一種仔豬智能飼喂器的研制與試驗

王開云，高彥玉，邊 峰，羅土玉，鐘偉朝，周昆樂，鄧事特，鄧華勝

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能裝備重點實驗室，廣東 廣州 510630；3.廣東廣興牧業(yè)機械設備有限公司，廣東 廣州 510520）

0 引言

養(yǎng)豬業(yè)在我國畜牧業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位，做好養(yǎng)豬生產(chǎn)對于發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟、改善人民生活、支援國家社會主義建設，均有十分重要的意義[1]。仔豬是發(fā)展養(yǎng)豬生產(chǎn)的基礎。仔豬階段是生長最快、發(fā)育最強烈、飼料利用率最高、生產(chǎn)成本最低、開發(fā)潛力最大的時期[2]。在養(yǎng)豬生產(chǎn)中，普遍存在斷奶應激現(xiàn)象，降低斷奶應激是仔豬飼養(yǎng)管理的關鍵[3]。由于采用人工濕料飼喂費時費力，也易造成浪費，特別是隨著養(yǎng)豬生產(chǎn)朝著規(guī)模化發(fā)展，人工濕料飼喂方式顯然無法滿足生產(chǎn)需求。目前，規(guī)模豬場應用較多的自動飼喂設備包括干濕料槽，豬采食時可以同時在與料槽相連的水槽飲水，試驗證明,干濕喂料器對減少飼料損耗、防止豬患呼吸道疾病有很好的效果[4-5]，洪奇華等[6]人的結(jié)果也表明應用干濕料槽顯著提高仔豬日采食量、日增重。不過在豬只貪玩過度拱動下料機構(gòu)的情形時，料槽會下料過多，造成過多的飼料掉入旁邊的水中相混，長時間容易滋生細菌、飼料變質(zhì)。

隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展，智能化濕料飼喂設備[7]應運而生，并開始逐漸推廣應用，豬場應用效果表明，智能化濕料飼喂設備自動為豬只提供濕料，提高豬只采食量，促進了豬只生長[8-12]，不浪費飼料從而節(jié)省了飼料費用，提升豬場經(jīng)濟效益，應用前景非常廣闊[13-14]。但是在豬場實際應用過程中，還有一些問題亟待解決，比如設備操作較復雜、下料和下水量不夠穩(wěn)定、飼料（特別是粉料）結(jié)拱問題等[15]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

仔豬智能飼喂器由儲料桶、料槽、下料裝置、破拱裝置、水閥及出水口、下水下料觸碰及料位感應裝置、監(jiān)控裝置等組成，如圖1 所示，總體設計采用模塊化設計，運行可靠，維護方便。儲料桶內(nèi)設置破拱裝置，破拱裝置的螺旋構(gòu)件下端與下料裝置轉(zhuǎn)軸相連，下料裝置下方設置料槽，出水口位于料槽上方。仔豬智能飼喂器以機械本體為硬件基礎，以智能控制為軟件支撐，實現(xiàn)飼料和水按合適比例精準投放。

圖1 仔豬智能飼喂器

2 關鍵部件設計

2.1 儲料桶

儲料桶為半錐形設計，錐形桶壁傾角為66°，出料口直徑為130 mm，有利于飼料朝下料口流動，減少飼料與桶壁摩擦，容積設計為80 L 左右，可以裝至少50 kg 飼料，滿足40 頭斷奶仔豬1 天的飼料量。

2.2 下料裝置

下料裝置由電機、飼料擋板、轉(zhuǎn)軸、推料桿組成，如圖2 所示，電機為24 V/30 W 直流電機，飼料擋板為圓形，通過卡扣固定在儲料桶下端內(nèi)壁上，飼料擋板與內(nèi)壁的間隙為3～4 mm 左右，推料桿兩端折彎朝上，置于飼料擋板上與轉(zhuǎn)軸相連，監(jiān)控裝置接收到下料信號時，啟動電機，通過轉(zhuǎn)軸帶動推料桿轉(zhuǎn)動，將飼料擋板上的飼料從與儲料桶內(nèi)壁的間隙推入料槽，在推料桿轉(zhuǎn)動推料時，推料桿兩端折彎朝上的設計有利于破壞飼料結(jié)拱結(jié)構(gòu)。

圖2 下料裝置

2.3 破拱裝置

破拱裝置設計位于儲料桶內(nèi)半錐形側(cè)，由螺旋機構(gòu)、震動機構(gòu)組成，如圖3 所示，螺旋機構(gòu)包括螺旋上升構(gòu)件、軸套，震動機構(gòu)包括錘桿、導向套環(huán)、破拱橫桿。螺旋上升構(gòu)件與軸套相連，軸套固定在下料裝置轉(zhuǎn)軸下端，隨轉(zhuǎn)軸而轉(zhuǎn)動，螺旋上升構(gòu)件在旋轉(zhuǎn)過程中，可以由前端開始逐漸抬高位于螺旋上升構(gòu)件上方的飼料，進而破壞飼料的內(nèi)部應力結(jié)構(gòu)。同時，當飼料上升到一定高度，便會在重力的作用下從螺旋上升構(gòu)件的后端下落；錘桿的下端在重力作用下與螺旋上升構(gòu)件的上表面滑動觸接，當螺旋上升構(gòu)件旋轉(zhuǎn)時，錘桿隨著旋轉(zhuǎn)由前端滑動至后端，錘桿和與錘桿相連的破拱橫桿高度上升，破拱橫桿可以破壞飼料和儲料桶內(nèi)壁的接觸，使飼料掉落。當錘桿從螺旋上升構(gòu)件的后端上掉下來時，錘桿的自重會形成沖量，與固定在儲料桶內(nèi)壁的導向套環(huán)進行沖撞，從而形成震動脈沖，也可以破壞飼料的結(jié)拱應力結(jié)構(gòu)。

圖3 破拱裝置

2.4 下水下料觸碰及料位感應裝置

下水下料觸碰及料位感應裝置包括觸碰開關、料位感應裝置，如圖4 所示。當豬只用鼻子拱動碰桿時，就會產(chǎn)生觸碰信號傳遞給監(jiān)控裝置，監(jiān)控裝置判斷產(chǎn)生觸碰信號的次數(shù)，當次數(shù)達到后，驅(qū)動下料裝置電機轉(zhuǎn)動下料和水閥開啟下水，當料槽有一定的水和飼料時，位于料槽上方的料位感應探頭通過接觸到水料而檢測到電阻變化，產(chǎn)生信號傳遞給監(jiān)控裝置，監(jiān)控裝置從而判斷料槽有料，此時豬只再拱動碰桿也不會下水下料。

圖4 觸碰及料位感應裝置

2.5 監(jiān)控裝置

監(jiān)控裝置是飼喂器的控制部件，主控芯片為Cortex-M3 內(nèi)核主流微控制器，其硬件控制框圖如圖5 所示。該裝置通過控制面板設置參數(shù)，總共有3 個按鍵“設置/確認”、“+”、“-”，操作簡單，按“設置/確認”鍵進行參數(shù)設置、確認，按“+”和“-”鍵進行參數(shù)調(diào)整，可以控制下水下料量、下料間隔、飼喂時段，如圖6 所示。在飼喂時段內(nèi)，仔豬拱動下料下水觸碰開關時，監(jiān)控裝置控制下料裝置電機和水閥開啟下水下料，下水下料后進入下料間隔時間；在下料間隔時間內(nèi)，豬只拱動觸碰開關不下水下料；下水量和下料量可以根據(jù)豬只數(shù)量和大小控制，同時料位感應探頭控制料槽飼料量，當判斷料槽飼料超量時，豬拱動觸碰開關不下水下料，直至料槽飼料耗盡，實現(xiàn)了豬只飼養(yǎng)過程少食多餐，杜絕浪費。控制流程見圖7。

圖5 硬件控制框圖

圖6 控制面板

圖7 控制流程圖

3 飼喂器性能試驗

3.1 試驗材料與方法

試驗飼料為斷奶仔豬飼料（粉料），主要成分為玉米豆粕型配合飼料。測試工具包括電子稱（量程0～5 kg，精度為0.1 g）和500 ml 量筒。

1）破拱試驗。準備2 臺飼喂器樣機，1 臺帶破拱裝置，1 臺不帶破拱裝置，2 臺機均裝滿飼料。用人工模擬采食的方式，拱動碰桿下料，當過了下料間隔，就再次拱動碰桿下料，直至拱動碰桿不再下料為止。試驗重復5 次，觀察比較2 臺機下料結(jié)拱情況。

2）下料穩(wěn)定性試驗。將帶破拱裝置飼喂器樣機儲料桶內(nèi)飼料保持在充滿系數(shù)為70%左右，拱動碰桿下料，稱取下料量，試驗重復20 次，計算下料量變異系數(shù)，計算公式如式（1）所示：

式中：

CV1——變異系數(shù)，%；

S1——下料量標準差，g；

X1——下料量平均值，g。

3）下水穩(wěn)定性試驗。在做下料穩(wěn)定性試驗同時，開展下水穩(wěn)定性試驗，用量筒量取下水量，試驗重復10 次，計算下水量變異系數(shù)，計算公式如式（2）所示：

式中：

CV2——變異系數(shù)，%；

S2——下水量標準差，ml；

X2——下水量平均值，ml。

3.2 試驗結(jié)果與分析

1）破拱試驗。為了測試破拱裝置破拱效率，比較裝滿粉料情況下2 臺飼喂器樣機（其中1 臺帶破拱裝置）下料結(jié)拱情況。5 次試驗，不帶破拱裝置飼喂器均出現(xiàn)結(jié)拱現(xiàn)象，即飼喂器儲料桶內(nèi)有飼料但是拱動碰桿，下料裝置轉(zhuǎn)動但出料口不下料，結(jié)拱率100%，而帶破拱裝置飼喂器5 次試驗均不存在結(jié)拱現(xiàn)象。從5 次試驗的結(jié)果表明，通過破拱裝置可以很好破壞粉狀飼料所造成的結(jié)拱，使得儲料桶內(nèi)飼料能夠流暢地落入料槽內(nèi)，保證豬只持續(xù)穩(wěn)定采食。

2）下料穩(wěn)定性試驗。下料穩(wěn)定性試驗用來確定下料裝置下料的穩(wěn)定性，20 次下料的試驗數(shù)據(jù)如表1 所示。經(jīng)計算，20 次下料的平均值為483.6 g，標準差為17.9 g，變異系數(shù)為3.7%。本試驗結(jié)果表明，仔豬智能飼喂器下料裝置采用推料桿式，每次的下料量均比較穩(wěn)定，變異較小，與本試驗結(jié)果相似，在出料口直徑110 mm、料斗傾角65°和充滿系數(shù)65%的情況下，采用撥片下料結(jié)構(gòu)的保育豬飼喂器樣機的下料量變異系數(shù)為3.62%[16]。

表1 下料量試驗數(shù)據(jù)

3）下水穩(wěn)定性試驗。下水穩(wěn)定性試驗用來確定出水口水量的穩(wěn)定性，10 次下水的試驗數(shù)據(jù)如表2所示。經(jīng)計算，10 次下料的平均值為305.6 ml，標準差為4.97 ml，變異系數(shù)為1.6%。本試驗結(jié)果表明，仔豬智能飼喂器水閥單次下水多次重復情況下，下水比較穩(wěn)定，變異較小，與本試驗結(jié)果相似，針對妊娠母豬的智能飼喂器水閥下水量變異系數(shù)在4%以內(nèi)[17]。

表2 下水量試驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

為降低仔豬斷奶應激，提高飼料適口性，提升斷奶仔豬生產(chǎn)效率，本文設計了一款仔豬智能飼喂器，主要結(jié)論如下：

1）開發(fā)設計了一款集下料下水裝置、破拱裝置、下水下料觸碰及料位感應裝置、監(jiān)控裝置于一體的仔豬智能飼喂器，通過控制面板設置參數(shù)，可以控制飼喂時段，自動實現(xiàn)飼料和水的準確投放，還可以感應料槽內(nèi)料量，避免料槽飼料過多導致浪費。

2）通過飼喂器破拱試驗表明，飼喂器破拱裝置可以很好地破壞粉狀飼料所造成的結(jié)拱，使得儲料桶內(nèi)飼料能夠流暢地落入料槽內(nèi)，保證豬只能夠持續(xù)穩(wěn)定采食；下料和下水穩(wěn)定性試驗表明，飼喂器下料和下水穩(wěn)定，下料和下水變異系數(shù)分別為3.7%和1.6%，變異系數(shù)較小，可以很好地控制飼喂器每次的下料和下水量。