妊娠母豬智能飼喂器設計與試驗*

劉妍華，周思理, 2，曹永峰，夏晶晶, 3，吳凡，曾志雄

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學工程學院，廣州市，510642； 2. 廣州迦恩科技有限公司，廣州市，511363； 3. 廣東機電職業(yè)技術(shù)學院，廣州市，510550)

通訊作者：曾志雄，男，1989年生，廣東廣州人，博士，實驗師；研究方向為畜禽環(huán)境調(diào)控及智能化設施。E-mail: zhixzeng@scau.edu.cn

0 引言

妊娠母豬精準飼喂，對促進母豬膘情調(diào)整、節(jié)約飼料和促進仔豬發(fā)育有重要意義[1]，人工調(diào)節(jié)料量耗工費時，且易出錯。智能飼喂可提高生產(chǎn)效率、增加投資收益[2-4]，且濕拌料適口性好，有效減少豬舍內(nèi)粉塵污染，可提高飼料利用率2%～15%[5-6]，得到國內(nèi)外學者和養(yǎng)殖企業(yè)的廣泛認同。

國外荷蘭、加拿大、奧地利和美國等應用智能飼喂器較早，能夠識別每頭母豬信息，計算采食時間和采食量，為豬場提供精確數(shù)據(jù)[7-9]，但無濕拌料功能，且價格高，在國內(nèi)應用量也有限。并且國內(nèi)對低成本、可濕拌料的智能飼喂器需求較大，近幾年也有較多企業(yè)推出價格適中，適合我國養(yǎng)豬習慣的母豬智能飼喂器。熊本海等[10-11]設計的哺乳母豬精準飼喂下料控制系統(tǒng)，周洪等設計的懷孕母豬精準飼喂單體采食站[12]，潤農(nóng)哺乳母豬飼喂系統(tǒng)、成都肇元母豬飼喂系統(tǒng)，都具有濕拌料功能。然而不同養(yǎng)殖企業(yè)采用飼料不同，易導致下料量不準；豬場水壓不同，易導致下水量不準，精準下料下水有待進一步解決。

本文研發(fā)了一款由下料機構(gòu)、濕拌機構(gòu)、觸碰傳感器、控制系統(tǒng)等組成的妊娠母豬智能飼喂器，提出料量修正系數(shù)，建立不同水壓下水量監(jiān)測數(shù)學模型，可通過人機交互界面設定飼喂方案，達到精準下料控水的目的。該研究對母豬智能飼喂器研發(fā)提供參考。

1 飼喂器總體結(jié)構(gòu)與工作原理

妊娠母豬智能飼喂器主要由下料機構(gòu)、濕拌機構(gòu)、觸碰傳感器、控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示，實現(xiàn)定時定量、分段多餐、飲水監(jiān)測、料量修正等功能。

飼喂器開啟后與時鐘模塊、串口屏、遠端服務器建立連接，自動初始化完成后，可在人機交互界面設置飼喂參數(shù)并將命令發(fā)送給嵌入式系統(tǒng)。當系統(tǒng)進入設定采食時間，推桿電機運轉(zhuǎn)下一定量的料，激發(fā)母豬食欲，當母豬采食完后，會觸發(fā)觸碰裝置，內(nèi)部傳感器產(chǎn)生信號經(jīng)系統(tǒng)識別判斷后繼續(xù)下料，在采食時間段內(nèi)觸發(fā)有效直至計劃料量下完為止，與此同時電磁閥控制水的通斷，流量計統(tǒng)計水的使用量。若下料異常，如推桿電機出現(xiàn)故障等則會觸發(fā)警報。數(shù)據(jù)采集電路將母豬采食量和飲水量數(shù)據(jù)傳輸?shù)角度胧较到y(tǒng)，系統(tǒng)再將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡上傳至遠端服務器，也可通過遠端服務器統(tǒng)一下發(fā)命令給每個飼喂器來執(zhí)行命令，具體如圖2所示。

圖1 妊娠母豬智能飼喂器安裝示意圖Fig. 1 Installation diagram of intelligent feeder for pregnant sows1.食槽 2.觸碰傳感器 3.水管 4.下料機構(gòu) 5.控制盒 6.料線管 7.推桿電機 8.推桿軸 9.儲料倉 10.濕拌機構(gòu) 11.導料管

圖2 飼喂器工作原理簡圖Fig. 2 Schematic diagram of the working principle of the feeder

2 飼喂器關鍵部件設計

2.1 下料機構(gòu)

下料機構(gòu)主要由推桿電機、推桿軸、雙堵料球、儲料倉等組成。工作原理如圖3所示，該裝置通過推桿電機帶動上下堵料球運動，雙堵料球與儲料倉出料口形成一個定量倉(有效容積為170 mL)，保證了每次下料量的均勻性。推桿電機推程運動推動推桿軸，上堵料球擠壓出料口內(nèi)壁，封住儲料倉，下堵料球脫離出料口完成一次下料動作；推桿電機回程運動拉回推桿軸，下堵料球收回封住出料口，上堵料球抬升離開出料口內(nèi)壁，飼料在重力作用下流入定量倉，即完成一次加料動作。采用常州路易推桿電機[13]，其關鍵參數(shù)為電壓DC24 V、推力150 N、行程50 mm、速度10 mm/s，運行過程平穩(wěn)，6 s即能完成一次進料和出料動作，可精準控制下料量。而且只需控制推桿上下運動次數(shù)，從而控制母豬每日采食量。

(a) 進料狀態(tài) (b) 出料狀態(tài)圖3 下料機構(gòu)Fig. 3 Feeding mechanism

定量倉的容積可近似看作圖4陰影部分繞中心軸旋轉(zhuǎn)而成，容積計算公式如下

(1)

(2)

(3)

R1=R2

(4)

(5)

式中：V——陰影部分繞軸L旋轉(zhuǎn)一周的體積；

V1——“倒梯形”部分繞軸L旋轉(zhuǎn)一周的體積；

V2——“正梯形”部分繞軸L旋轉(zhuǎn)一周的體積；

R1——上堵料球最大半徑，mm；

R2——下堵料球最大半徑，mm；

H——上堵料球最大半徑到下堵料球最大半徑的高度，mm；

h1——上堵料球最大半徑到球底部的高度，mm；

h2——下堵料球最大半徑到球頂部的高度，mm；

h3——止推環(huán)的高度，mm；

r1——上堵料球底部邊緣到止推環(huán)邊緣的最大距離，mm；

r2——下堵料球頂部邊緣到止推環(huán)邊緣的最大距離，mm；

r3——止推環(huán)的半徑，mm。

所以陰影部分繞軸旋轉(zhuǎn)形成的體積可由以H為長度，R1或R2為寬的矩形繞軸旋轉(zhuǎn)形成的圓柱體積減去兩個梯形和一個矩形繞軸旋轉(zhuǎn)形成的體積，即V=πR2H-V1-V2-V3，由此落料器一次下料量

Q=V×ρ

(6)

式中：Q——落料器單次下料量，g；

ρ——飼料密度，kg/m3。

圖4 落料器容積截面圖Fig. 4 Volumetric section view of blanking device

2.2 濕拌機構(gòu)

濕拌機構(gòu)由流量計[14](型號OF05ZAT，5 V)、電磁閥[15](型號2W160-15，DC24 V)、水管等組成，設置好料水比，下一次料同時按比例下水，與飼料混合形成濕拌料，增加飼料適口性，有利于母豬采食后消化。濕拌機構(gòu)在現(xiàn)場安裝時，水路從主路分有兩條支路，流量計接于水路主路，可統(tǒng)計單頭母豬單日飲水量，電磁閥接于水路支路，控制流入食槽中水的通斷，另一支路則供母豬日常飲水，如圖5所示。母豬飲水量的監(jiān)測對豬場生產(chǎn)具有很大的意義，飲水消耗可以作為母豬健康狀況的參考[16-17]，而且可統(tǒng)計整個豬舍水的消耗情況。

圖5 濕拌機構(gòu)示意圖Fig. 5 Site installation diagram of intelligent feeder for pregnant sows1.主水管 2.流量計 3.水嘴 4.下水管 5.電磁閥

2.3 觸碰傳感器

觸碰傳感器結(jié)構(gòu)簡易，內(nèi)部有磁鐵和干簧管[18-19]，磁鐵靠近干簧管產(chǎn)生磁感信號，傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)進行判斷是否下料。如圖6所示，采用不銹鋼材料制作，具有強度高、耐腐蝕等特性，適用于豬場惡劣環(huán)境，用于觸發(fā)下料，并能檢測豬只是否正常采食。采食時間段內(nèi)，豬只觸發(fā)即下料直至當餐下完為止；非采食時間段，觸碰無效。

圖6 觸碰傳感器示意圖Fig. 6 Physical map of the touch mechanism1.不銹鋼管 2.干簧管 3.鋼套 4.磁鐵 5.頂桿

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)控制原理

采用STM32嵌入式技術(shù)[20-21]設計妊娠母豬智能飼喂器主控器，主控芯片如圖7所示，其主要接口設計包括串口顯示屏、A/D采集和控制輸出電路、RS-232串口通信、CAN總線通信等，其中A/D采集電路主要是采集母豬采食飲水量；控制輸出電路實現(xiàn)下料動作；使用RS-232技術(shù)與下位機進行通訊，CAN總線技術(shù)實現(xiàn)與上位機通訊[22]，實現(xiàn)信息采集與上傳。

圖7 STM32主控芯片原理圖Fig. 7 Physical picture of STM32 main control board

3.2 系統(tǒng)電機控制電路圖

本系統(tǒng)選用的推桿電機為直流電機，控制直流電機的IO口驅(qū)動能力必須使用較大的驅(qū)動電流，如圖8所示，于是采用L298N，74LVC244APW，74LVC244APW來提高IO口的帶負載能力，并且使用光電耦合器作為兩個芯片的中結(jié)點。將3.3 V的信號源轉(zhuǎn)換成5 V的信號源，L298N，74LVC244APW，74LVC244APW主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的異步通信，而L298N主要是加強IO口的驅(qū)動能力，使其可以達到控制電機的功率，電機信號輸出作為電路的輸入端，加上一個3.3 V的上拉信號，增加了驅(qū)動能力，并且保證輸入信號可以穩(wěn)定再3.3 V，再加上一個100 Ω和20PF的RC電路，用來進行濾波作用，減少外界對電路進行干擾，74LVC244APW的輸出端是一個光電耦合器，當輸入端的電流大于10 mA 的時候?qū)|發(fā)耦合器，使得耦合器的輸出端導通，將5 V信號作用輸入，經(jīng)過濾波進入到L298N電機驅(qū)動芯片，輸出的信號將用來直接控制電機。

圖8 推桿電機控制電路原理圖Fig. 8 Schematic diagram of the control circuit of the push rod motor

3.3 系統(tǒng)控制邏輯

系統(tǒng)內(nèi)設雙模式(用戶模式和專家模式)，初始化默認為專家模式，即按照配種后30～110 d妊娠母豬飼喂曲線[23]執(zhí)行下料，如圖9所示。系統(tǒng)控制邏輯如圖10所示。

圖9 妊娠母豬飼喂曲線Fig. 9 Feeding curve of pregnant sows

圖10 系統(tǒng)控制邏輯Fig. 10 System control logic

進入投喂周期，若選擇自動模式，則定時定量下料直至下完當餐料量；若選擇刺激下料，進入采食時間，首先刺激下一定量的料，激發(fā)母豬食欲，觸碰傳感器被觸發(fā)后，接著下料直至當餐料量下完，一旦超過采食時間，觸碰傳感器觸發(fā)無效。

3.4 人機交互界面設計

人機交互界面[24]中顯示母豬重要信息，如編號、欄齡、體型、分娩日期預測等，動態(tài)顯示下料和下水量，實時更新相關數(shù)據(jù)?？筛鶕?jù)不同養(yǎng)殖模式，設置分段多餐次數(shù)，符合目前“少食多餐”[25]的養(yǎng)殖方式，開展母豬精細飼喂?？稍O置系統(tǒng)時間、料水比、分餐百分比等參數(shù)。其中一個重要參數(shù)，料量修正，不同豬場甚至不同時期的豬只采食飼料密度也可能不同，針對這種差異設置這種功能，保證單次下料量的統(tǒng)一。在界面中即可查詢某段時間母豬采食量和飲水量信息，也能查詢詳細至每餐的量。部分交互界面如圖11所示。

(a) 狀態(tài)顯示界面

(b) 飼喂方案界面圖11 飼喂器人機交互界面Fig. 11 Human-computer interaction interface of the feeder

4 飼喂器性能試驗

4.1 試驗材料與方法

試驗飼料為懷孕母豬飼料(容重為0.59 t/m3，形狀Φ2.6×12 mm，記為1#)，懷孕母豬飼料(容重為0.69 t/m3，形狀Φ4.4×13 mm，記為2#)；測試工具包括電子秤(精度0.5 g，量程0～15 kg)，500 mL燒杯。

為測試飼喂器下料精度和下料穩(wěn)定性，設定飼喂曲線與實際下料曲線吻合度，使用修正功能前后下料精度和穩(wěn)定性變化情況，在云南保山市某豬場安裝和使用所設計的妊娠母豬智能飼喂器。

1) 下料量測試。在人機交互界面設定分段區(qū)間，對應妊娠母豬飼喂曲線，分為30～70 d、71～95 d、96～110 d三段，每段日下料量分別為2.2 kg、2.6 kg、3～3.5 kg，第三段胎兒體重極大化日下料量需逐步增加至3.5 kg后保持不變。用容器盛裝每日下料量，放于電子秤稱量重量記錄數(shù)據(jù)，計算平均相對誤差和變異系數(shù)來測試飼喂器下料精度和下料穩(wěn)定性。

下料精度：表示飼喂器計劃下料量與實際下料量之間的差異，需通過計算相對誤差來對比，相對誤差越小則說明精度越高，計算公式如式(7)所示[26]。

(7)

式中：δ——相對誤差，%；

M——為通過測量得到的實際下料量，g；

M0——理論投料量，g。

下料穩(wěn)定性：表示每次下料穩(wěn)定程度，通過計算變異系數(shù)對比，變異系數(shù)越小則較高，說明下料穩(wěn)定性越好。

(8)

式中：CV——變異系數(shù)，%；

S——樣本標準差；

X——樣本均值。

2) 料量修正測試。本文中飼喂器所設計的定量倉體積一定，是用1#飼料進行容積標定。若使用其他飼料，只需在實際日下料量基礎上乘以修正系數(shù)。

(9)

式中：ρ1——1#飼料容重，t/m3；

ρ2——其他飼料容重，t/m3。

同樣的2#飼料容重已知，在系統(tǒng)中輸入修正系數(shù)ξ，進行妊娠母豬30～110 d每日下料量測試，統(tǒng)計每日修正前后實際下料量。

3) 下水量測試。下水測試方法與過程基本同下料量測試。區(qū)別在于該測試需要按照料水比，分為1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3、1∶4五組進行，每組料水比測試10次并記錄數(shù)據(jù)。經(jīng)現(xiàn)場多處水壓測試發(fā)現(xiàn)，管中水壓基本處于0.140 MPa左右，則選擇該水壓下進行此項測試。

4) 不同水壓流量測試。在相同時間(單次下料時間)、料水比情況下，水壓不同下水量也會出現(xiàn)較大差異[27]，此差異會影響母豬飲水量監(jiān)測。為找出其規(guī)律，進行水壓與下水量試驗，壓力表量程為0～0.4 MPa，測試水壓分別為0.135 MPa、0.140 MPa、0.145 MPa，料水比分別為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5五組，每組料水比下水10次并取平均值。

4.2 試驗結(jié)果與分析

4.2.1 下料精度與穩(wěn)定性

按照飼喂曲線采集三個時間段下料量，結(jié)果如圖12所示。從圖12中可直接觀察出曲線波動幅度較小，初步表明穩(wěn)定性較好，再利用評價標準計算公式(7)和公式(8)進行計算，得出實際下料曲線平均相對誤差為2.42%，變異系數(shù)均值為0.17%，結(jié)果表明，在本試驗范圍內(nèi)，實際下料量平均相對誤差小于3%，變異系數(shù)較小，下料精度較高，穩(wěn)定性較好。

圖12 實際下料量分布圖Fig. 12 Actual feed distribution map

4.2.2 料量修正對比

同樣按照飼喂曲線采集三個時間段修正前后的下料量，結(jié)果如圖13所示。

圖13 修正前后下料量分布圖Fig. 13 Distribution of blanking volume before and after correction

從圖13可以看出修正前下料量曲線高于修正后曲線，說明修正前下料量誤差偏大，但波動幅度不大，推出下料穩(wěn)定性較好，通過式(7)和式(8)計算平均相對誤差和變異系數(shù)，在本試驗范圍內(nèi)，得出修正前下料曲線平均相對誤差為3.98%，變異系數(shù)均值為0.21%，修正后下料曲線平均相對誤差為2.30%，變異系數(shù)均值為0.19%，有效降低下料平均誤差1.68%，在保證母豬采食量前提下，可大量節(jié)省飼料。

4.2.3 下水精度與穩(wěn)定性

不同料水比下水結(jié)果如表1所示，從表1可以看出下水相對誤差隨著料水比的減小而減小，當料水比為1∶1.5 時相對誤差接近1∶3的兩倍，同樣1∶2也接近1∶4 的兩倍，由此可知不同料水比下水相對誤差存在倍數(shù)關系，為以下水壓流量監(jiān)測控制數(shù)學模型提供一定的理論參考?？傮w上相對誤差都小于17%，變異系數(shù)都小于4%，下水相對誤差可作為豬場對電磁閥、流量計的選型參考，下水穩(wěn)定性較好。

表1 不同料水比下水試驗數(shù)據(jù)(0.140 MPa)Tab. 1 Test data of mixing water with different

4.2.4 水壓流量監(jiān)測控制數(shù)學模型

不同水壓下水流量測試結(jié)果如圖14所示，從圖14中可看出，不同水壓下料水比與下水量都存在線性關系，水壓為0.135 MPa時，建立數(shù)學模型y1=104.4x+9.46(y為下水量，x為料水比)；水壓為0.140 MPa時，y2=103.24x+20.38；水壓為0.145 MPa時，y3=102.44x+30.32，為有效提高監(jiān)測母豬飲水量的準確性提供理論依據(jù)。

圖14 不同水壓下水量趨勢圖Fig. 14 Trend chart of water volume under different water pressures

5 結(jié)論

為實現(xiàn)妊娠母豬精準飼喂，增加飼料適口性，提高飼料利用率，本文設計了妊娠母豬智能飼喂器，主要結(jié)論如下。

1) 設計了一款集分段多餐精準飼喂、采食信息采集、飲水量監(jiān)測、信息存儲上傳等功能于一體的妊娠母豬智能飼喂器，該飼喂器包含下料機構(gòu)、濕拌機構(gòu)、觸碰傳感器、控制系統(tǒng)等，可通過人機交互界面設定飼喂參數(shù)，實現(xiàn)智能飼喂，提高管理效率。

2) 采用兩種不同飼料分別進行濕拌料精度和穩(wěn)定性及修正功能試驗，結(jié)果表明：按照妊娠母豬飼喂曲線下料，料水比為1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3、1∶4時，下料平均相對誤差都小于2.5%，變異系數(shù)均值都小于0.20%，下水相對誤差為都小于17%，變異系數(shù)都小于4%，不同料水比下水相對誤差存在倍數(shù)關系；實際下料量曲線與專家飼喂曲線較吻合，濕拌料精度較高，穩(wěn)定性較好；料量修正系數(shù)ξ，可有效降低下料平均誤差1.68%，在保證母豬飼喂量的情況下，可節(jié)省大量飼料。

3) 針對不同水壓情況下水量差異，建立水壓流量監(jiān)測控制數(shù)學模型，水壓為0.135 MPa時，數(shù)學模型為y1=104.4x+9.46(y為下水量，x為料水比)；水壓為0.140 MPa時，y2=103.24x+20.38；水壓為0.145 MPa 時，y3=102.44x+30.32。