仔豬自動精細飼喂系統(tǒng)設(shè)計與試驗

張 伏 王亞飛 呂 美 王 俊 許子和 陳新輝

(1.河南科技大學農(nóng)業(yè)裝備工程學院，洛陽 471003； 2.機械裝備先進制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，洛陽 471003；3.河南河順自動化設(shè)備股份有限公司，登封 452470)

0 引言

仔豬的存欄量、成活率以及生長狀況不僅直接影響生產(chǎn)者的經(jīng)營效益，更影響到每個地區(qū)乃至國家豬肉的有效供給水平[1-3]。斷奶時，仔豬面對與母豬分離——無乳可食，無溫暖、舒適安全的社群環(huán)境可依的挑戰(zhàn)[4-5]。此外，飼料形式和成分改變對其有強烈的負面影響，采食不足使仔豬沒有足夠的能量去對抗應(yīng)激[6-7]。研究表明：給斷奶仔豬飼喂粥料能夠提高仔豬采食量、提高飼料轉(zhuǎn)化率、減少各種疾病發(fā)生，有利于仔豬從母乳飼喂平穩(wěn)過渡到干飼料飼喂，顯著提高仔豬生長性能[8-10]。且早期迅速增重會讓肉豬在屠宰前始終保持較快的生長，最多可提前14 d出欄[11]。另外，使用粥料還有助于飼養(yǎng)來自高產(chǎn)母豬的“多余”仔豬[12-13]。

目前，豬只的飼喂方法主要有人工飼喂和設(shè)備自動飼喂。如熊本海等[14-15]以哺乳母豬為試驗對象設(shè)計了一種哺乳母豬自動飼喂控制系統(tǒng),與人工飼喂對比，能顯著促進哺乳母豬采食量的增加。朱軍等[16]研究的可用于種豬自動供料的精細飼喂系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動精確的投放飼料,在一定的范圍內(nèi)投放飼料,其最大誤差為±2%。劉金浩等[17]基于嵌入式ARM一體機對一般生豬飼喂系統(tǒng)進行改進并在豬場試驗應(yīng)用表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可以降低飼養(yǎng)的料肉比，提高飼料轉(zhuǎn)換率，提升豬場效益。舒娟等[18]研究的基于RFID的生豬自動飼喂控制系統(tǒng)，利用無線射頻識別技術(shù)(RFID)實現(xiàn)生豬身份的識別，提高了生豬飼喂自動化水平。而關(guān)于仔豬的飼喂，大型豬場為減少人力成本、提高收益，主要用自動的干料槽給仔豬飼喂干料，中小型養(yǎng)豬場采用傳統(tǒng)的人工飼喂方法，給仔豬飼喂粥料；但人工飼喂成本較高，且未能完全達到定時、變量飼喂，影響剛斷奶仔豬的體質(zhì)量[19-20]?；诖?，本文設(shè)計一種仔豬自動精細飼喂系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STC89C52RC芯片為核心，結(jié)合液位傳感器和光電傳感器以及其他元器件，實時對料箱的檢測，為仔豬自動提供粥料。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

仔豬自動精細飼喂系統(tǒng)由2部分組成：飼喂裝置機械本體，主要包括下料電動機及螺旋輸送裝置、攪拌電動機及干濕料攪拌刀片、供水系統(tǒng)；控制系統(tǒng)部分以STC89C52RC芯片為核心，有控制面板和遠程移動控制終端兩種工作模式，可分別控制飼喂系統(tǒng)。該自動精細飼喂系統(tǒng)以機械本體為基礎(chǔ),以控制部分為支撐，實現(xiàn)干濕料的適量精確投放和攪拌?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of control system

1.2 工作原理

為提高仔豬自動精細飼喂系統(tǒng)的自動化水平及落料精確性,系統(tǒng)工作原理為:①采用移動控制終端和控制面板兩種控制方式,提高系統(tǒng)的自動化水平。②利用步進電動機的精準控制優(yōu)勢及編碼器構(gòu)成閉環(huán)反饋系統(tǒng),實現(xiàn)干料的精準投放和干濕料的勻速攪拌。③利用液位傳感器實時檢測食槽內(nèi)粥料容量和濕料桶內(nèi)濕料容量，用光電傳感器實時檢測干料桶內(nèi)干料容量。仔豬自動精細飼喂系統(tǒng)在機械本體和控制系統(tǒng)的配合下,實現(xiàn)系統(tǒng)功能。具體工作原理如圖2所示。

圖2 仔豬自動精細飼喂系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 Schematic diagram of auto-precision feeding system

2 系統(tǒng)機械本體設(shè)計

2.1 機械本體總體結(jié)構(gòu)

圖3為仔豬自動精細飼喂裝置機械本體總體結(jié)構(gòu)圖。

2.2 下料裝置設(shè)計

下料裝置是整個仔豬自動精細飼喂裝置的核心部件，根據(jù)設(shè)計要求，下料裝置所用的螺旋軸要豎直安裝即在垂直方向上輸送飼料，考慮到輸送距離短，采用滿面式、等螺距結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

在仔豬飼喂過程中要求對下料量進行精確控制，即當單次10 s內(nèi)完成下料量300 g(裝置要求下料誤差在±5%內(nèi))時，立即停止給料。

在飼料輸送過程中，若忽略螺旋直徑截面對整機輸送能力的影響，則

Q=3 600Fλvε

(1)

其中

F=πφD2/4v=sn/60

圖3 仔豬自動精細飼喂裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure drawing of automatic feeding device1.控制器 2.下料電動機 3.下料電動機座 4.型材 5.角碼 6.聯(lián)軸器 7.干料箱 8.帶座軸承 9.輸送器 10.限料口 11.噴頭 12.攪拌室 13.混合攪拌刀片 14.料槽 15.攪拌電動機座 16.攪拌電動機 17.管路 18.水泵 19.水泵座 20.攪拌刀片 21.碳素管 22.螺釘

式中Q——下料速度，t/h

F——料槽內(nèi)飼料層的橫截面積，m2

D——螺旋葉片直徑，m

φ——填充系數(shù)

圖4 螺旋輸送裝置Fig.4 Spiral conveyor

λ——飼料的單位容積質(zhì)量，t/m3

v——飼料在料槽內(nèi)的軸向移動速度，m/s

s——螺距，m

n——螺旋軸轉(zhuǎn)速，r/min

ε——傾斜輸送系數(shù)

在滿足輸送量要求情況下，螺旋轉(zhuǎn)速不應(yīng)過高，且不允許超過其許用轉(zhuǎn)速，即

n≤nmax

(2)

其中

式中nmax——螺旋軸的許用轉(zhuǎn)速,r/min

A——物料的綜合特性系數(shù)

將式(1)代入式(2)中得

(3)

其中，Kl為螺距與螺旋葉片直徑的比例系數(shù)，由于Q=0.108 t/h，查資料ε=0.46，φ=0.3，A=46，Kl=0.8，λ=0.5 t/m3，把以上參數(shù)代入式(3)得D≥60.6 mm，取D=70 mm，s=56 mm。

則螺旋軸轉(zhuǎn)速為

(4)

取n=140 r/min，對填充系數(shù)φ進行驗證。

(5)

圖5 手機移動終端飼喂控制界面Fig.5 Feeding control interfaces of mobile handset

對所選試驗飼料的容重進行測量，采用港森電子秤測量飼料的質(zhì)量，該電子秤的稱量范圍為0～500 g，精度為0.01 g，誤差范圍是±0.05 g，起稱質(zhì)量為0.05 g；用容量為1 000 mL，刻度為10 mL的量筒測量飼料體積，對測量數(shù)據(jù)處理得出試驗飼料的容重為651.5 g/L，查找資料知小麥容重為610.2～626 g/L，玉米容重為626.2 g/L，通過對比可知所選試驗飼料的容重與小麥、玉米的容重相近，且小麥、玉米的填充系數(shù)范圍是0.25～0.30，計算的實際φ值在此范圍內(nèi)，說明螺旋葉片直徑D和轉(zhuǎn)速n取值合適。

一般螺旋軸直徑的計算公式為

d=αD

(6)

其中，α取值為0.2～0.35。

已確定D=70 mm，所以螺旋軸直徑d的取值范圍為14～24.5 mm，綜合加工成本和加工方法，取d為20 mm。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)移動控制終端設(shè)計

自動精細飼喂裝置遠程控制系統(tǒng)采用易微聯(lián)WiFi模塊，在預設(shè)飼喂裝置干濕料比例、下料速度的情況下，可通過手機遠程控制自動精細飼喂裝置工作，也可根據(jù)需要設(shè)置定時、延時、循環(huán)定時方式控制裝置工作。手機移動控制終端界面如圖5所示。

3.2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

在本系統(tǒng)中，可通過控制器控制每次干濕料的比例、下料速度和下料時間，也可通過遠程手機控制終端控制系統(tǒng)的下料時間和循環(huán)定時，以進行不同飼喂方式的試驗。

圖6 系統(tǒng)電路原理圖Fig.6 Circuit principle diagram of system

圖6為系統(tǒng)電路原理圖。仔豬自動精細飼喂裝置的控制部分以STC89C52RC芯片為核心，結(jié)合DJL-Y25-V型非接觸式液位傳感器和E18-D80NK型光電傳感器來實現(xiàn)對濕料桶和食槽內(nèi)余料的檢測，實現(xiàn)對密閉容器內(nèi)液位的非接觸檢測；選用YLJ-200型潛水泵，可實現(xiàn)清洗、干濕料混合等功能；采用L298N型電動機驅(qū)動模塊，實現(xiàn)分別驅(qū)動上料和喂料/攪拌電動機。電源部分采用兩種電源接口，即外部電源經(jīng)過電源座直接供電和USB接口供電。復位電路通過開關(guān)RET將單片機的復位引腳與VCC相連，只需給RET引腳一個高電平信號即可實現(xiàn)單片機復位。報警選用無源蜂鳴器，其作用為故障報警和播放音樂，即當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時報警長鳴，當喂料電動機開始工作時，同時播放音樂提高仔豬的食欲，直到喂料結(jié)束時停止播放，其接單片機P1.5口。采用繼電器與水泵相連，繼電器的信號輸入端接單片機的P1.4口。采用一個四位共陽極數(shù)碼管，數(shù)碼管的前兩位用來顯示故障類型，后兩位用作模式選擇顯示。在電路中數(shù)碼管的陽極均由三極管放大電路驅(qū)動，三極管接單片機的P1.0～P1.3口。數(shù)碼管的陰極通過限流電阻與P0口連接。

4 飼喂系統(tǒng)試驗

4.1 飼喂系統(tǒng)性能測試

圖7 仔豬自動精細飼喂裝置圖Fig.7 Automatic fine feeding device for piglets

圖7為仔豬自動精細飼喂系統(tǒng)，為測定仔豬自動精細飼喂系統(tǒng)的自動控制性能和飼喂精度，對系統(tǒng)進行檢測。

該飼喂裝置下料電動機的轉(zhuǎn)速設(shè)有5個擋位，分別為50、100、150、200、250 r/min，擋位通過飼喂裝置控制板上的電動機擋位控制旋鈕進行調(diào)節(jié)，試驗中以下料電動機轉(zhuǎn)速150 r/min為例進行試驗，分別設(shè)定不同的運行時間，把電動機運行時間與干料落料量相對應(yīng)，得出落料量與電動機運行時間的關(guān)系，見圖8。由圖8可知，落料量與電動機運行時間呈正比關(guān)系，其正比例函數(shù)的關(guān)系擬合度為0.999 4。

圖8 實際落料量與時間的關(guān)系Fig.8 Relationship between actual volume and time

圖9 實際落料量與理論落料量的關(guān)系Fig.9 Relationship between actual amount and theoretical drop

通過試驗分析，實際落料量與理論落料量之間的關(guān)系如圖9所示。由圖9可知，仔豬自動精細飼喂系統(tǒng)實際落料量與理論落料量基本一致，其誤差小于5%。

為測定仔豬自動精細飼喂系統(tǒng)的下料量與螺旋裝置轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，分別測量轉(zhuǎn)速為50、100、150、200、250 r/min時的下料量，結(jié)果如圖10所示。

圖10 下料量與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系曲線Fig.10 Relationship curve between material quantity and speed

由圖10可知，仔豬自動精細飼喂系統(tǒng)的下料量不是隨著螺旋裝置轉(zhuǎn)速的增加而無限增加，螺旋裝置的轉(zhuǎn)速從50 r/min增加到200 r/min時，隨著轉(zhuǎn)速的增加下料量增加，原因是螺旋裝置轉(zhuǎn)速較低時，飼料對螺旋裝置產(chǎn)生阻力；在轉(zhuǎn)速為200 r/min時達到最大，下料量為0.133 t/h；轉(zhuǎn)速大于200 r/min后隨著轉(zhuǎn)速的增加下料量減少，原因是轉(zhuǎn)速過大，飼料的離心力增大，飼料與壁之間的摩擦力增大。

4.2 飼喂系統(tǒng)飼喂試驗

在河南省伊川新大牧業(yè)發(fā)展有限公司對該系統(tǒng)進行了試驗，圖11為試驗現(xiàn)場圖。

圖11 飼喂系統(tǒng)試驗現(xiàn)場圖Fig.11 Experiment scene of feeding system

以該公司的仔豬為試驗對象，仔豬的斷奶日齡為21 d，斷奶時每頭仔豬的平均基礎(chǔ)體質(zhì)量為6.5 kg，試驗所用飼料的主要成分有東北玉米、發(fā)酵豆粕、膨化大豆、進口果糖、巧克力粉、乳清粉、全脂奶粉、進口魚粉、礦物質(zhì)、氨基酸、多種維生素、有機微量元素等，飼料的主要營養(yǎng)成分見表1。

對所選的90頭健康的斷奶仔豬進行試驗，把90頭仔豬隨機分成3組，每組30頭仔豬，把第1組仔豬命名為牛奶組，即用牛奶喂養(yǎng)仔豬，第2組命名為智能組，即用本文的自動精細飼喂系統(tǒng)喂養(yǎng)仔豬，第3組命名為商業(yè)組，即人工喂養(yǎng)，其中智能組和商業(yè)組用同種飼料喂養(yǎng)仔豬；對每組仔豬進行稱量求取每日的平均日增長量，得到3組仔豬的平均日增長量與時間的關(guān)系如圖12所示。

表1 飼料主要營養(yǎng)成分含量Tab.1 Feed nutrients

圖12 豬仔平均日增長量與時間關(guān)系曲線Fig.12 Relationship between average daily increment and time of piglets

由圖12可知，3組仔豬的平均日增長量都隨著飼養(yǎng)時間的增加而增加，智能組的平均日增長量大于商業(yè)組小于牛奶組，智能組與商業(yè)組的平均日增長量的變化趨勢大致相同，而隨著飼養(yǎng)時間的增加牛奶組日增長量逐漸緩慢。在仔豬剛斷奶時商業(yè)組的平均日增長量為35 g左右，是由仔豬不適應(yīng)造成的，從整體上看，第2周與第3周智能組平均日增長量近似為商業(yè)組的2倍。

5 結(jié)論

(1)從飼喂裝置和軟件控制兩方面實現(xiàn)了仔豬自動精細飼喂系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

(2)以下料電動機轉(zhuǎn)速150 r/min為例進行試驗，試驗結(jié)果表明：系統(tǒng)的落料量與電動機的運行時間成正比關(guān)系且擬合度為0.999 4；實際落料量與理論落料量基本一致，其誤差小于5%。

(3)測量轉(zhuǎn)速為50、100、150、200、250 r/min時的下料量，試驗結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)速為200 r/min時下料量達到最大，為0.133 t/h。

(4)現(xiàn)場試驗表明：該系統(tǒng)喂養(yǎng)仔豬在第2周與第3周智能組平均日增長量近似為商業(yè)組的2倍，為仔豬智能化養(yǎng)殖提供了研究基礎(chǔ)。