusion, the automatic feeder developed in our study can meet the requirement of precise feeding in cows’ production, and supply an online and intelligent data automatic record and analysis platform for cow feeding behavior research.

design; control systems; automatic testing; dairy cow; precise feeding; feeding behavior; data analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.020

S83, S24

A

1002-6819(2017)-07-0157-07

2016-07-18

2017-03-22

國家“十三五”重點研發(fā)課題（2016YFD0700205, 2016YFD0700201）

熊本海，男，湖北紅安人，研究員，博士生導師，研究方向為動物營養(yǎng)與信息技術。北京 中國農業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所，100193。

Email：Xiongbenhai@caas.cn