李久熙，王春山，呂繼興，史智興，陳 輝，李國勤

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平養(yǎng)蛋鴨種蛋智能收集和標記系統(tǒng)設(shè)計與試驗

李久熙1,2,3，王春山2,3,4，呂繼興3,4，史智興3,4，陳 輝3,5※，李國勤6

（1. 河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，保定 071001；2. 美國華盛頓州立大學建筑與工程學院，普爾曼 99163；3. 農(nóng)業(yè)部肉蛋雞養(yǎng)殖設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，保定 071001；4. 河北農(nóng)業(yè)大學信息科學與技術(shù)學院，保定 071001；5.河北農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，保定 071001；6.浙江省農(nóng)業(yè)科學院畜牧獸醫(yī)研究所，杭州 310021）

目前平養(yǎng)蛋鴨只能采用家系選育法而不能采用個體選育法，這是因為在平養(yǎng)條件下很難實現(xiàn)蛋鴨與所產(chǎn)蛋的準確對應(yīng)。蛋鴨家系選育法的主要缺點是復雜，勞動強度大，準確度低，嚴重影響選種的精度和效率。在平養(yǎng)環(huán)境下實現(xiàn)蛋鴨個體選育法的關(guān)鍵在于找到一種智能化無應(yīng)激的精確識別和標記蛋鴨個體與其所產(chǎn)種蛋的方法。該文以蛋鴨為研究對象，提出了一種新型的平養(yǎng)蛋鴨種蛋智能收集和標記系統(tǒng)設(shè)計框架，給出了上位機和下位機的組網(wǎng)拓撲圖和邏輯控制算法。該系統(tǒng)采用射頻技術(shù)和光電傳感器技術(shù)融合，實現(xiàn)了蛋鴨產(chǎn)蛋個體的準確識別，識別正確率為100%。利用非接觸式噴碼打印技術(shù)將蛋鴨個體編號信息記錄在其所產(chǎn)種蛋蛋殼上，解決了蛋鴨個體與所產(chǎn)鴨蛋對應(yīng)關(guān)系的無應(yīng)激自動記錄難題。設(shè)計并實現(xiàn)了集種蛋收集和標記于一體的新型集蛋裝置。該裝置由集蛋區(qū)、調(diào)整區(qū)和噴印區(qū)3部分組成。集蛋區(qū)采用梯形凹槽結(jié)構(gòu)和EVA海綿彈性觸面設(shè)計，消除了種蛋在加速滾落過程中積累的動能，種蛋的破損率低于1%。調(diào)整區(qū)采用滑觸式種蛋姿態(tài)導向設(shè)計，種蛋姿態(tài)調(diào)整的合格率達到了99.80%，保證了蛋殼長軸截面作為噴印面，使噴印的字符最大程度保持完整性。噴印區(qū)采用連續(xù)式油墨噴碼機完成蛋鴨個體與種蛋對應(yīng)關(guān)系的標記，噴碼標識清晰可讀合格率為98.2%。該研究可為蛋鴨生產(chǎn)過程中個體產(chǎn)蛋行為分析和種蛋信息的自動收集提供參考。

自動化；識別；在線系統(tǒng)；產(chǎn)蛋跟蹤；RFID；噴碼標記；姿態(tài)調(diào)整

0 引 言

中國是蛋鴨生產(chǎn)和消費大國，2015年全國蛋鴨存欄量2.69億只，出欄量1.75億只，鴨蛋總產(chǎn)量達317.73萬t，占禽蛋總量的14%～20%，并為紡織工業(yè)提供近5萬t的鴨羽絨[1]。隨著農(nóng)業(yè)供給側(cè)改革的不斷深入，消費者對鴨產(chǎn)品的需求量越來越大，蛋鴨養(yǎng)殖業(yè)成為僅次于養(yǎng)雞業(yè)的第二大家禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)，蛋鴨產(chǎn)業(yè)是中國農(nóng)村經(jīng)濟的主要組成部分[2-3]，市場需要育成期短、性成熟早、產(chǎn)蛋量高、飼料消耗少、抗病力強的蛋鴨新品系。目前蛋鴨育種主要采用家系選育方法，該方法采用自由活動的小群家系進行種鴨產(chǎn)蛋記錄，由于鴨子產(chǎn)蛋集中在凌晨1:00～3:00之間，因此很難準確識別蛋鴨個體及其后代，依靠人工的方式進行產(chǎn)蛋記錄工作復雜且強度大，這大大降低了種鴨選育的準確度、減緩了育種進展[4-6]。采用平養(yǎng)本交條件下的個體選擇法育種，既可以充分地利用生物特性和動物本能，又可以將產(chǎn)蛋量作為關(guān)鍵指標遺傳下去，縮短選育的世代間隔，相比家系選育有明顯的優(yōu)勢[7-9]。平養(yǎng)本交條件下個體選擇法實施的難點在于：平養(yǎng)條件下很難準確識別記錄蛋鴨個體及其所產(chǎn)的種蛋。因此亟待開發(fā)一種人工成本低、自動化程度高、能夠智能識別、連續(xù)跟蹤記錄每只種鴨產(chǎn)蛋情況的智能系統(tǒng)。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，RFID（radio frequency identification，射頻設(shè)別）技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于動物的識別和行為跟蹤研究中[10-11]。文獻[12]采用UHF （ultra-high frequency，特高頻）RFID技術(shù)研究了福利化平養(yǎng)條件下蛋雞的飼喂行為，得出的數(shù)據(jù)為設(shè)計福利化新型籠具提供了科學指導。文獻[13]采用RFID技術(shù)對種鵝進行身份識別，采用人工回放視頻數(shù)據(jù)的方式對馬崗鵝個體產(chǎn)蛋行為規(guī)律進行了研究，實現(xiàn)了小群散養(yǎng)鵝個體產(chǎn)蛋的跟蹤記錄。文獻[14-15]應(yīng)用傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了籠養(yǎng)種雞的生產(chǎn)參數(shù)自動記錄。文獻[16]研發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的種雞個體育種信息自動采集系統(tǒng)，由人工利用手持機的方式采集種雞個體的產(chǎn)蛋和育種信息。文獻[17]系統(tǒng)歸納分析了利用信息技術(shù)在監(jiān)測畜禽的發(fā)情、分娩行為，體重和健康等方面的研究現(xiàn)狀、進展和發(fā)展趨勢。文獻[18-21]采用RFID和傳感器融合技術(shù)分別實現(xiàn)了山羊、奶牛和豬的個體識別和行為監(jiān)測，驗證了射頻技術(shù)在畜禽識別與監(jiān)測中的可行性。文獻[22-23]則采用了機器視覺技術(shù)分析了蛋雞運動、飲水、采食、修飾、抖動、休息、等行為，實現(xiàn)了長期自動追蹤蛋雞的活動情況及運動軌跡，為蛋雞個體行為分析提供了新的技術(shù)手段。

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的蛋鴨種蛋智能收集和標記系統(tǒng)，能夠智能化的識別蛋鴨及其所產(chǎn)種蛋并加以標記。系統(tǒng)可以在種鴨無應(yīng)激的情況下連續(xù)地自動記錄蛋鴨個體產(chǎn)蛋行為，自動收集各個種蛋箱中的蛋并進行識別與噴碼標記。以期為平養(yǎng)本交條件下實現(xiàn)蛋鴨個體選育、提高蛋鴨高產(chǎn)與低產(chǎn)個體篩選的準確率提供技術(shù)支持。也可以推廣到其他禽類育種生產(chǎn)中，促進種禽養(yǎng)殖服務(wù)業(yè)優(yōu)質(zhì)、高效、安全生產(chǎn)，提高經(jīng)濟效益和社會效益。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。產(chǎn)蛋箱采用分體式獨立設(shè)計，滿足不同數(shù)量種鴨的分群需要，易與實際飼養(yǎng)工藝結(jié)合。

1.產(chǎn)蛋箱 2.鴨感應(yīng)紅外光電傳感器 3.通道擋板 4.RFID讀卡器 5.產(chǎn)蛋箱活動底板 6.電推桿 7.蛋感應(yīng)紅外光電傳感器 8.緩沖墊 9.噴碼觸發(fā)傳感器 10.噴碼打印頭 11.噴碼打印下位機 12.滑觸型種蛋姿態(tài)調(diào)整裝置 13.梯形凹槽集蛋區(qū) 14.傳送帶 15.產(chǎn)蛋箱下位機

1.2 工作流程

工作流程主要分為4個環(huán)節(jié)：蛋鴨個體識別、產(chǎn)蛋行為判斷、是否產(chǎn)蛋識別以及種蛋標記。具體過程如下：每個產(chǎn)蛋箱下位機通過鴨感應(yīng)紅外光電傳感器和RFID讀卡器，實時檢測是否有鴨進入產(chǎn)蛋箱并停留10 s以上，產(chǎn)生有鴨無鴨的標記并且在有鴨時記錄鴨的標簽值；上位機每秒輪詢每個產(chǎn)蛋箱下位機，詢問是否有鴨。如果有鴨，上位機按固定順序依次向有鴨的產(chǎn)蛋箱發(fā)出落蛋指令。產(chǎn)蛋箱下位機執(zhí)行落蛋指令后，根據(jù)蛋感應(yīng)紅外光電傳感器產(chǎn)生有蛋無蛋的標記。上位機在發(fā)出落蛋指令之后，按固定順序依次向詢問落蛋的產(chǎn)蛋箱是否有蛋。有蛋的產(chǎn)蛋箱下位機向上位機回復有蛋信息并上傳產(chǎn)蛋鴨的編號（標簽值）。上位機按順序向噴碼打印下位機發(fā)送噴碼的編號隊列。噴碼打印下位機利用噴碼觸發(fā)紅外光電傳感器的信號逐個完成種蛋的標記。

1.3 控制邏輯

本系統(tǒng)采用上位機與下位機的主從式邏輯控制結(jié)構(gòu)。下位機分為2類，一類是產(chǎn)蛋箱下位機，該下位機由RFID讀卡器、鴨感應(yīng)紅外光電傳感器、產(chǎn)蛋感應(yīng)傳感器、電推桿和一個單片機組成[24]。另一類是噴碼打印下位機，由位置觸發(fā)傳感器和噴碼打印頭構(gòu)成。上位機通過Com1與產(chǎn)蛋箱下位機通信，通過Com2與噴碼打印機下位機連接，通過Com3與傳送帶控制器相連，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個產(chǎn)蛋箱下位機擁有一個2字節(jié)的地址，與產(chǎn)蛋箱一一對應(yīng)，且按照與噴碼打印機的距離由近及遠編號為，=1、2…（為產(chǎn)蛋箱個數(shù)）。上位機以輪詢的方式發(fā)送查詢報文到產(chǎn)蛋箱下位機，下位機將是否有鴨，是否有蛋的信息上傳至上位機。上位機根據(jù)控制算法與噴碼標識下位機通信，完成種蛋的標識操作。上位機控制邏輯算法流程如圖3所示。

圖2 鴨種蛋智能收集和標記系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

圖3 上位機控制邏輯流程圖

產(chǎn)蛋箱下位機的主要功能：負責識別記錄進出產(chǎn)蛋箱的種鴨編號、根據(jù)上位機指令執(zhí)行落蛋操作、記錄是否有蛋滾落并且根據(jù)上位機的查詢命令回復“有鴨/無鴨”、“有蛋/無蛋”以及產(chǎn)蛋鴨編號。

上位機通過輪詢獲知哪些產(chǎn)蛋箱“有鴨”，即哪些產(chǎn)蛋箱有鴨曾進入過（停留超過10 s）。將“有鴨”產(chǎn)蛋箱編號寫入隊列Q中。接下來判斷隊列Q是否為空，為空則進行下一輪是否“有鴨”的輪詢；如不為空則依次向隊列Q中的產(chǎn)蛋箱下達落蛋指令，等待2 s（產(chǎn)蛋箱活動底板翻轉(zhuǎn)過程中有蛋滾落會觸發(fā)蛋感應(yīng)紅外光電傳感器）以后，輪詢落蛋的產(chǎn)蛋箱是否“有蛋”，有蛋的產(chǎn)蛋箱編號和產(chǎn)蛋鴨編號寫入隊列K。接下來判斷隊列K是否為空，為空（全部無蛋）則進行下一輪是否“有鴨”的輪詢；如不為空則依次發(fā)送對應(yīng)的種鴨編號給噴碼打印下位機，等待3 s以后再進行下一輪是否“有鴨”的輪詢。

噴碼打印下位機接收到產(chǎn)蛋鴨編號的隊列K，每當一個鴨蛋通過噴碼觸發(fā)傳感器，觸發(fā)一次噴碼打印，直到K隊列打印完畢。

上位機每一輪輪詢的時間間隔，最短的情況是1 s（全部無鴨），最長的情況是8 s（10個產(chǎn)蛋箱全部有鴨且全部有蛋）。試驗和經(jīng)驗都證明，在最長的輪詢時間間隔下，也不會出現(xiàn)一個產(chǎn)蛋箱積攢2只蛋的情況（8 s時間內(nèi)2只鴨進出同一產(chǎn)蛋箱且完成產(chǎn)蛋）。這也是判斷“有鴨”采用10 s閾值的一個依據(jù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 蛋鴨識別

2.1.1 頻率選擇

鑒于蛋鴨的體型和生活習性，選用的電子標簽必須輕便、防水。本系統(tǒng)選用高頻13.56 mHz腳環(huán)式電子標簽，塑料封裝，具有防水、防腐蝕等特點。與畜牧行業(yè)廣泛采用的低頻（125和134.2 kHz頻段）標簽相比，高頻標簽主要的優(yōu)點在于抗同頻干擾能力強。工程應(yīng)用中低頻RFID的讀卡器相互之間需要距離1.5 m以上才能避免同頻干擾造成的誤讀問題[25-26]，而13.56 mHz的讀卡器之間在相距10 cm以上，相互之間的干擾即可忽略不計。考慮到產(chǎn)蛋箱集中放置易于通信和集蛋的處理，因此選擇13.56 mHz的標簽讀卡器可以在滿足近距離布置的情況下有效消除由于同頻干擾而造成的電子腳環(huán)漏讀問題[27]。

2.1.2 電路設(shè)計

產(chǎn)蛋箱下位機采用STC12C5A60S2雙串口單片機為控制核心，串口1用于連接上位機，串口2用于連接RFID讀卡器（型號：D-Think202，廠家：廣東東遠智能科技有限公司），INT0連接有鴨識別光電傳感器，INT1連接有蛋識別光電傳感器。其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 下位機電路圖

2.1.3 識別過程

種鴨個體身份識別部分由走廊式產(chǎn)蛋通道、鴨感應(yīng)紅外光電傳感器、RFID射頻讀卡器構(gòu)成。每只種鴨佩戴腳環(huán)式RFID標簽。如圖5所示，產(chǎn)蛋箱下位機控制讀卡器獲得進入通道的種鴨的腳環(huán)標簽值，對種鴨身份進行識別和記錄，綜合鴨感應(yīng)紅外光電傳感器與讀卡器讀取數(shù)據(jù)的先后時間判斷出種鴨的行進方向，是進入產(chǎn)蛋箱還是離開產(chǎn)蛋箱。

1.鴨感應(yīng)紅外光電傳感器 2.讀卡器 3.蛋感應(yīng)紅外光電傳感器 4.產(chǎn)蛋箱

具體判斷算法：產(chǎn)蛋箱下位機以每秒2次的頻率讀取走廊式通道上所布置的鴨感應(yīng)紅外光電傳感器和RFID讀卡器的信號。種鴨經(jīng)過走廊式通道進入產(chǎn)蛋箱，首先觸發(fā)鴨感應(yīng)紅外光電傳感器的信號（狀態(tài)1），然后觸發(fā)產(chǎn)生RFID的信號（狀態(tài)2）；種鴨進入產(chǎn)蛋箱停留一定時間（本系統(tǒng)的判定閾值為10s）離開產(chǎn)蛋箱時，會再次觸發(fā)RFID讀卡器（狀態(tài)3），然后觸發(fā)鴨感應(yīng)紅外光電傳感器（狀態(tài)4）。每當出現(xiàn)狀態(tài)4，產(chǎn)蛋箱下位機產(chǎn)生“有鴨”標記并且記錄鴨子的編號。

如果種鴨經(jīng)過通道進入了產(chǎn)蛋箱但很快又離開（10s以內(nèi)），認為是沒有產(chǎn)蛋，所以不予記錄。如果種鴨在通道內(nèi)猶豫徘徊，沒有進入產(chǎn)蛋箱，產(chǎn)蛋箱下位機會持續(xù)讀取到鴨感應(yīng)紅外光電傳感器或者RFID讀卡器的信息，系統(tǒng)就一直處于狀態(tài)1或狀態(tài)2，不會出現(xiàn)狀態(tài)3和狀態(tài)4，就不予記錄。走廊式通道的長度以及通道上所布置的鴨感應(yīng)紅外光電傳感器和RFID讀卡器的距離是保證算法實現(xiàn)的重要條件。

2.2 種蛋識別

2.2.1 種蛋識別過程

種蛋識別部分由產(chǎn)蛋箱箱體、活動式底板、電推桿、緩沖墊、蛋感應(yīng)紅外光電傳感器組成。產(chǎn)蛋箱是蛋鴨進行產(chǎn)蛋行為的場所，采用分體式結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)不同規(guī)模和數(shù)量的需求自由組裝。分體式產(chǎn)蛋箱在靠近出蛋口處的底板下方安裝電推桿，使活動底板可以前高后低傾斜，令種蛋向出蛋口方向滾落?；顒邮降装迳斐霎a(chǎn)蛋箱部分逐漸變窄，其最窄處為80 mm，僅容一枚鴨蛋滾落通過；兩端設(shè)有種蛋運動導向擋板，保證種蛋沿著限定路線滾動。當種蛋滾落時，出蛋口處安裝的蛋感應(yīng)紅外光電傳感器會對其滾落時間進行記錄。

蛋鴨離開產(chǎn)蛋箱之后，作為核心控制系統(tǒng)的上位機發(fā)出指令給下位機，后者控制電推桿帶動產(chǎn)蛋箱底板向下翻轉(zhuǎn)一定角度之后還原，在底板向下翻轉(zhuǎn)的過程中鴨蛋在重力的作用下沿活動底板向集蛋傳送帶滾落，安裝在產(chǎn)蛋箱出蛋口方向的蛋感應(yīng)傳感器能檢測到是否有鴨蛋經(jīng)過，下位機依據(jù)此傳感器的信號判斷該蛋鴨是否產(chǎn)蛋。若有鴨蛋落入梯形凹槽集蛋區(qū)，則由上位機與噴碼打印下位機協(xié)同執(zhí)行種蛋的噴碼標識動作。

如圖6所示種蛋在摩擦力的作用下隨傳動帶依次經(jīng)過集蛋區(qū)、調(diào)整區(qū)和識別噴碼區(qū)。在種蛋行進方向距噴碼打印機200 mm處有2段長300 mm的滑觸式種蛋姿態(tài)調(diào)整裝置。集蛋區(qū)采用梯形凹槽結(jié)構(gòu)和EVA海綿觸面設(shè)計，消除了種蛋在加速滾落過程中的積累的動能，種蛋的破損率低于1%，同時保證了種蛋的長軸與傳送帶的中軸線基本平行。由于自然滾落到集蛋區(qū)的種蛋姿態(tài)具有隨機性，為了保證噴碼的最佳效果，在調(diào)整區(qū)需要對種蛋的姿態(tài)進行自動調(diào)整，其目的一是使種蛋長軸與傳送帶的中軸線保持平行，二是種蛋距離噴頭的距離不大于10 mm。因此，種蛋兩次經(jīng)過滑觸式姿態(tài)調(diào)整裝置的導向處理之后進入識別噴碼區(qū)，此時其縱面與噴碼打印機的噴頭垂直，蛋殼可用打印面積達到最大值。

1.傳送帶 2.梯形凹槽集蛋區(qū) 3.支架 4.滑觸型種蛋姿態(tài)調(diào)整裝置 5.噴碼觸發(fā)傳感器 6.噴碼機噴頭

2.2.2 姿態(tài)調(diào)整裝置數(shù)量確定

為了確定所需的滑觸型種蛋姿態(tài)調(diào)整裝置數(shù)量，分別測試了采用1-4個姿態(tài)調(diào)整裝置的情況下，1 000枚種蛋姿態(tài)調(diào)整率的達標情況。試驗的目標是在通過不同數(shù)量的姿態(tài)調(diào)整裝置之后，種蛋的長軸線與傳送帶的中軸線的平行吻合度為±5°即為“調(diào)正”（如圖7）。試驗結(jié)果如圖8所示，在經(jīng)過2個姿態(tài)調(diào)整裝置之后，平行吻合度為±5°的姿態(tài)合格率就達到了99.80%，此后再增加裝置的數(shù)量對提高姿態(tài)調(diào)正率沒有顯著影響，因此最終確定安裝2個滑觸型種蛋姿態(tài)調(diào)整裝置。

1.傳送帶 2.第一個姿態(tài)調(diào)整裝置 3.第二個姿態(tài)調(diào)整裝置 4.噴碼打印機

圖8 不同數(shù)量的調(diào)整裝置下種蛋姿態(tài)調(diào)正率

2.3 種蛋噴碼標識

種蛋標識是種鴨與其所產(chǎn)蛋實現(xiàn)準確對應(yīng)關(guān)系的關(guān)鍵步驟。利用非接觸式噴碼機在蛋殼上標注出產(chǎn)蛋的蛋鴨編號，為下一步識別和篩選高產(chǎn)蛋鴨個體奠定基礎(chǔ)[28]。在油泵形成的推力作用下，油墨進入噴嘴，噴嘴內(nèi)裝有晶振器，通過振動使油墨噴出后形成固定間隔點，利用CPU的處理和相位跟蹤，使通過充電極的一些墨點被充上不同的電荷，在經(jīng)過幾千伏的高電壓磁場下發(fā)生不同的偏移，飛出噴嘴落在移動的種蛋表面，形成點陣式字符[29]。其余的墨點不充電，不會發(fā)生偏移，直接射入回收槽，被回收再使用，如圖9所示。

圖9 噴碼打印機原理及效果

工業(yè)生產(chǎn)線上采用噴碼機對產(chǎn)品或包裝進行生產(chǎn)日期、商標等相對固定的內(nèi)容進行噴印，一些商品鴨蛋上也有生產(chǎn)日期、廠商LOGO等信息的噴印，但是他們所用的噴碼機都是事先將要噴印的內(nèi)容經(jīng)過編碼軟件編輯之后輸入噴碼機控制器中噴印，如果需要改變噴印內(nèi)容，需要再次利用編碼軟件編輯之后再將欲噴印內(nèi)容發(fā)送至噴碼機控制器中才可以實現(xiàn)[30]。本系統(tǒng)采用的噴碼機（型號：KP-16B，廠家：邢臺科力普科技開發(fā)有限公司）與現(xiàn)有噴碼機的不同之處在于，對種蛋的標識信息的噴印則要求噴碼機實時受上位機的控制，噴碼機噴印的內(nèi)容是動態(tài)變化的。

3 平養(yǎng)蛋鴨種蛋智能收集和標記系統(tǒng)試驗

3.1 試驗條件

試驗采用160日齡的白洋淀鴨，圈養(yǎng)在長方形平臺上，平臺高度與產(chǎn)蛋箱通道高度持平，便于種鴨進出產(chǎn)蛋箱，平臺四周有圍欄限制其活動范圍。產(chǎn)蛋箱一部分與集蛋傳送帶、噴碼打印機以及上位機位于控制室內(nèi)。將種鴨與集蛋、噴碼等設(shè)備隔離開的目的是盡量減少噪音對種鴨的影響，同時也便于工作人員在不對種鴨產(chǎn)生應(yīng)激的情況下觀察設(shè)備運行狀況。試驗環(huán)境如圖10所示。

a. 種鴨活動區(qū)a. Duck activity areab. 集蛋、噴碼機和控制部分b. Duck egg collect, print and control part

鴨舍內(nèi)安裝紅外攝像頭2個，一個攝像頭記錄鴨子進出產(chǎn)蛋箱的過程，一個用來記錄傳送帶的集蛋情況，視頻資料用于跟蹤和分析試驗過程中的異常情況。

3.2 試驗結(jié)果與分析

試驗用產(chǎn)蛋鴨12只，種蛋智能收集和標記系統(tǒng)一套，120 d產(chǎn)蛋總數(shù)812枚，其中準確標記（經(jīng)人工回放視頻和標簽數(shù)據(jù)確認為該種蛋為某種鴨個體所產(chǎn)）蛋個數(shù)為736枚。主要分析如下：

1）蛋鴨正常產(chǎn)蛋識別準確率100%，即蛋鴨進出產(chǎn)蛋箱時，讀卡器均可以準確讀到蛋鴨腳環(huán)的RFID標簽編號。有蛋鴨在通往產(chǎn)蛋箱的通道上走動，但未進入產(chǎn)蛋箱，此時上位機根據(jù)2.1.3部分介紹的算法識別出這是非產(chǎn)蛋行為從而不執(zhí)行產(chǎn)蛋箱底板的升降動作。

2）噴碼合格率98.2%，噴碼失敗的原因主要是由于蛋鴨在產(chǎn)蛋過程中，會出現(xiàn)畸形蛋，比如蛋型過小導致姿態(tài)調(diào)整誤差較大，噴碼時蛋體長軸與傳送帶的中軸線偏離超過10°，造成噴印面積過小字符噴印不完整。由于噴碼后的種蛋是按照順序放置的，因此對于噴碼不清晰的種蛋，可以從上位機的數(shù)據(jù)庫中讀出噴碼歷史記錄，重新手動標記該種蛋。

3）蛋鴨的產(chǎn)蛋時間分布如下圖11所示，產(chǎn)蛋時間集中在凌晨1:00～3:00之間，約占92%，其中1:30～2:30是產(chǎn)蛋的高峰期，此時產(chǎn)蛋占比為56%。

圖11 種鴨產(chǎn)蛋時間分布

4）試驗用鴨在試驗開始階段存在適應(yīng)產(chǎn)蛋箱的過程，在此過程中有76枚蛋產(chǎn)在了產(chǎn)蛋箱之外。產(chǎn)蛋箱的形狀、地板的墊材、伺服電機的噪聲對蛋鴨適應(yīng)產(chǎn)蛋箱有影響，影響程度的量化需要進一步研究。

4 討 論

蛋鴨種蛋智能收集與標記系統(tǒng)的可靠性、成本和易用性是影響其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。在試驗過程中，盡量模擬了實際鴨場的惡劣環(huán)境，測試了設(shè)備的抗糞便污染（耐酸堿腐蝕性），防水性能，并分別進行過設(shè)備抗高溫和低溫的穩(wěn)定性測試。試驗結(jié)果表明系統(tǒng)能夠在實際鴨場的惡劣環(huán)境下可靠的工作。在成本方面，系統(tǒng)經(jīng)過幾次的原型迭代設(shè)計，目前產(chǎn)蛋箱的成本為2 000元/組。其維護成本主要涉及：噴碼打印機所使用的食品級油墨（200元/200 mL，可以噴印約18 000枚蛋），鴨蛋姿態(tài)調(diào)整裝置是彈性鋼片材料，使用次數(shù)30 000次后需要更換。其他諸如：腳環(huán)、讀卡器、伺服電機、計算機等屬于耐用品（使用年限5 a），維護成本相對低廉。在易用性方面，產(chǎn)蛋箱是獨立設(shè)計的，其數(shù)量可以根據(jù)場地和生產(chǎn)需要靈活組合，滿足不同數(shù)量種鴨的分群需要，容易與實際飼養(yǎng)工藝結(jié)合。

5 結(jié) 論

本文以蛋鴨為研究對象，提出了一種新型的平養(yǎng)蛋鴨種蛋智能收集和標記系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，給出了上位機和下位機的組網(wǎng)拓撲圖和邏輯控制算法。系統(tǒng)采用高頻RFID進行種鴨個體識別，利用多傳感器信息融合判斷種鴨的產(chǎn)蛋行為，通過噴碼打印技術(shù)將種鴨編號噴印在對應(yīng)的種蛋上完成種鴨產(chǎn)蛋信息的無應(yīng)激自動記錄，設(shè)計并建立了蛋鴨種蛋的智能收集和標記原型系統(tǒng)，試驗驗證了系統(tǒng)的可行性。主要結(jié)論如下：1）獨立設(shè)計的分體式產(chǎn)蛋箱，可以根據(jù)鴨場大小和生產(chǎn)需要靈活組合，能夠滿足不同數(shù)量種鴨的分群需要，容易與實際飼養(yǎng)工藝結(jié)合。2）為了保證蛋殼長軸截面作為噴印面，使噴印的字符最大程度保持完整性，設(shè)計了滑觸式種蛋姿態(tài)導向裝置，該裝置可以使種蛋姿態(tài)調(diào)整后，種蛋的長軸線與傳送帶的中軸線的平行吻合度為±5°的合格率達到99.80%。3）噴印區(qū)采用連續(xù)式油墨噴碼機完成蛋鴨個體與種蛋對應(yīng)關(guān)系的標記，噴碼標識清晰可讀的合格率為98.2%。4）采用13.56 mHz的RFID標簽和讀卡器可以有效降低同頻干擾，使讀卡器之間的距離最短可縮至10 cm，便于產(chǎn)蛋箱集中放置以減少集蛋傳送帶的長度，節(jié)約了空間和成本。

平養(yǎng)蛋鴨種蛋智能收集和標記系統(tǒng)解決了平養(yǎng)條件下無應(yīng)激蛋鴨個體與所產(chǎn)鴨蛋對應(yīng)記錄的難題，為進一步統(tǒng)計每一只蛋鴨個體的產(chǎn)蛋性能奠定基礎(chǔ)。從技術(shù)的角度實現(xiàn)了記錄的自動化，節(jié)省了人力，提高了標記的準確性。從產(chǎn)業(yè)的角度，豐富了蛋鴨選育的技術(shù)手段，突破以往的蛋鴨選留的盲目性，可以促進建成科學的現(xiàn)代化蛋鴨繁育體系，為蛋鴨及其他家禽養(yǎng)殖過程中“大數(shù)據(jù)”的積累提供了可行的技術(shù)支持，同時對農(nóng)業(yè)信息化的深度應(yīng)用具有良好的示范意義。

[1] 趙麗平，王雅鵬. 2015年中國蛋鴨產(chǎn)業(yè)市場研究與預測[J]. 中國家禽，2015，37(6)：33－36.

Zhao Liping, Wang Yapeng. Forecast and analysis of laying ducks industry market in China in 2015[J]. China Poultry, 2015, 37(6): 33－36. (in Chinese with English abstract)

[2] 侯水生. 中國水禽業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 中國畜牧獸醫(yī)文摘，2016，32(9)：2－3.

Hou Shuisheng. Current situation of waterfowl industry in China[J]. Chinese Abstracts of Animal Husbandry and Veterinary Medicine, 2016, 32(9): 2－3. (in Chinese with English abstract)

[3] 吳瑛，王雅鵬. 我國水禽產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展歷程、趨勢與對策研究[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學學報：社會科學版，2013(3)：89－94.

Wu Ying,Wang Yapeng.Study on development course, tendency and countermeasures of waterfowl industrialization in China[J]. Journal of Huazhong Agricultural University: Social Sciences Edition, 2013(3): 89－94. (in Chinese with English abstract)

[4] 吳常信. 畜禽遺傳育種技術(shù)的回顧與展望[J]. 中國農(nóng)業(yè)科技導報，2004(3)：3－8.

Wu Changxin. The retrospect and prospect of the biotechnology in genetic breeding for domestic animal and poultry[J]. Review of China Agricultural Science and Technology, 2004(3): 3－8. (in Chinese with English abstract)

[5] 侯卓成. 水禽育種研究進展及未來發(fā)展趨勢[J]. 中國禽業(yè)導刊，2014(18)：30－31.

Hou Zhuocheng. Research progress and future development trend of waterfowl breeding[J]. Guide To Chinese Poultry, 2014(18): 30－31. (in Chinese with English abstract)

[6] 陳國宏. 水禽遺傳資源的現(xiàn)狀與利用[J]. 中國家禽，2010(20)：4－8.

Chen Guohong. Present situation and utilization of waterfowl genetic resources[J]. China Poultry, 2010(20): 4－8. (in Chinese with English abstract)

[7] 張國棟，李騰飛，彭飛，等. 蛋種雞小階梯式本交籠養(yǎng)設(shè)備養(yǎng)殖成本與收益及其影響因素[J]. 中國家禽，2015(14)：35－39.

Zhang Guodong, Li Tengfei, Peng Fei, et al. Breeding cost and economic benefits of the little-step cage-rearing equipment used in laying breeder chicken with natural-service model and its influencing factors[J]. China Poultry, 2015(14): 35－39. (in Chinese with English abstract)

[8] 劉瑋孟，張靜，盧立志，等. 縉云麻鴨與紹興鴨各品系的遺傳距離分析[J]. 家畜生態(tài)學報，2011(2)：8－12.

Liu Weimeng, Zhang Jing, Lu Lizhi, et al. Genetci structure analysis of Jinyun duck and Shaoxing duck poplulations[J]. Acta Ecologiae Animalis Domastici, 2011(2): 8－12. (in Chinese with English abstract)

[9] 李慧芳，李碧春，陳寬維，等. 中國地方鴨品種資源的分子遺傳多樣性[J]. 畜牧獸醫(yī)學報，2006(11)：1107－1113. Li Huifang, Li Bichun, Chen Kuanwei, et al. Study on molecular genetic diversity of native duck breeds in China[J]. Acta Veterinaria et Zootechnica Sinica, 2006(11): 1107－1113. (in Chinese with English abstract)

[10] Ruiz-Garcia L, Lunadei L. The role of RFID in agriculture: Applications, limitations and challenges[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2011, 79(1): 42－50.

[11] Fuller R. Cageless preference testing-RFID and the sensory evaluation of feline foods[J]. Petfood Industry, 2006: 14－15.

[12] Lihua Li, Yang Zhao, Jofran Oliveira, et al. An UHF RFID system for studying individual feeding and nesting behaviors of group-housed laying hens[C]//Transactions of the ASABE, 2017.

[13] 孫愛東，秦清明，尹令，等. 馬崗鵝個體產(chǎn)蛋行為規(guī)律的監(jiān)控記錄與分析[J]. 中國家禽，2015(21)：64－67.

Sun Aidong, Qin Qingming, Yin Ling, et al. Monitoring and analysis of behavioral regularity of individual laying of magang goose[J]. China Poultry, 2015(21): 64－67. (in Chinese with English abstract)

[14] 王春山，李久熙，黃仁錄，等. 蛋雞生產(chǎn)參數(shù)自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30(16)：181－187.

Wang Chunshan, Li Jiuxi, Huang Renlu, et al. Design and implementation of automatic monitoring system for layers production parameters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(16): 181－187. (in Chinese with English abstract)

[15] 李麗華，黃仁錄，霍利民，等. 蛋雞個體生產(chǎn)性能參數(shù)監(jiān)測裝置設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(4)：160－164.

Li Lihua, Huang Renlu, Huo Limin, et al. Design and experiment on monitoring device for layers individual production performance parameters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of CSAE), 2012, 28(4): 160－164. (in Chinese with English abstract)

[16] 欒汝朋，初芹，劉華貴，等. 種雞個體育種信息自動采集系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J]. 中國畜牧雜志，2016(23)：18－21.

Luan Rupeng, Chu Qin, Liu Huagui, et al. Research and application of automatic collecting information system for individual hen breeding[J]. Chinese Journal of Animal Science, 2016(23): 18－21. (in Chinese with English abstract)

[17] 沈明霞，劉龍申，閆麗，等. 畜禽養(yǎng)殖個體信息監(jiān)測技術(shù)研究進展[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2014，45(10)：245－251.

Shen Mingxia, Liu Longshen, Yan Li, et al. Review of monitoring technology for animal individual in animal husbandry[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(10): 245－251. (in Chinese with English abstract)

[18] Cappai M G, Picciau M, Nieddu G, et al. Long term performance of RFID technology in the large scale identification of small ruminants through electronic ceramic boluses: Implications for animal welfare and regulation compliance[J]. Small Ruminant Research, 2014, 117(2): 169－175.

[19] Jonsson R, Blanke M, Poulsen N K. Oestrus detection in dairy cows from activity and lying data using on-line individual models[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2011, 76(1): 6－15.

[20] 尹令，劉財興，洪添勝，等. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的奶牛行為特征監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26(3)：203－207.

Yin Ling, Liu Caixing, Hong Tiansheng, et al. Design of system for monitoring dairy castles behavioral features based on wireless sensor networks[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(3): 203－207. (in Chinese with English abstract)

[21] Maselyne J, Van Nuffel A, De Ketelaere B, et al. Range measurements of a High Frequency Radio Frequency Identification (HF RFID) system for registering feeding patterns of growing-finishing pigs[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2014, 108(8): 209－220.

[22] 勞鳳丹，滕光輝，李軍，等. 機器視覺識別單只蛋雞行為的方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(24)：157－163.

Lao Fengdan, Teng Guanghui, Li Jun, et al. Behavior recognition method for individual laying hen based on computer vision[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(24): 157－163. (in Chinese with English abstract)

[23] 勞鳳丹，杜曉冬，滕光輝. 基于深度圖像的蛋雞行為識別方法[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2017，48(1)：155－162.

Lao Fengdan, Du Xiaodong, Teng Guanghui. Automatic recognition method of laying hen behaviors based on depth Image processing[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(1): 155－162. (in Chinese with English abstract)

[24] 林頌恩. RFID及單片機應(yīng)用于種雞記錄系統(tǒng)[D]. 臺北：中國臺灣大學，2009.

Lin Songen. RFID and SOC Application on Chicken Identification System[D]. Taipei: China Taiwan University, 2009. (in Chinese with English abstract)

[25] 孫愛東，尹令，洪添勝，等. RFID智能種鵝產(chǎn)蛋監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[C]//CSAE 2009論文集.中國農(nóng)業(yè)工程學會，2009：4.

Sun Aidong, Yin Ling, Hong Tiansheng, Liu Caixing, et al. Design of RFID smart monitoring system for breeding goose[C]//CSAE 2009:4. (in Chinese with English abstract)

[26] Sales G T, Green A R, Gates R S, et al. Quantifying detection performance of a passive low-frequency RFID system in an environmental preference chamber for laying hens[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2015, 114(8): 261－268.

[27] Sabesan S, Crisp M J, Penty R V, et al. Wide area passive UHF RFID system using antenna diversity combined with phase and frequency hopping[J]. IEEE Trans. Antennas Propag, 2014(62): 878－888.

[28] 陳永儒. 籠飼種雞產(chǎn)蛋自動記錄標識系統(tǒng)之研究[D]. 臺中：臺灣中興大學，2008. Chen Yongru. A Study on Automatic Recording and Marking System of Egg Production of Caged Breeders[D]. Taichung: Chinese Taiwan Chung Hsing University, 2008. (in Chinese with English abstract)

[29] 劉雅敏. 基于WinCE5.0的高解析噴碼機硬件平臺BSP的開發(fā)與系統(tǒng)定制[D]. 天津：河北工業(yè)大學，2015.

Liu Yaming. The Development of the Hardware Platform BSP of High-resolution Ink-jet Printer and System Customization Based on WinCE 5.0[D]. Tianjin: Hebei University of Technology, 2015. (in Chinese with English abstract)

[30] 林坷. 一種嵌入式生產(chǎn)線噴碼打印機硬件系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[D]. 重慶：重慶大學，2012.

Lin Ke. Design and Development of Hardware System of One Kind of Embedded Product-line Ink-jet Printer[D]. Chongqing: Chongqing University, 2012. (in Chinese with English abstract)

Design and implementation of duck egg smart collection and marking system of floor rearing laying duck

Li Jiuxi1,2,3, Wang Chunshan2,3,4, Lü Jixing3,4, Shi Zhixing3,4, Chen Hui3,5※, Li Guoqin6

(1.,,071001,; 2.,,99163, USA; 3.,,071001,; 4.,,071001,;5.,,071001,; 6.,,310021,)

Floor rearing natural mating technique can fully make use of the biological characteristics and animal instincts, in order to exert the genetic advantages and improve the quality of duck eggs. At present, only the pedigree breeding method, rather than the individual breeding method, can be used for floor rearing ducks. The reason is that under the floor rearing condition laying ducks has a large area to move around, and the time of laying duck egg concentrates between 1:00-3:00 in the morning, which makes it extremely difficult to track, identify and record individual laying behaviors and to accurately correlate an individual laying duck with its own eggs manually. The shortcoming of the traditional pedigree breeding method lies in complicated process, high intensity work, low accuracy, long intergenerational interval and slow genetic progress. As the performance of laying ducks is evaluated based on the overall family characteristics, it is hard to tell the difference between high yield individuals and low yield individuals, which negatively affects the precision and efficiency of duck selection. Cage breeding is one of the ways to achieve individual breeding, but this method is subject to a limited activity space and sacrifices the animal’s welfare needs. Thus, ducks under such conditions cannot properly exert their biological characteristics and instincts, and the genetic advantage is weakened. Floor rearing provides activity space for laying ducks and effective exercises can enhance their physical quality. Therefore, the realization of the individual laying duck breeding method can not only fully exert the individual instincts but also take the amount of egg production as a key indicator to the future generations. A key to apply the individual breeding method is to find an intelligent and non-stress reaction method to accurately identify and label individual ducks and their duck eggs. For the purpose to investigate laying ducks, a new design framework for an intelligent collection and labeling system was proposed, in which the network topology and a logic control algorithm for both upper monitor and lower monitor were given. This system used the radio frequency (RF) technology and photoelectric sensor technology for information integration, which solved the label missing problem due to the same frequency interference when the RF readers were close to one another. In this way, an accurate identification of individual duck egg production behaviors was achieved. The non-contact inkjet printing technology was employed to label the laying duck identification on its egg shell correspondingly, which solved the problem of recording duck eggs correspondingly. Meanwhile, a new duck egg collection device was designed and implemented; it integrated the collection and marking function as a whole. This device consists of three modules, a collection module, a posture adjustment module, and a printing module. The collection module was designed with a Trapezoidal Groove structure and a flexible contact surface, which eliminated the kinetic energy of duck eggs accumulated in the process of accelerating rolling motion. Such design could reduce the duck egg breakage rate to below 1%. The posture adjustment module was designed with a touch-type duck egg guide. The coincidence rate of the long axis of the duck egg and the parallel axis of the conveyor belt is 99.80%which ensure that the long axis section of the egg shell was used as the printing surface to maintain the integrity of the printed characters to the best extent. The printing module used a continuous inject printer to mark number on the duck egg and the clearly readable qualified rate of the number marked on the duck egg is 98.2%. The application of the intelligent duck egg collection and labeling system in the field of laying duck breeding will greatly reduce the workload and improve the production efficiency, so as to enhance the production performance and economic benefit of the duck breeding industry.

automation; identification; online system; duck egg tracing; RFID; marking code; posture adjustment

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.17.018

S126; TN919.72

A

1002-6819(2017)-17-0136-08

2017-04-24

2017-08-02

國家蛋雞產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-41-K18）；浙江省科技計劃項目（2014C32063）；河北省高等學?？茖W技術(shù)研究項目（QN2017339）

李久熙，副教授，主要從事畜牧機械產(chǎn)品設(shè)計。Email：lijiuxi@163.com

陳 輝，博士，副教授，主要從事動物營養(yǎng)與飼料科學方面的研究。Email：chenhui@hebau.edu.cn