摘" 要：為了解決仔豬母乳供應不足、人工飼喂操作環(huán)節(jié)繁瑣且勞動力消耗大等問題，文章提出了一種基于STM32 F429控制器的全自動仔豬飼喂系統(tǒng)的設計方案。該方案利用壓力傳感器、環(huán)境溫度傳感器等器材采集信息，利用無線射頻識別（radio frequency identification，RFID）模塊記錄信息，并通過模型預測仔豬未來的采食量，實現(xiàn)精細化飼喂。同時通過光線傳感器、溫度傳感器監(jiān)測水位、水溫變化，利用攪拌器、氣壓泵、加熱電熱絲等裝置實現(xiàn)自動補乳以及維持液態(tài)奶溫度，可以減少液態(tài)奶的浪費，并能夠保證液態(tài)奶的溫度。液態(tài)奶的數(shù)量可根據(jù)仔豬的需求自動、及時輸送，能夠大大減少工作人員的工作量，保證液態(tài)奶的新鮮度，從而最大程度地保證仔豬的健康狀況。

關(guān)鍵詞：RFID技術(shù)；自動化飼喂系統(tǒng)；精細化飼喂；傳感器；STM32；單片機

中圖分類號：S815.4 文獻標志碼：A 文章編號：1001-0769（2024）06-0059-07

隨著我國養(yǎng)豬業(yè)的飛速發(fā)展，母豬的窩產(chǎn)仔數(shù)越來越多，高產(chǎn)母豬在豬場中的占有率越來越高。另外，母豬的有效乳頭數(shù)已遠遠低于其窩產(chǎn)仔數(shù)，出現(xiàn)嚴重的母乳供應不足問題。同時，仔豬在離開母豬后還面臨著斷奶應激綜合征的挑戰(zhàn)。該病是仔豬斷奶后最易發(fā)生的疾病之一，危害非常嚴重，可能會導致仔豬生長速度放緩，出欄時間延遲，飼養(yǎng)成本增加，甚至還能引起死亡[1]。仔豬的存欄數(shù)、成活率以及生長狀況不僅會直接影響?zhàn)B豬生產(chǎn)者的經(jīng)濟效益，而且會影響每個地區(qū)乃至國家豬肉的有效供給水平[2-3]。因此采用合適的飼喂方式飼養(yǎng)仔豬，保證仔豬的健康狀態(tài)極其重要。

通常，豬場采用人工飼喂的方式飼養(yǎng)仔豬，這種飼喂方式具有操作環(huán)節(jié)過于繁瑣，勞動力消耗大，并且難以確保料槽衛(wèi)生狀況的缺點；然而，采用現(xiàn)代化的飼喂設備與技術(shù)進行自動化飼喂，可以有效緩解勞動力成本高、生產(chǎn)效率低、飼料浪費多的問題[4]，因此智能化生豬飼養(yǎng)設備的研發(fā)已成為業(yè)界的熱點[5]。目前，國內(nèi)豬場主要采用干料自動喂料系統(tǒng)，應用液態(tài)料自動喂料系統(tǒng)的豬場所占比例相對較低，很大程度上因為這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較復雜，對操作和管理有較高的要求[6]。但是，近年來，國際上尤其是在歐洲，液態(tài)料飼喂正在興起[7]。與現(xiàn)行的粉料和顆粒料相比，液態(tài)料有著顯著的優(yōu)越性[8]，如具有原料來源廣、無揚塵、易加藥、低料肉比、利于豬健康等優(yōu)點[9-10]。用液態(tài)料飼喂仔豬，不僅能有效防止仔豬斷奶后采食量下降，提高仔豬生產(chǎn)性能，而且對維持仔豬消化道的健康和功能、改善消化道環(huán)境有重要作用[11]。因此，自動化液態(tài)料飼喂方式具有顯著的優(yōu)勢，廣闊的應用前景，能夠較好地解決仔豬的斷奶應激綜合征等問題。文章設計了一種用于仔豬飼養(yǎng)的全自動液態(tài)奶飼喂系統(tǒng)，能夠保證仔豬所吮吸人工奶的溫度，可有效減少飼料在設備內(nèi)的殘留，防止殘留飼料腐敗變質(zhì)，保證液態(tài)奶的溫度，同時幫助仔豬平穩(wěn)度過“斷奶關(guān)”。

1" 仔豬全自動液態(tài)奶飼喂系統(tǒng)的總體設計

全自動液態(tài)奶飼喂系統(tǒng)主要由五部分組成，包括控制部分、液態(tài)奶制造部分、液態(tài)奶輸送部分、清洗與加熱部分和仔豬采食量預測部分?？刂撇糠值闹黧w為STM32 F429控制器，用于控制飼喂系統(tǒng)各個部分之間的通訊以及運行。液態(tài)奶制造部分主要包括攪拌器、調(diào)溫熱水器、奶粉存儲箱、閥門等設備或部件，用于制造溫度適宜的液態(tài)奶。液態(tài)奶輸送部分主要由氣壓泵、液態(tài)奶循環(huán)管道、奶杯等組成，負責液態(tài)奶的輸送。清洗與加熱部分主要包括酸堿性消毒液存儲罐、加熱電熱絲、排污口等設備，該部分負責輸送管道以及攪拌器等的清洗和液態(tài)奶加熱。仔豬采食量預測部分負責根據(jù)傳感器采集的仔豬信息預測它們的采食量，進而實現(xiàn)精細化飼喂。仔豬液態(tài)奶飼喂系統(tǒng)的總體設計圖如圖1所示。

仔豬液態(tài)奶飼喂系統(tǒng)為全自動的飼喂系統(tǒng)，大致的工作流程為：首先，各類傳感器和無線射頻識別（radio frequency identification，RFID）耳標通過STM32 F429控制器將仔豬以及環(huán)境信息輸入采食量預測模型，由模型輸出各頭仔豬的采食量，并進行匯總；其次，根據(jù)仔豬的預測采食量，通過控制模塊的液晶顯示屏設置所需的奶粉和水的比例，同時設定調(diào)溫熱水器的水溫；開啟攪拌器，將奶粉和熱水攪拌均勻，向液態(tài)奶輸送管道中輸送攪拌好的液態(tài)奶，當檢測到液態(tài)奶水位明顯增加時，暫停輸送；最后，當光線傳感器檢測到水位下降時，進行自動補奶，同時當溫度傳感器檢測到液態(tài)奶溫度下降時會自動進行二次加熱。輸送管道每周定期消毒兩次，消毒時通過控制模塊開啟消毒模塊，同時打開氣壓泵，向液態(tài)奶輸送管道中泵入消毒液。液態(tài)奶輸送管道與排污口連接，消毒液從排污口流出，完成消毒。仔豬液態(tài)奶飼喂系統(tǒng)的工作流程圖如圖2所示。

2" 仔豬液態(tài)飼喂系統(tǒng)的主要部分

2.1 液態(tài)奶輸送和加熱部分

液態(tài)飼喂系統(tǒng)的液態(tài)奶輸送管道分為內(nèi)壁和外壁，加熱電熱絲位于管道內(nèi)壁的部分平行于管道壁，位于管道內(nèi)壁和外壁之間的部分則垂直于管道。為了保證對液態(tài)奶輸送管道內(nèi)液態(tài)奶的均勻加熱，加熱電熱絲在管道中呈等間距排列，加熱電熱絲與控制模塊相連接，以控制加熱電熱絲的開始加熱與停止加熱。輸送管道內(nèi)壁為具有保溫功能的透明絕緣隔熱層，同時內(nèi)壁有等間距的小孔，以供所述電加熱絲的放置，外壁為用聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）制作的透明保護層，內(nèi)壁和外壁之間是中空的，以提供所述電加熱絲連接所述控制模塊的導線的空間，液態(tài)奶輸送管道示意圖如圖3所示。

輸送管道外壁的直徑為D1，內(nèi)壁的直徑為D2，D2＜D1；輸送管道總長度為L，管道內(nèi)所述其中一奶杯兩側(cè)管道內(nèi)液態(tài)奶的流速為v1和v2，所述其中一奶杯兩側(cè)管道的鉛錘高度分別為z1和z2，z1＜D2，z2＜D2，所述其中一奶杯兩端可測得的水柱高差為hf，液態(tài)奶的密度為ρ，所述其中一奶杯兩端的壓強為p1和p2，動能修正系數(shù)為α1和α2，則由伯努利方程可得下式：

由于所述液態(tài)奶輸送管道是等截面，因此v1=v2，α1=α2；又因為所述液態(tài)奶輸送管道是平放的，因此z1=z2，由此可得下式：

Δp = p1－p2 = ρghf" " " " " " " " " " " "（2）

式中Δp是所述其中一奶杯兩端的壓強差，由此可得奶杯壓強流量公式如下：

q = KAΔpm" " " "（3）

式中q是奶杯孔口的壓力流量，K是孔隙壓力系數(shù)，A是奶杯孔口的橫截面積，m是奶杯孔的長徑比，實際操作時需要控制q在合適的范圍，以防止仔豬采食時因內(nèi)杯孔口壓強流量過大而造成液態(tài)奶的噴灑和浪費。

液態(tài)奶飼喂系統(tǒng)配置了一個光線傳感器，光線傳感器置于液態(tài)奶輸送管道中，與控制模塊相連接。液態(tài)奶輸送管道采用透明PE管，因此光線傳感器可根據(jù)管道內(nèi)的光線強弱程度判斷當前管道內(nèi)液態(tài)奶的含量，當光線傳感器檢測到當前液態(tài)奶的數(shù)量高于可接受的最高液態(tài)奶容量時，會將信息反饋至控制模塊，控制模塊將關(guān)閉清水控制閥門、液態(tài)奶控制閥門、氣壓泵和攪拌器，停止向液態(tài)奶輸送管道中輸送液態(tài)奶；當光線傳感器檢測到當前液態(tài)奶的數(shù)量低于可接受的最低液態(tài)奶容量的閾值時，會將信息反饋至控制模塊，控制模塊將開啟清水控制閥門、液態(tài)奶控制閥門、氣壓泵和攪拌器，開始向液態(tài)奶輸送管道中輸送液態(tài)奶，以確保液態(tài)奶輸送管道中的液態(tài)奶容量既不會溢出也不會供應不足。

設所述電加熱絲有n個，從氣壓泵為起點順時針的第i個電加熱絲記為Di，電加熱絲總長度為C，寬度為B，B電熱絲位于管道內(nèi)壁平行于管道的部分長度為C1，C1＜C，位于管道內(nèi)壁和外壁之間垂直于管道的部分長度為C2，C2＜C，電加熱絲固定點放置位置如下式：

對于電熱絲的長度有如下限制：

對于兩管道之間的距離有如下限制：

2.2 仔豬采食量預測部分

仔豬采食量預測部分是利用建立的人工智能模型來預測仔豬的采食量。將RIFD耳標中的數(shù)據(jù)信息以及各類傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息集中起來，建立數(shù)據(jù)庫，并進行數(shù)據(jù)清洗；接著利用這些數(shù)據(jù)，通過線性回歸算法擬合出最優(yōu)線性回歸模型參數(shù)，建立線性回歸模型。建立的線性回歸模型能夠通過仔豬的采食時間、體重、所處環(huán)境溫度、品種預測仔豬的未來采食量，仔豬采食量預測流程圖如圖4所示。

2.3 系統(tǒng)控制部分

控制部分包括控制面板、控制芯片、控制模塊，控制面板為液晶顯示屏，控制芯片與控制模塊相連接，控制模塊與顯示屏、調(diào)溫熱水器、奶粉控制閥門、清水控制閥門、攪拌電機、酸性消毒液控制閥門、堿性消毒液控制閥門、光線傳感器、排污口控制閥門、氣壓泵相連接，控制芯片型號為：STM32 F429 IGT6?？刂菩酒环矫婵膳c控制模塊進行數(shù)據(jù)交換，同時也可控制液態(tài)奶飼喂系統(tǒng)的各種電子設備。操作時可通過控制面板的液晶顯示屏進行人機交互，開啟與關(guān)閉奶粉控制閥門、清水控制閥門、酸性消毒液控制閥門、堿性消毒液控制閥門、排污口控制閥門。此外，還可調(diào)節(jié)調(diào)溫熱水器的設定溫度，以控制熱水的實際溫度；可控制清水控制閥門與奶粉控制閥門的開啟與關(guān)閉時間，以控制奶粉與水的比例。

2.4 清洗和消毒部分

酸性消毒液控制閥門與酸性消毒液存儲罐連接，堿性消毒液控制閥門與堿性清洗液存儲罐相連接，清水控制閥門與調(diào)溫熱水器相連接，調(diào)溫熱水器與自來水廠供水管相連接?？刂颇K交替開關(guān)酸性消毒液控制閥門、堿性消毒液控制閥門和清水控制閥門，通過氣壓泵使清水和酸堿性消毒液在液態(tài)奶輸送管道中循環(huán)輸送，完成管道的清洗和消毒。每周定期進行兩次清洗消毒，具體實施方法為：

（1）第一次高溫清水沖洗：通過控制模塊將水溫設置為100 ℃，開啟加水控制閥門，向液態(tài)奶輸送管道中注入高溫清水，開啟氣壓泵循環(huán)，開啟排污口閥門；

（2）堿液沖洗：關(guān)閉加水控制閥門，開啟堿性消毒液控制閥門，將存儲在堿液罐中的堿性消毒液通過已開啟的氣壓泵泵入管道中；

（3）第二次高溫清水沖洗：消毒液控制閥門關(guān)閉，開啟加水控制閥門，向液態(tài)奶輸送管道中注入高溫清水；

（4）酸液沖洗：關(guān)閉加水控制閥門，開啟酸性消毒液控制閥門，將存儲在酸液罐中的酸性消毒液通過已開啟的氣壓泵泵入管道中；

（5）第三次高溫清水沖洗：消毒液控制閥門關(guān)閉，開啟加水控制閥門，向液態(tài)奶輸送管道中注入高溫清水，清潔完畢后關(guān)閉排污口閥門，關(guān)閉氣壓泵，將調(diào)溫熱水器的溫度設定回默認溫度。

3" 仔豬液態(tài)飼喂系統(tǒng)的軟硬件設計

液態(tài)飼喂系統(tǒng)包括軟件、硬件兩部分。系統(tǒng)以STM32 F429單片機為控制核心，協(xié)調(diào)飼喂系統(tǒng)各部分穩(wěn)定運行，實現(xiàn)仔豬采食量的預測，液態(tài)奶的配制、加熱、輸送以及飼喂系統(tǒng)的清洗和消毒。其中仔豬未來采食量通過線性回歸模型進行預測。

3.1 仔豬飼喂系統(tǒng)硬件設計

本文的仔豬飼喂系統(tǒng)硬件主要包括STM32 F429控制器、各類傳感器以及攪拌器、加熱電熱絲、氣壓泵、液晶顯示屏等部分。STM32 F429控制器為核心，從而實現(xiàn)各個模塊間的通信和控制。飼喂系統(tǒng)的硬件組成圖如圖5所示。

3.2 仔豬飼喂系統(tǒng)軟件設計

仔豬飼喂系統(tǒng)軟件設計主要包括兩部分，一是STM32 F429單片機實現(xiàn)清潔、液態(tài)奶輸送、液態(tài)奶加熱、仔豬信息采集等各個模塊的控制和通信。這個模塊涉及到傳感器采集豬的體溫、體重等信息以及控制模塊協(xié)調(diào)各個模塊實時通信，穩(wěn)定運行。二是仔豬采食量預測模型的建立、測試和使用。這一部分涉及到對采集到的與仔豬相關(guān)的信息數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)增強等，制作仔豬信息數(shù)據(jù)集，建立線性回歸人工智能模型，模型訓練找到最優(yōu)線性回歸模型參數(shù)，模型測試和使用等過程。

4" 結(jié)論

本文提出了一種用于仔豬生產(chǎn)的自動化液態(tài)飼喂系統(tǒng)的設計方案，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)液態(tài)奶的產(chǎn)生、輸送、加熱以及仔豬飼喂的全自動化，可減少人工的參與，降低勞動強度，提高傳統(tǒng)人工飼喂的效率。文章提出的管道循環(huán)加熱方式能夠較好地幫助仔豬度過“斷奶關(guān)”，同時文章將人工智能技術(shù)應用于傳統(tǒng)的仔豬飼喂作業(yè)中，通過建立人工智能模型實現(xiàn)仔豬的采食量預測，減少飼料的浪費，實現(xiàn)仔豬的個性化飼喂。

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