■王冉冉 周艷菊 田富洋 王 震 劉莫塵 李法德

（1.山東農(nóng)業(yè)大學機械與電子工程學院，山東泰安，271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東泰安，271018）

隨著奶業(yè)的發(fā)展，中國的奶牛養(yǎng)殖模式，由散養(yǎng)模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)?；B(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)機械化是中國奶牛業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

奶牛作為畜牧養(yǎng)殖的重要草食動物，不同于精料型自由采食的豬和禽類，基本上是個體計量單喂。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，通常配成精料補充料形式。在每次擠奶同時分別喂給。而在奶牛的機械化飼養(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，不考慮奶牛的個體差異，既造成了精料飼料的浪費，又可能對個別奶牛產(chǎn)生負面影響。因此，設(shè)計一款能夠根據(jù)奶牛個體差異，進行精料動態(tài)補飼的裝置，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

奶牛多精料動態(tài)補飼裝置的系統(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單片機為處理器；奶牛身份識別系統(tǒng)采用長距離無線射頻識別技術(shù)，配合唯一卡號的EMIC卡，實現(xiàn)奶牛身份的自動識別；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)，自動攪拌混合后，排出到采食槽；門禁裝置可以防止奶牛補料的過程中受到干擾，同時也可以防止奶牛重復采食精料。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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，具有高可靠性的工業(yè)級芯片，通過觸摸屏實現(xiàn)人機交互，可以通過LCD顯示，查詢奶牛精料飼喂歷史事件，并可以顯示當日未能補飼奶牛的牛號，如有需要，可通過觸屏控制打印某段事件的奶牛飼喂歷史。通過單片機定時器對奶牛飼喂工作進行定時，當日奶牛飼喂歷史每12 h存入SD卡后清空內(nèi)存，也可以通過設(shè)置，利用GPRS模塊向指定手機發(fā)送當日奶牛飼喂記錄情況。RS485通訊外接EMID超遠距離讀卡器，實現(xiàn)對奶牛的身份識別。運算放大器外接稱重傳感器，實現(xiàn)對精料配料重量的計量。步進電機控制器外接配料系統(tǒng)、排料攪拌系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)的步進電機，實現(xiàn)相應功能。整個系統(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 奶牛身份識別系統(tǒng)

奶牛身份識別系統(tǒng)采用北京完美科技的WM-18系列的EMID卡及超遠距離讀卡器實現(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較小，因此在配料系統(tǒng)中，使用了3個大的料倉，分別存儲豆粕、麩皮和玉米，用3個小的料倉存儲礦物質(zhì)、食鹽和促奶預混料。

由控制中心控制配料系統(tǒng)的步進電機動作，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對稱重系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)的計算和奶牛個體的配方，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，準確度0.03%F·S，根據(jù)計算，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，該系統(tǒng)采用累加稱重方式，先分別對奶牛精料的3個大料倉的排放進行稱量，再分別對3個小料倉的排放進行稱量。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6 kg，這種影響對奶牛影響可以忽略。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)計螺旋直徑80 mm，節(jié)距60 mm，長度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：奶牛在補料的過程中，有42%的奶牛會受到其它奶牛的干擾，其中有63%的奶牛會因受到干擾而導致采食終止。因此，為保證奶牛的正常采食和補飼的針對性，系統(tǒng)專門設(shè)計了門禁裝置。

門禁裝置如圖4所示，當射頻卡讀卡器檢測到未采食精料的奶牛，門禁護欄下落，使奶牛前半身可以進入采食槽的采食區(qū)域，同時通知控制中心進行配料，奶牛采食完畢后，由紅外探測裝置檢測到奶牛離開采食區(qū)域了，通過控制中心控制門禁電機使門禁護欄上升，完成單頭奶牛的采食過程。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件使用MPLAB環(huán)境，用c語言編程，在正常實現(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器等軟件抗干擾設(shè)計。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

當奶?？拷T禁裝置，奶牛識別系統(tǒng)的讀卡器根據(jù)奶牛佩戴的射頻卡卡號讀取奶牛個體信息，確定該頭奶牛是否需要補飼精料，若需要補飼，則打開門禁，將讀卡器斷電，并通過控制中心存儲的數(shù)據(jù)庫信息，查詢奶牛數(shù)據(jù)，并調(diào)用該次補飼的配方，控制精料配料系統(tǒng)進行配料，先對玉米進行排料，稱重達到配方標準后，對豆粕進行排料，與玉米精料混合稱重，然后是麩皮，最后是3個小料倉的排料和稱量。投料結(jié)束后，紅外檢測裝置檢測奶牛是否吃完離開，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卡在上位機中修改相應數(shù)據(jù)即可。在補飼間隙還可以通過LCD觸摸屏查詢一段時間的補飼數(shù)據(jù)，并通過打印機進行數(shù)據(jù)打印，還可以通過GPRS將對應數(shù)據(jù)發(fā)送至指定手機。

4 實驗結(jié)果及分析

系統(tǒng)設(shè)計制作完成后，首先在室內(nèi)對裝置的各項參數(shù)進行了測試。投料質(zhì)量用電子天平JA5003A標定，裝置的響應和動作時間用秒表進行標定，響應距離用卷尺進行標定。檢測結(jié)果表明，在干燥條件下，秤盤上遺留飼料較少，投料質(zhì)量的計量誤差在1%以內(nèi)，門禁裝置動作時間從讀卡器讀取數(shù)據(jù)到完全打開，需要5.2 s，排料時間15.1 s，讀卡器響應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，但是滿足響應距離的要求，射頻卡讀卡器自帶防沖突功能，選取10個射頻卡，每個射頻卡讀取20次，識別正確率達到100%。

該裝置在山東泰山生力源乳液公司進行了3個月的試運行，根據(jù)專家系統(tǒng)對50頭奶牛的精料飼喂配方進行了重新計算，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周左右的培訓后，能夠主動識別補飼裝置并自動進行采食，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，各項指標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)計每頭奶牛的精料配方進行動態(tài)飼喂，節(jié)約精飼料15%，同時節(jié)約了人力成本，實現(xiàn)了自動飼喂。

②奶牛計量裝置準確，能夠針對每頭奶牛的個體狀況單獨設(shè)計配方，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飼的問題，同時不存在采食槽遺留飼料造成飼喂精料的誤差。

（參考文獻18篇，刊略，需者可函索）