奶牛多精料动态补饲装置的设计

2015-01-18王冉冉周艳菊田富洋刘莫尘李法德

饲料工业 2015年1期

■王冉冉周艳菊田富洋王震刘莫尘李法德

（1.山东农业大学机械与电子工程学院，山东泰安，271018；2.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东泰安，271018）

随着奶业的发展，中国的奶牛养殖模式，由散养模式逐渐转变为规模化养殖，奶牛养殖小区正在逐步成为一种规模饲养奶牛的主要模式，为缩小我国奶牛单产与世界平均水平的差距，提高单头奶牛的产量并保证生产安全的奶产品，提升饲养管理技术水平，推行奶牛饲养生产机械化是中国奶牛业发展的必然趋势。

奶牛作为畜牧养殖的重要草食动物，不同于精料型自由采食的猪和禽类，基本上是个体计量单喂。奶牛日粮中的饲草和其他非精饲料组分（青贮料、根茎类、糟渣类）非常重要，且要求占日粮的一定比例范围。奶牛日粮中的精饲料部分，通常配成精料补充料形式。在每次挤奶同时分别喂给。而在奶牛的机械化饲养管理中，采用的精料饲喂方式通常是直接购买固定配方的精料统一饲喂，不考虑奶牛的个体差异，既造成了精料饲料的浪费，又可能对个别奶牛产生负面影响。因此，设计一款能够根据奶牛个体差异，进行精料动态补饲的装置，不但可以降低饲喂成本，还能够提高奶牛产量。

1 系统结构框图

奶牛多精料动态补饲装置的系统结构框图如图1所示，该系统主要由精料饲喂控制中心、奶牛身份识别系统、精料配料系统、精料称重系统、混合排料系统和门禁装置6部分组成。

图1 系统结构

精料饲喂控制中心采用微芯公司的高可靠性PIC单片机为处理器；奶牛身份识别系统采用长距离无线射频识别技术，配合唯一卡号的EMIC卡，实现奶牛身份的自动识别；利用精料配料系统分别排出四种精料饲料，通过精料称重系统控制配料，将配好的精料送入混合排料系统，自动搅拌混合后，排出到采食槽；门禁装置可以防止奶牛补料的过程中受到干扰，同时也可以防止奶牛重复采食精料。

2 系统硬件设计

2.1 精料饲喂控制中心

精料饲喂控制中心的CPU选用微芯公司PIC16F87x系列的单片机，具有高可靠性的工业级芯片，通过触摸屏实现人机交互，可以通过LCD显示，查询奶牛精料饲喂历史事件，并可以显示当日未能补饲奶牛的牛号，如有需要，可通过触屏控制打印某段事件的奶牛饲喂历史。通过单片机定时器对奶牛饲喂工作进行定时，当日奶牛饲喂历史每12 h存入SD卡后清空内存，也可以通过设置，利用GPRS模块向指定手机发送当日奶牛饲喂记录情况。RS485通讯外接EMID超远距离读卡器，实现对奶牛的身份识别。运算放大器外接称重传感器，实现对精料配料重量的计量。步进电机控制器外接配料系统、排料搅拌系统和门禁系统的步进电机，实现相应功能。整个系统使用5 V供电，由开关电源为系统提供电能。

图2 精料饲喂控制中心结构

2.2 奶牛身份识别系统

奶牛身份识别系统采用北京完美科技的WM-18系列的EMID卡及超远距离读卡器实现，射频卡发射频率为125 kHz，最大读卡距离不低于95 cm，EMID射频卡拥有全球唯一ID，佩戴在奶牛颈部，方便读卡器识别。读卡器通过RS485通讯方式与控制中心连接。

2.3 精料配料系统

配料系统分为两部分，奶牛精料饲喂配方中，蛋白质和能量饲料需求量较大，占精料配方的90%以上，钙、维生素和盐分所占比例相对较小，因此在配料系统中，使用了3个大的料仓，分别存储豆粕、麸皮和玉米，用3个小的料仓存储矿物质、食盐和促奶预混料。

由控制中心控制配料系统的步进电机动作，按照顺序，分别通过螺旋式排料装置，将各种精料依次排放至称重系统，通过控制中心的单片机对称重系统反馈数据的计算和奶牛个体的配方，确定排料是否停止。

2.4 精料称重系统

奶牛精料补饲的范围一般不超过15 kg，称重传感器选用拉压力称重传感器（YDLBS)，称重为20 kg，灵敏度为(2.0±0.05)mV/V，准确度0.03%F·S，根据计算，称量的最大误差为6 g，完全满足奶牛精料称量的需求。

为消除由于精料粘连在称重系统的秤盘上造成的称量不准，该系统采用累加称重方式，先分别对奶牛精料的3个大料仓的排放进行称量，再分别对3个小料仓的排放进行称量。这种称量方式下，称量系统的秤盘上即使遗留了部分精料，由于首先称量玉米精料，也仅对玉米精料造成影响，而玉米精料通常占精料的50%左右，重量可达6 kg，这种影响对奶牛影响可以忽略。剩余5种精料的称量精度就可以得到保证。

2.5 混合排料系统

精料称重系统将所有6种精料称重后，利用螺旋排料系统，将饲料混合并排料至奶牛采食槽，设计螺旋直径80 mm，节距60 mm，长度360 mm。螺旋式的排料系统由于存在输送段，排料速度较慢，在输送过程中可以使精料混合均匀，然后排放至奶牛采食槽。

图3 螺旋排料装置

2.6 门禁装置

研究表明：奶牛在补料的过程中，有42%的奶牛会受到其它奶牛的干扰，其中有63%的奶牛会因受到干扰而导致采食终止。因此，为保证奶牛的正常采食和补饲的针对性，系统专门设计了门禁装置。

门禁装置如图4所示，当射频卡读卡器检测到未采食精料的奶牛，门禁护栏下落，使奶牛前半身可以进入采食槽的采食区域，同时通知控制中心进行配料，奶牛采食完毕后，由红外探测装置检测到奶牛离开采食区域了，通过控制中心控制门禁电机使门禁护栏上升，完成单头奶牛的采食过程。

3 系统软件设计

系统软件使用MPLAB环境，用c语言编程，在正常实现系统功能的前提下，具有软件陷阱、冗余操作和看门狗定时器等软件抗干扰设计。软件的主要流程如图5所示。

图4 门禁装置

图5 主程序流程

当奶牛靠近门禁装置，奶牛识别系统的读卡器根据奶牛佩戴的射频卡卡号读取奶牛个体信息，确定该头奶牛是否需要补饲精料，若需要补饲，则打开门禁，将读卡器断电，并通过控制中心存储的数据库信息，查询奶牛数据，并调用该次补饲的配方，控制精料配料系统进行配料，先对玉米进行排料，称重达到配方标准后，对豆粕进行排料，与玉米精料混合称重，然后是麸皮，最后是3个小料仓的排料和称量。投料结束后，红外检测装置检测奶牛是否吃完离开，奶牛离开后，门禁系统关闭，读卡器重新上电，并将本次饲喂信息存储至SD卡，完成本次饲喂。

若需要更新奶牛数据库中的饲喂配方，只需要将系统中的SD卡在上位机中修改相应数据即可。在补饲间隙还可以通过LCD触摸屏查询一段时间的补饲数据，并通过打印机进行数据打印，还可以通过GPRS将对应数据发送至指定手机。

4 实验结果及分析

系统设计制作完成后，首先在室内对装置的各项参数进行了测试。投料质量用电子天平JA5003A标定，装置的响应和动作时间用秒表进行标定，响应距离用卷尺进行标定。检测结果表明，在干燥条件下，秤盘上遗留饲料较少，投料质量的计量误差在1%以内，门禁装置动作时间从读卡器读取数据到完全打开，需要5.2 s，排料时间15.1 s，读卡器响应距离受门禁装置的影响，由读卡器铭牌的100 cm下降到了55 cm，但是满足响应距离的要求，射频卡读卡器自带防冲突功能，选取10个射频卡，每个射频卡读取20次，识别正确率达到100%。

该装置在山东泰山生力源乳液公司进行了3个月的试运行，根据专家系统对50头奶牛的精料饲喂配方进行了重新计算，与之前的饲喂方法相比，节约饲料成本15%。奶牛在经过1周左右的培训后，能够主动识别补饲装置并自动进行采食，且通过观察发现，奶牛采食后，采食槽内几乎无遗留的精料，SD卡数据保存完整，奶牛的产奶量没有明显变化，各项指标均符合奶牛饲喂要求。