基于物聯(lián)網(wǎng)的生豬精細(xì)飼喂系統(tǒng)設(shè)計

劉星橋 蔡研

[摘 要]為滿足生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展的要求，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的精細(xì)飼喂系統(tǒng)。在系統(tǒng)中引入了無線射頻識別技術(shù)，提出了在無人值守的情況下，自動識別豬身份并測量其體重值。設(shè)計了一種利用PLC控制的自動開關(guān)門，確保豬在測量時不受其他豬的影響。針對個體豬在不同生長期對飼料的不同需求，提出了生豬的數(shù)字化精細(xì)飼喂方式，采用模糊控制技術(shù)建立自動飼喂控制器的模型，實現(xiàn)對豬的精細(xì)飼喂。通過半年對豬只生長信息實時觀察，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時還驗證了自動稱重系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，其測量誤差小于0.1kg，相比于傳統(tǒng)的人工喂養(yǎng)方式，本系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)生豬養(yǎng)殖規(guī)?；?、智能化。

[關(guān)鍵詞]RFID；精細(xì)飼養(yǎng)；開關(guān)門；體重

[中圖分類號]S828 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

中國生豬養(yǎng)殖業(yè)近年來發(fā)展迅猛，豬肉產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的近一半但很多生豬養(yǎng)殖依靠人工，自動化水平不高，養(yǎng)殖效益低下，已經(jīng)無法滿足當(dāng)前家豬養(yǎng)殖業(yè)的需要。規(guī)?；⒓s化、智能化的養(yǎng)殖方式已成為現(xiàn)代養(yǎng)豬業(yè)的一種趨勢。建立基于物聯(lián)網(wǎng)的家豬自動飼喂平臺，實時監(jiān)控豬的相關(guān)信息，進行精細(xì)飼喂，是提高家豬養(yǎng)殖現(xiàn)代化的有效措施。國外的一些研究機構(gòu)已經(jīng)在養(yǎng)豬場應(yīng)用了現(xiàn)代化的養(yǎng)豬設(shè)備，如德國的 Big Dutchman公司的CALLMATIC2系統(tǒng)，加拿大JYGA公司的格式塔智能化繁殖母豬飼養(yǎng)管理系統(tǒng)。國內(nèi)對于現(xiàn)代化養(yǎng)豬設(shè)備的研發(fā)起步較晚，目前國內(nèi)大多數(shù)養(yǎng)殖企業(yè)無力購買豬場智能化裝備，難以做到對每頭豬進行精準(zhǔn)飼喂，立足于國內(nèi)養(yǎng)豬業(yè)的生產(chǎn)水平，研制一套可用于現(xiàn)代化養(yǎng)豬業(yè)的智能化飼喂設(shè)備具有重大意義。本系統(tǒng)通過RFID技術(shù)對豬進行標(biāo)識，利用GPRS遠(yuǎn)程通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，服務(wù)器根據(jù)接收到的豬相關(guān)信息做出決策，控制下位機進行相應(yīng)的投喂，實現(xiàn)對豬的精細(xì)飼喂。

1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)將射頻識別技術(shù)與PLC相結(jié)合，實現(xiàn)對豬的精細(xì)喂養(yǎng)。系統(tǒng)分為傳感控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層。傳感應(yīng)用層包括體重、飼料等傳感器和設(shè)備控制部分。網(wǎng)絡(luò)傳輸層是利用GPRS遠(yuǎn)程通信模塊將采集的傳感器數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器。應(yīng)用層則是由本地服務(wù)器、中心服務(wù)器構(gòu)成。本地服務(wù)器主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場管理，包括對豬的體重信息采集、開關(guān)門及投喂機的控制。中心服務(wù)器則負(fù)責(zé)統(tǒng)計分析多臺本地計算機的數(shù)據(jù)，并進行綜合管理。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示：

電子地磅、稱重料槽、閱讀器等采集的傳感器信息，經(jīng)過PLC處理后利用GPRS模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，實現(xiàn)體重、采食量、耳標(biāo)等信息的采集，同時服務(wù)器可利用GPRS模塊將命令發(fā)送至PLC，實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的運轉(zhuǎn)。

2 開關(guān)門設(shè)計

為實現(xiàn)豬體重的獨立測量，設(shè)計了一種自動門。該裝置設(shè)計為單向，即只能從一端進，另一端出，如圖2所示：底座為電子秤，兩側(cè)豎立圍欄，限制豬的活動，在雙側(cè)圍欄距離后門30cm處懸掛著閱讀器，用于識別豬耳朵上佩戴的電子耳標(biāo)，識別距離為40cm。豬從秤上走過時，系統(tǒng)可以自動獲取豬的耳標(biāo)信息和體重數(shù)據(jù)。

自動門工作原理：自動門初始狀態(tài)為前門開、后門關(guān)。當(dāng)豬站在電子秤上時，閱讀器識別到豬的耳標(biāo)信息，將耳標(biāo)信息發(fā)送至PLC，PLC以此為觸發(fā)信號控制前門關(guān)（防止其他豬進入秤重），后門開，讓豬測量完后進入采食區(qū)。當(dāng)豬走下秤時，PLC監(jiān)控到電子秤中體重值為0kg，控制前門開（讓下一頭豬進來），后門關(guān)?；謴?fù)到初始狀態(tài)。

測量裝置采用的是某公司生產(chǎn)電子秤，反應(yīng)靈敏、讀取速度快，經(jīng)測試可在0.5s內(nèi)讀取豬的穩(wěn)定的體重值。這種自動開關(guān)門設(shè)計的優(yōu)勢在于，它集信息采集、身份識別于一體，以耳標(biāo)信號作為觸發(fā)控制信號，相對于紅外識別豬體，進而控制門的開關(guān)，這種方案無疑價格更加低廉，而且能滿足實際測量需求。

3 精細(xì)飼喂系統(tǒng)設(shè)計

3.1 精細(xì)飼喂系統(tǒng)的基本組成

本精細(xì)飼喂系統(tǒng)根據(jù)豬的生長期及體重采食量等信息，實現(xiàn)對豬的精細(xì)飼喂。以100頭種豬作為研究對象，利用RFID技術(shù)進行標(biāo)識，當(dāng)豬從自動稱重系統(tǒng)中走過時，系統(tǒng)自動獲取豬的體重等相關(guān)信息，上位機根據(jù)接收到耳標(biāo)序列編號，自動調(diào)用數(shù)據(jù)庫中該豬的相關(guān)信息，并根據(jù)其品種與生長期信息，與規(guī)則庫中的現(xiàn)有規(guī)則進行匹配，進而發(fā)出命令給下位機，進行相應(yīng)的投喂。舍內(nèi)安裝一套自動上料系統(tǒng)并配備多個自動飼喂設(shè)備，其工作原理如圖3所示。

該飼喂系統(tǒng)由上位機、下位機（PLC）、RFID系統(tǒng)、步進電機、食槽、稱重傳感器組成。PLC監(jiān)控到傳感器的相關(guān)信息后，進行相應(yīng)的計算并通過GPRS模塊發(fā)送至上位機，上位機計算出相應(yīng)的投喂量后發(fā)送命令給執(zhí)行機構(gòu)進行投喂，當(dāng)稱重傳感器測量到投喂量與計算值一致時，上位機發(fā)送停止命令，停止投料。由于飼料投放口距離食槽有一定的距離，導(dǎo)致實際投放量與計算值有一定的偏差。為解決落料的滯后誤差，避免傳統(tǒng)的控制方法的確定模型不能實現(xiàn)精確下料，這里提出利用模糊算法的思想，按照數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫中的信息進行邏輯推理，實現(xiàn)對豬的精準(zhǔn)飼喂。

3.2 模糊控制器的設(shè)計

飼喂系統(tǒng)主要是控制投喂量來適應(yīng)個體豬只的需要，將實時投喂量與預(yù)設(shè)模糊邏輯推理量進行比較，來獲得精確的料量。針對飼料的下落過程中存在滯后這一問題，設(shè)計了基于Mamdani型的精細(xì)飼喂模糊控制器如圖4所示，利用稱重傳感器獲取落料量的靜態(tài)實時值，通過與系統(tǒng)設(shè)定的料量值進行比較，得出實時的誤差百分量e和誤差變化率ec。在模糊控制算法中，將誤差百分量和誤差變化率作為模糊控制器的輸入，落料時間作為輸出量。

為系統(tǒng)實現(xiàn)的方便性，采用三角形隸屬度函數(shù)分別確定模糊變量e，ec，u的賦值表，將模糊變量尺度歸一化，根據(jù)知識庫建立系統(tǒng)所需的控制規(guī)則條件（if…then）形式，然后系統(tǒng)根據(jù)模糊規(guī)則做出相應(yīng)的下料量命令，完成豬個體精細(xì)飼喂的要求。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 軟件系統(tǒng)基本組成

系統(tǒng)軟件主要分為豬只管理模塊、用戶管理模塊、數(shù)據(jù)分析決策模塊和系統(tǒng)維護模塊四個模塊，如圖5所示。家豬管理模塊主要記錄豬的采食記錄、進出欄記錄等；用戶管理模塊包括登錄、注冊、用戶權(quán)限等相關(guān)信息；數(shù)據(jù)分析決策模塊包括采食曲線繪制，體重變化曲線，系統(tǒng)預(yù)警、生產(chǎn)性能測定報告；數(shù)據(jù)維護模塊包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)備份以及恢復(fù)。

本系統(tǒng)軟件以Visual Studio 2013 為開發(fā)平臺，使用C#語言編寫。采用多線程技術(shù)同時處理體重和耳標(biāo)數(shù)據(jù)，利用ADO.NET訪問技術(shù)將數(shù)據(jù)存儲到SQL Server數(shù)據(jù)庫中。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送到服務(wù)端，利用Socket通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸；考慮到數(shù)據(jù)從硬件層的采集到傳輸整個過程可能出現(xiàn)錯誤，在編寫上位機的時候，會過濾掉不正常的數(shù)據(jù)，然后提取正常的數(shù)據(jù)并進行計算，最終在Winform應(yīng)用程序中顯示，同時存入數(shù)據(jù)庫中。

4.2 控制節(jié)點程序設(shè)計與實現(xiàn)

使用西門子S7-200PLC對開關(guān)門進行控制，在STEP 7-MicroWIN編程環(huán)境下以梯形圖方法在PC機上編制，經(jīng)調(diào)試編輯后下載至PLC中。程序可實現(xiàn)對開關(guān)門進行自動開關(guān)，控制流程圖如下：

5 實驗分析與測試

本系統(tǒng)在江蘇省鎮(zhèn)江市某試驗基地進行了試驗，以100頭種豬作為研究對象，通過記錄其生長情況來評估系統(tǒng)的可靠性。結(jié)果顯示，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，豬體況得到很大改善，省去了人工飼喂、人工稱重等環(huán)節(jié)，經(jīng)濟效益明顯。同時還進行了自動稱重系統(tǒng)的測試，測量誤差小于0.1kg，稱重效率更高。

5.1 精細(xì)投喂系統(tǒng)性能測試

經(jīng)過半年對豬場100頭豬只的數(shù)據(jù)采集、記錄分析，本系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的限位欄模式，在節(jié)省飼料和豬肉品質(zhì)等方面有明顯改善。其中無脂瘦肉率提高2.9%，料肉比提高3%，飼料浪費情況大幅改善，整體生產(chǎn)性能與限位欄模式比較如表1所示。

5.2 自動稱重系統(tǒng)性能測試

為驗證稱重系統(tǒng)的可靠性，選取50頭豬進行測試。將這50頭豬分別通過人工和自動稱重系統(tǒng)進行測量，測得部分?jǐn)?shù)據(jù)如下：

表2的數(shù)據(jù)是2017年4月5日通過自動稱重系統(tǒng)測量部分的體重數(shù)據(jù)，經(jīng)計算該組50頭豬的平均體重為85.92kg，為驗證自動稱重系統(tǒng)性能，在當(dāng)日同一時間通過人工測量，強制將豬固定在秤中，以保證測量的準(zhǔn)確性，計算后平均體重為85.94kg，誤差小于0.1kg。

6 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)的家豬精細(xì)飼喂系統(tǒng)設(shè)計實驗表明，豬生長狀況良好，飼料利用率提高了7.92%，自動開關(guān)門運行穩(wěn)定，自動稱重系統(tǒng)測量誤差小于0.1kg，省去了人工稱重手動記錄環(huán)節(jié)，節(jié)省了人力成本。相對于傳統(tǒng)的人工喂養(yǎng)，本系統(tǒng)可以大大推進家豬養(yǎng)殖發(fā)展。

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