仔豬全自動液態(tài)奶飼喂系統(tǒng)的設(shè)計

摘" 要：為了解決仔豬母乳供應(yīng)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(shè)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(yù)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(yīng)不足問題。同時，仔豬在離開母豬后還面臨著斷奶應(yīng)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(dǎo)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(shè)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(shè)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(yīng)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(fù)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(yīng)用前景，能夠較好地解決仔豬的斷奶應(yīng)激綜合征等問題。文章設(shè)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(shè)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(shè)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(yù)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?zé)崴?、奶粉存儲箱、閥門等設(shè)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(zé)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(shè)備，該部分負責(zé)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(yù)測部分負責(zé)根據(jù)傳感器采集的仔豬信息預(yù)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(shè)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(yù)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(yù)測采食量，通過控制模塊的液晶顯示屏設(shè)置所需的奶粉和水的比例，同時設(shè)定調(diào)溫?zé)崴鞯乃疁兀婚_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(dǎo)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(yīng)不足。

設(shè)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(yù)測部分

仔豬采食量預(yù)測部分是利用建立的人工智能模型來預(yù)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(yù)測仔豬的未來采食量，仔豬采食量預(yù)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?zé)崴?、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。控制芯片一方面可與控制模塊進行數(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(shè)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?zé)崴鞯脑O(shè)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?zé)崴飨噙B接，調(diào)溫?zé)崴髋c自來水廠供水管相連接。控制模塊交替開關(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(shè)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?zé)崴鞯臏囟仍O(shè)定回默認溫度。

3" 仔豬液態(tài)飼喂系統(tǒng)的軟硬件設(shè)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(yù)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(yù)測。

3.1 仔豬飼喂系統(tǒng)硬件設(shè)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(shè)計

仔豬飼喂系統(tǒng)軟件設(shè)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(yù)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(xùn)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(shè)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(yīng)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(yù)測，減少飼料的浪費，實現(xiàn)仔豬的個性化飼喂。

參考文獻

[1] 陳云，楊卉，竇悅銘．斷奶仔豬應(yīng)激綜合征的發(fā)病原因及防治措施[J]．畜牧與飼料科學(xué)，2015，36（8）：115-116.

[2] 彭?。溫i營養(yǎng)與管理技術(shù)及其對中國養(yǎng)豬業(yè)的啟示[J]．飼料工業(yè)，2016，37（21）：1-8.

[3] 張伏，王亞飛，呂美，等．仔豬自動精細飼喂系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2018，49（7）：39-45.

[4] 季邦，王春光，劉濤．我國生豬飼喂設(shè)備的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．黑龍江畜牧獸醫(yī)（下半月），2016（7）：57-59，292.

[5] 沈明霞，陳金鑫，丁奇安，等．生豬自動化養(yǎng)殖裝備與技術(shù)研究進展與展望[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2022，53（12）：1-19.

[6] 趙明炯，金興偉，江萍．豬場液態(tài)料飼喂控制系統(tǒng)設(shè)計分析[J]．南方農(nóng)機，2020，51（22）：30-31.

[7] 馬京漢，程存仁，王影，等．集約化豬場液態(tài)飼料自動飼喂系統(tǒng)研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006（S2）：96-99.

[8] 沈國強，易志剛，倪敬，等．全自動液體飼喂系統(tǒng)的電氣控制研究[J]．機電工程，2010，27（6）：61-64.

[9] MISSOTTEN J A，MICHIELS J，DEGROOTE J，et al．Fermented liquid feed for pigs： an ancient technique for the future[J]．Journal of Animal Science and Biotechnology，2015，6（1）：4.

[10] 鄧凱熠，劉仁鑫，張凱，等．液態(tài)飼料智能飼喂系統(tǒng)設(shè)計與驗證[J]．黑龍江畜牧獸醫(yī)（下半月），2020（8）：50-53.

[11] 劉燕．液態(tài)飼料對斷奶仔豬的飼喂效果試驗[J]．畜牧與飼料科學(xué)，2016，37（S1）：27-29.