基于精细农业的奶牛自动饲喂系统

李秀芝 王冉冉 杜现军 李法德

精细农业技术思想的核心是基于时空变异的农业管理与投入，即在获取农田小区作物产量和影响作物生长的环境因素差异性信息的基础上，区别对待，按需实施定位调控。精细农业是从20世纪90年代发展起来的基于信息和知识的现代农业管理与经营理念，是实现农业可持续发展的技术支持。精细农业技术体系是农学、农业工程、电子与信息科技等多种学科知识的集成，其应用研究与发展涉及到直接面向农业生产者应用服务的电子信息高新技术，农田信息快速采集与可视化表达技术，农田耕作、土肥管理、农药利用、污染控制等适用技术和农业工程装备及其产业化技术。

精细养殖是精细农业的重要组成部分。精细农业包含的理论、技术和工程都能应用在动物养殖的整个过程中。奶业是世界公认的节粮、经济、高效型产业，奶业发展水平是一个国家畜牧业以至于整个农业发展水平的重要标志[1]。为了实现奶牛的高效、优质生产，必须根据奶牛基础日粮采食情况和产奶量等个体差异，适时、适量地补充不同配方的精饲料，即必须实现基于奶牛个体体况信息的精细饲养。

1 精细农业

精细农业研究与实践始于20世纪80年代初期，当时发达国家农学家揭示出农田内小区作物产量和生长环境条件的明显时空差异性，从而提出对作物栽培管理实施定位、按需变量投入。90年代以来，随着全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、生物基因技术作物栽培模式以及生产管理决策支持系统（DDS）的发展，精细农业已成为一种全新的合理利用农业资源、提高农业作物产量、降低生产成本、改善生态环境的现代农业生产形式。

精细农业技术体系包括信息获取与数据采集、数据分析与可视化表达、农作业决策与分析等主要组成部分。精细农业技术思想的核心是基于时空变异的农业管理与投入，即在获取生物产量和影响生物的生长环境因素差异性信息的基础上，区别对待，按需实施定位调控。

2 基于精细农业的奶牛养殖

实现奶牛精细饲养关键是根据奶牛个体营养需求不同，针对性地对奶牛进行精确饲喂，而实现精细饲喂的关键在于精确饲喂设备。西欧各国早在1983年就普遍使用由自动识别器、产奶量记录器、定量配料器和微处理机组成的自动饲料配给系统。中国目前仅有少数奶牛场使用奶牛精料自动饲喂系统，但多为进口产品，价格昂贵[2]。而在缺乏精料精确饲喂系统的奶牛养殖场中，精饲料只能依靠人工平均投放。因此，存在着劳动强度大、自动化、智能化程度低、不能根据奶牛差异实现个体配方饲喂等缺点。随着养殖规模的扩大，由人工根据奶牛个体差异按配方要求实现快速投放精饲料是非常困难的[3]。

针对上述情况，本文介绍了一种基于奶牛个体的自动饲喂系统。通过该系统，可针对个体奶牛的基础日粮采食量及其产奶量的差异，实现4种精饲料的精准配料、自动混合与投放。此外该系统还具有奶牛饲喂数据库，可在线记录、查询奶牛的各项饲喂数据。

3 奶牛自动饲喂系统

3.1 系统硬件组成（见图1）

图1 硬件系统结构

系统的硬件结构如图1所示，该系统主要有奶牛饲喂控制中心、奶牛身份识别系统、自动配料系统、料位检测系统、门禁机构五部分组成。基于Samsung S3C2440 ARM9处理器和WinCE5.0操作系统的嵌入式系统，作为奶牛饲喂控制中心；奶牛身份识别系统采用RFID无线射频识别技术对奶牛身份进行自动识别；自动配料系统通过四台步进电机分别驱动四个计量装置，实现四种精饲料的配料、混合；料位检测系统实时监测料仓内料位状况，料仓内饲料低于设定位置时及时报警，提示加料；门禁机构根据当前奶牛是否需要补料适时开闭，并防止正在补料的奶牛受到干扰。

3.2 系统软件设计

系统软件是在WinCE5.0操作系统下，应用EVC开发设计的，具有良好的操作性和人机界面。系统软件主要由精料排出校准标定、牛只射频识别解码、门禁电机正反转、制动器启停、料位检测、精料精准投放、精料补饲数据库管理和数据查询报表等组成。该软件首先对计量装置进行精料投放校准标定，当奶牛靠近补饲系统的饲喂区后，无线射频识别系统的读卡器读取奶牛佩带的身份卡信息，控制软件解码身份卡信息实现牛只识别，并从精料补饲数据库中检索牛只的精料的补料量、补料次数和补料时间等信息。当奶牛满足补料条件时，饲喂控制中心向门禁机构发布指令，打开栏杆，让奶牛进入围栏，同时控制中心将根据精料的补饲量自动计算步进电机的转动步数，然后向自动配料系统发送信号控制步进电机的转动，实现精料的投放，饲料在下落的过程中相互冲击，自动混合。待补饲结束，奶牛从围栏侧门走出后，栏杆关闭，开始下一头奶牛的补料过程。控制软件在补料的同时，可记录该牛只的补料量、补料次数、补料时间等信息，以供数据查询报表等使用[4]。该控制软件主要程序流程如图2所示。

图2 主要程序流程

4 结论与讨论

奶牛饲喂设备的研发要符合精细农业的发展需求，近20年来，随着以数字电子技术、空间技术、遥测遥感技术、计算机及无线网络技术为代表的数字技术在农业领域的密集应用，促使先进国家的农业体系在精确监控的数字技术帮助下有了迅猛的发展[5]。在奶牛生产过程中，利用信息采集技术，获取奶牛个体信息，然后借助于各种营养需求预测模型制定出体现奶牛个体差异的日粮配方，最后通过自动饲喂系统，实现奶牛的精细饲养，从而大大降低人工饲养的劳动强度。

[1]杨稼.认识奶业强化奶业[M].奶业春秋.北京:中国奶业出版社,2004.

[2]花俊国,周永亮,花俊治,等.奶牛自动饲喂系统的研究与开发[J].农业工程学报,2006,22(2):79-83.

[3]李法德,王中华.奶牛数字化精准饲养装置[P].中国,CN200810013818Y.2008-07-09.

[4]Song Zhanhua,Yan Yinfa,Yan Shitao,et al.Design and Experimental Study on Flute-Wheel Concentrate feeding Mechanism for Dairy Cow[C]//Proceedings of Joint International Agricultural Conference.Paper No.14086,2009.

[5]谭春林，坎杂，曾明军，等.奶牛饲喂技术与设备的现状分析[J].农机化研究,2007,12:240-245.