基于物联网的生猪精细饲喂系统设计

2018-05-14刘星桥蔡研

农村经济与科技 2018年8期

关键词：体重

刘星桥蔡研

[摘要]为满足生猪养殖产业智能化发展的要求，设计了一种基于物联网的精细饲喂系统。在系统中引入了无线射频识别技术，提出了在无人值守的情况下，自动识别猪身份并测量其体重值。设计了一种利用PLC控制的自动开关门，确保猪在测量时不受其他猪的影响。针对个体猪在不同生长期对饲料的不同需求，提出了生猪的数字化精细饲喂方式，采用模糊控制技术建立自动饲喂控制器的模型，实现对猪的精细饲喂。通过半年对猪只生长信息实时观察，验证了系统的稳定性，同时还验证了自动称重系统的准确性，其测量误差小于0.1kg，相比于传统的人工喂养方式，本系统通过物联网技术，实现生猪养殖规模化、智能化。

[關键词]RFID；精细饲养；开关门；体重

[中图分类号]S828 [文献标识码]A

中国生猪养殖业近年来发展迅猛，猪肉产量占世界总产量的近一半但很多生猪养殖依靠人工，自动化水平不高，养殖效益低下，已经无法满足当前家猪养殖业的需要。规模化、集约化、智能化的养殖方式已成为现代养猪业的一种趋势。建立基于物联网的家猪自动饲喂平台，实时监控猪的相关信息，进行精细饲喂，是提高家猪养殖现代化的有效措施。国外的一些研究机构已经在养猪场应用了现代化的养猪设备，如德国的 Big Dutchman公司的CALLMATIC2系统，加拿大JYGA公司的格式塔智能化繁殖母猪饲养管理系统。国内对于现代化养猪设备的研发起步较晚，目前国内大多数养殖企业无力购买猪场智能化装备，难以做到对每头猪进行精准饲喂，立足于国内养猪业的生产水平，研制一套可用于现代化养猪业的智能化饲喂设备具有重大意义。本系统通过RFID技术对猪进行标识，利用GPRS远程通信模块实现数据的传输，服务器根据接收到的猪相关信息做出决策，控制下位机进行相应的投喂，实现对猪的精细饲喂。

1 系统的总体方案设计

本系统将射频识别技术与PLC相结合，实现对猪的精细喂养。系统分为传感控制层、网络传输层和应用层。传感应用层包括体重、饲料等传感器和设备控制部分。网络传输层是利用GPRS远程通信模块将采集的传感器数据传送至服务器。应用层则是由本地服务器、中心服务器构成。本地服务器主要负责现场管理，包括对猪的体重信息采集、开关门及投喂机的控制。中心服务器则负责统计分析多台本地计算机的数据，并进行综合管理。系统整体框图如图1所示：

电子地磅、称重料槽、阅读器等采集的传感器信息，经过PLC处理后利用GPRS模块发送至远程服务器，实现体重、采食量、耳标等信息的采集，同时服务器可利用GPRS模块将命令发送至PLC，实现执行机构的运转。

2 开关门设计

为实现猪体重的独立测量，设计了一种自动门。该装置设计为单向，即只能从一端进，另一端出，如图2所示：底座为电子秤，两侧竖立围栏，限制猪的活动，在双侧围栏距离后门30cm处悬挂着阅读器，用于识别猪耳朵上佩戴的电子耳标，识别距离为40cm。猪从秤上走过时，系统可以自动获取猪的耳标信息和体重数据。

自动门工作原理：自动门初始状态为前门开、后门关。当猪站在电子秤上时，阅读器识别到猪的耳标信息，将耳标信息发送至PLC，PLC以此为触发信号控制前门关（防止其他猪进入秤重），后门开，让猪测量完后进入采食区。当猪走下秤时，PLC监控到电子秤中体重值为0kg，控制前门开（让下一头猪进来），后门关。恢复到初始状态。

测量装置采用的是某公司生产电子秤，反应灵敏、读取速度快，经测试可在0.5s内读取猪的稳定的体重值。这种自动开关门设计的优势在于，它集信息采集、身份识别于一体，以耳标信号作为触发控制信号，相对于红外识别猪体，进而控制门的开关，这种方案无疑价格更加低廉，而且能满足实际测量需求。

3 精细饲喂系统设计

3.1 精细饲喂系统的基本组成

本精细饲喂系统根据猪的生长期及体重采食量等信息，实现对猪的精细饲喂。以100头种猪作为研究对象，利用RFID技术进行标识，当猪从自动称重系统中走过时，系统自动获取猪的体重等相关信息，上位机根据接收到耳标序列编号，自动调用数据库中该猪的相关信息，并根据其品种与生长期信息，与规则库中的现有规则进行匹配，进而发出命令给下位机，进行相应的投喂。舍内安装一套自动上料系统并配备多个自动饲喂设备，其工作原理如图3所示。

该饲喂系统由上位机、下位机（PLC）、RFID系统、步进电机、食槽、称重传感器组成。PLC监控到传感器的相关信息后，进行相应的计算并通过GPRS模块发送至上位机，上位机计算出相应的投喂量后发送命令给执行机构进行投喂，当称重传感器测量到投喂量与计算值一致时，上位机发送停止命令，停止投料。由于饲料投放口距离食槽有一定的距离，导致实际投放量与计算值有一定的偏差。为解决落料的滞后误差，避免传统的控制方法的确定模型不能实现精确下料，这里提出利用模糊算法的思想，按照数据库和规则库中的信息进行逻辑推理，实现对猪的精准饲喂。

3.2 模糊控制器的设计

饲喂系统主要是控制投喂量来适应个体猪只的需要，将实时投喂量与预设模糊逻辑推理量进行比较，来获得精确的料量。针对饲料的下落过程中存在滞后这一问题，设计了基于Mamdani型的精细饲喂模糊控制器如图4所示，利用称重传感器获取落料量的静态实时值，通过与系统设定的料量值进行比较，得出实时的误差百分量e和误差变化率ec。在模糊控制算法中，将误差百分量和误差变化率作为模糊控制器的输入，落料时间作为输出量。

为系统实现的方便性，采用三角形隶属度函数分别确定模糊变量e，ec，u的赋值表，将模糊变量尺度归一化，根据知识库建立系统所需的控制规则条件（if…then）形式，然后系统根据模糊规则做出相应的下料量命令，完成猪个体精细饲喂的要求。

4 系统软件设计与实现

4.1 软件系统基本组成

系统软件主要分为猪只管理模块、用户管理模块、数据分析决策模块和系统维护模块四个模块，如图5所示。家猪管理模块主要记录猪的采食记录、进出栏记录等；用户管理模块包括登录、注册、用户权限等相关信息；数据分析决策模块包括采食曲线绘制，体重变化曲线，系统预警、生产性能测定报告；数据维护模块包括系统参数设定、数据备份以及恢复。

本系统软件以Visual Studio 2013 为开发平台，使用C#语言编写。采用多线程技术同时处理体重和耳标数据，利用ADO.NET访问技术将数据存储到SQL Server数据库中。传感器采集的数据通过GPRS模块发送到服务端，利用Socket通信技术实现数据在网络中传输；考虑到数据从硬件层的采集到传输整个过程可能出现错误，在编写上位机的时候，会过滤掉不正常的数据，然后提取正常的数据并进行计算，最终在Winform应用程序中显示，同时存入数据库中。

4.2 控制节点程序设计与实现

使用西门子S7-200PLC对开关门进行控制，在STEP 7-MicroWIN編程环境下以梯形图方法在PC机上编制，经调试编辑后下载至PLC中。程序可实现对开关门进行自动开关，控制流程图如下：

5 实验分析与测试

本系统在江苏省镇江市某试验基地进行了试验，以100头种猪作为研究对象，通过记录其生长情况来评估系统的可靠性。结果显示，系统运行稳定，猪体况得到很大改善，省去了人工饲喂、人工称重等环节，经济效益明显。同时还进行了自动称重系统的测试，测量误差小于0.1kg，称重效率更高。

5.1 精细投喂系统性能测试

经过半年对猪场100头猪只的数据采集、记录分析，本系统相对于传统的限位栏模式，在节省饲料和猪肉品质等方面有明显改善。其中无脂瘦肉率提高2.9%，料肉比提高3%，饲料浪费情况大幅改善，整体生产性能与限位栏模式比较如表1所示。

5.2 自动称重系统性能测试

为验证称重系统的可靠性，选取50头猪进行测试。将这50头猪分别通过人工和自动称重系统进行测量，测得部分数据如下：

表2的数据是2017年4月5日通过自动称重系统测量部分的体重数据，经计算该组50头猪的平均体重为85.92kg，为验证自动称重系统性能，在当日同一时间通过人工测量，强制将猪固定在秤中，以保证测量的准确性，计算后平均体重为85.94kg，误差小于0.1kg。

6 结论

基于物联网的家猪精细饲喂系统设计实验表明，猪生长状况良好，饲料利用率提高了7.92%，自动开关门运行稳定，自动称重系统测量误差小于0.1kg，省去了人工称重手动记录环节，节省了人力成本。相对于传统的人工喂养，本系统可以大大推进家猪养殖发展。

[参考文献]