奶牛个体采食量测定仪的设计与试验

■吴洪宇 王晓帆 张永根

(东北农业大学动物科学学院，黑龙江哈尔滨150030)

奶牛的采食量是指单位时间内奶牛实际采食饲草（料）的数量，是影响奶牛身体发育以及牛奶产量的主要因素之一，采食量是反刍动物健康和生产所需的营养物质的量化基础，为调整奶牛所需能量和其他营养物质提供主要依据[1]。但采食量的计量是畜牧生产中采用人工方法难以解决的问题[2]，所以准确计算出奶牛的采食量对于奶牛养殖和生产具有重要意义。目前对于奶牛采食量的测定方法大多数是基于奶牛群体测定，对于奶牛个体采食量的测定达不到理想的测定效果[3]，因此，对奶牛个体采食量测定仪进行研究设计显得十分重要。

本文设计了针对奶牛个体采食量测定的仪器，并验证了其测定的准确性。系统大致可以分为个体识别、无线称重、数据采集、数据传输、数据分析几部分。采用计算机控制，并通过ZigBee网络进行无线数据通信。解决了测定奶牛个体采食量中奶牛个体精确识别、无线称重和信息无线传输等问题，实现奶牛个体采食量的准确测定。

1 奶牛个体采食量测定仪简介

根据奶牛采食习惯，结合人机工程学原理设计奶牛个体采食量测定仪。探索一种基于无线传感器网络的奶牛采食量无线称重测定仪，该测定仪应最小限度的影响奶牛采食行为，并能精确实时监测奶牛个体采食量的发生情况。利用基于射频识别（RFID）的奶牛身份识别系统将个体奶牛进行区分，利用C#,eM⁃beddedVisualC++4.0语言设计出具有采食量测定、数据分析等功能的奶牛采食量测定仪。

射频识别（RFID）是提供将唯一标识和相关信息结合到个体物件的一种方法，并使物件能携带信息进行流动。本研究中的奶牛个体识别主要利用RFID技术实现，RFID以无线电通信技术和大规模集成电路为核心，利用射频信号及其空间耦合、传输特性，驱动电子标签电路发射其存储的唯一编号，具有识别过程非接触、识别速度快、准确率高等诸多优点[4]。

2 奶牛个体采食量测定仪设计

2.1 奶牛个体采食量测定仪组成

测定仪的结构示意如图1所示，该系统主要由奶牛身份识别系统、无线称重系统、无线数传模块和奶牛采食量测定中心4部分组成。

图1 奶牛采食量测定仪结构示意

以Win 7为操作系统的嵌入式系统作为奶牛采食量测定中心；奶牛身份识别系统采用RFID射频识别技术；无线称重系统将奶牛采食量数据通过无线数传模块传入奶牛采食量测定中心，可实现当前采食量、当天进食量以及当天进食次数的测定，并可对个体及群体数据进行统计。

2.2 RFID的组成

RFID是一种自动化识别技术，能够用来为一个物件或物体提供电子身份。典型的RFID系统如图2所示：由电子标签（Tag）、阅读器（Reader）、天线（An⁃tenna）和主机组成[5]。

针对奶牛饲喂工作过程和奶牛采食习惯，系统采用符合动物标识的ISO11785标准低频（134.2 kHz）近耦合无源无线射频识别方案[6]。基于RFID的奶牛个体识别系统主要由耳标式电子标签和阅读器两部分组成。电子标签由耦合元件及芯片组成，具有唯一的电子编码标识目标对象，奶牛以耳标的形式佩戴；阅读器发射射频信号，同电子标签进行近距离通信，分析标签反馈的相关信息，达到识别的目的或交换数据[7]，阅读器安装在饲喂槽边缘。当奶牛个体有采食要求并接近饲喂料槽时，电子标签被阅读器识别，其电子编码被饲喂装置中的微处理器经ZigBee网络发送到中央处理计算机并与数据库中奶牛登记的信息进行对比，从而识别出当前奶牛个体的信息。奶牛个体识别系统如图3所示。

图2 典型RFID系统

图3 奶牛个体识别系统框架

2.3 无线称重系统结构与功能

传统检测系统中压力传感器工作在检测现场，检测显示器则放置在控制台（室）。传感器一般通过RS-232或RS-485串口与检测显示器进行数据传输。在测定奶牛个体采食量的过程中，数据采集装置采用无线方式,具有能够最大限度的降低对奶牛采食行为的影响，克服了奶牛场粪便污水污染、鼠虫啃咬等对电缆造成损坏的缺点；且在牛场布局调整方面无需改变布线结构。

奶牛个体采食量无线称重系统如图4所示：由数据采集终端、无线数传模块、称重显示器、打印机等模块组成。该部分设计是在采食槽底部安装称重传感器（压力传感器），当奶牛到达料槽上方，奶牛耳朵上的电子标签被阅读器识别时标志该奶牛采食开始，压力传感器开始称重计数；当奶牛采食完成离开后，标志此次采食结束，压力传感器称重计数，两次称重之差就是此次奶牛个体采食量的数据，并将此次采食量数据经ZigBee无线网络传送到中央控制计算机。

图4 奶牛个体采食量无线称重系统结构示意

本系统的组成与功能如下：

①数据采集终端：数据采集终端由称重传感器、信号放大与偏置电路、A/D转换电路、微控制器等组成。它将压力信号转换成模拟电信号，经放大和A/D转换得到数字化采用值[8]，然后把采样值数字滤波后通过RS-232传输给无线数传模块。

②无线数传模块：无线数传模块由无线收发芯片和微控制器组成。它完成数据采集终端与称重显示器之间的无线数据传输[9]。

③称重显示器：它将数据采集终端无线传输过来的A/D采样值经处理后作为动态称重信息显示到液晶显示屏上，并通过串口发送到上位PC机[10]。主要显示信息有奶牛ID、采食时间、采食重量。

2.4 无线数传模块

射频通信方式主要有蓝牙（bluetooth）技术、HomeRF、IEE802.11标准、ZigBee技术等，由于奶牛佩戴的监测设备要求满足基本数据传输性能外还要能在外界长时间进行数据采集且较少更换，这就必须要采用耗能低且价格低廉的无线传输技术，ZigBee无疑是最好的选择，这也是本研究选择ZigBee技术进行组网定位的重要原因[11]。其中蓝牙、IEE802.11以及HomeRF存在通信成本较高，系统采用ZigBee技术进行无线数据通信[10]。ZigBee适用于近距离、小数据、低成本、易于安装的场合，主要起到为发送端和接收端建立物理链路的作用。

3 系统软件设计

3.1 饲料秤智能监控系统

利用C#,eMbeddedVisualC++4.0语言设计出具有采食量测定、数据分析等功能的奶牛个体采食量系统软件，接受并显示数据采食终端测定的数据，在设计奶牛采食量测定仪时，需要存储和处理大量的数据以获得奶牛的采食信息，根据实际情况，我们采用了SOL Server CE 6.0数据库，奶牛采食量系统软件内主要有以下几部分属性构成：

3.1.1 最新COW ID编号：可以显示该奶牛佩戴耳号的信息。

3.1.2 时间属性包括以下3个方面：①进入时间；②当前时间；③已进食时间。

在奶牛进食过程中，进食时间也是十分重要的，根据进食时间可以了解奶牛进食规律并可以了解到采食量和进食时间的关系，为管理者提供相应的饲喂奶牛的方案。

3.1.3 食量属性分为以下3个方面：①当前进食量；②当天进食量；③当天进食次数。

食量属性部分为该软件的核心部分，通过饲喂前后无线称重系统测定饲料量的变化可以算出奶牛个体采食量。饲料进入料槽时，通过压力传感器测定的数据传入电脑，随着奶牛开始进食饲料，可以在此属性查看奶牛的当前进食量。当天进食量可以测出每头奶牛在当天的采食总量，奶牛每进入采食量装置，阅读器就会识别奶牛所佩戴的耳号，当奶牛进食完成离开采食装置时，为一次进食完成。

3.2 进食量数据统计系统

3.2.1 个体统计

在个体统计中，管理员只需要输入待查询奶牛的ID，系统便会自动调出奶牛采食量的所有信息，在界面的下方可以选择单日查询和跨日查询，方便管理者对奶牛采食量的不同需求，并且查询形式可以以3种形式显示，分别是数据表格、连续折线、分段直方图。

3.2.2 群体统计

在界面下方点击查询奶牛采食量单日或者跨日查询，系统会调出奶牛采食量在1 d或一段时间内的数据，方便管理和分析。

4 系统功能分析

4.1 奶牛个体射频识别性能测试

个体识别是进行奶牛个体采食量测定的第一步，只有准确快速的识别出奶牛个体，才能对奶牛个体的采食量进行精确的称重记录，奶牛个体识别系统采用了RFID识别技术，通过射频读写器读取佩戴在奶牛耳部的电子标签来识别出奶牛个体。分析相关的国际标准和国家标准，系统采用工作频率132.4 kHz、数据传输为全双工的电子标签和阅读器组成RFID系统[12]。

4.2 无线称重性能测试

对于称重系统来说，能够精确的称重是其最重要的功能，本测定仪在设计时采用24位A/D转换芯片CS5532，该芯片具有动态范围宽、功耗低、抗干扰能力强等特点，并且能够将输入的模拟电压最大精度地转换成数字量。经测试发现其转换后的采样有效值可达16位，有效的提高系统的采样精度；系统在无线数据通信方式上选用全球统一、低功耗、低数据速率、低成本近距离基于ZigBee技术的无线网络通信方式，有助于设备的推广和生产成本的降低。

5 试验

奶牛采食量测定仪安装调试完成后，首先在室内进行射频识别正确率的试验，随机选取10个射频识别卡，每个识别卡检测100次。然后选取3头健康处于干奶期的荷斯坦奶牛，体重600 kg左右，舍饲，每天饲喂两次（07：00和18：00），自由饮水,添加饲料量为所需采食量的1.5倍，连续饲喂15 d，饲喂前后分别用台秤称量饲料，比较两者之间的相对误差。表1为A、B、C 3头奶牛在15 d内的采食量测定值，图5为奶牛采食量相对误差随着奶牛不同的变化情况。从图5可以看出，其相对误差均在5%以内。系统射频识别正确率为100%，能够很好的满足测定奶牛采食量的要求，同时具有奶牛饲喂采食量数据查询和打印功能。

表1 3头奶牛15 d内的采食量测定(kg)

图5 采食量误差变化情况

6 讨论与结论

到目前为止，奶牛个体采食量测定仪的研究还是新生事物，对测定仪的研究还处于起步阶段，要想研制出功能更强、检测精度更高、系统更加稳定、功耗更低的检测仪，还需要解决以下问题：

①精度问题：精度是本检测系统最重要的部分，是本检测系统研制的关键部分。要设计研制出精度更高的检测系统，要注意以下两点：第一，传感器的选择。选择体积越小、检测灵敏度越高、容易安装的传感器对本检测系统精度的提高具有很大的帮助；第二，传感器的安装。由于传感器要检测奶牛耳部适当位置，因此如何安装传感器，才能够使其稳定工作是提高精度一个重要措施，也是将来本研究的一个重要问题。

②采食量测定仪的能耗问题：由于测定仪是220 V电压供电，这就造成在大牛场使用拖拽电源线不便，因此为了测定仪的通用性和将来更好的推广，设计低功耗的测定仪系统以及用容量更大的、体积较小的电池是本研究的重要内容。

奶牛个体采食量测定仪作为一种新型的测定工具，运行在内嵌式操作系统之上，具有能耗低、功能强、易开发等特点，通过它可以实现奶牛个体采食量的测定功能，为牧场管理者提供快捷、准确的奶牛个体采食量数据，采食量测定仪的射频识别正确率为100%，采食量误差小于5%,能够满足测定奶牛个体采食量的要求。