肉牛自动化无应激动态称重系统的设计与试验

赵慧兵，马 娟，张 杰，李 浩，郭 磊，冯 斌,

(1.新疆农业大学机电工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆农业科学院农业机械化研究所，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】精准饲喂技术是肉牛精细化养殖的关键技术之一。实现精准饲喂技术的核心是实时掌握牛只体重信息的变化情况，定期对肉牛进行称重。根据肉牛体重最佳生长发育曲线制定合理的饲料配方和精确的采食量，以达到最佳育肥效果[1]。目前国内肉牛称重方式大多采用静态称重方式。而对于大型肉牛养殖牧场，牛体型过大以及牛的流动性和随意性，若采取传统静态称重方法，费力、费时[2]。根据牛的生产周期(月龄或日龄)或目测来估算肉牛体重，既不准确又容易遗漏。在误差允许的范围内快速测得肉牛体重尤为重要[3]。【前人研究进展】采用智能控制门的方式，电子称重计算机采集肉牛重量信息和RFID无线射频识别技术读取牛只个体耳标信息。平均称重4头牛/min。智能称重及电子识别数据收集系统采用侧面围栏、前后自动控制门的保定架将牛固定在称重平台上，获取肉牛体重信息。平均每头牛称重时间为18 s左右。SCS系列电子地上衡是专为畜牧业设计的专用电子秤。该公司采用围栏地磅式的称重方式，围栏尺寸较大，可以实现1～5头牛称重。前期对牛称重训练，牛只称重时，电子耳标识别器读取牛只耳标信息，称重控制器记录体重信息；称重控制器测得群体称重数据与牛只耳标信息一起存储到控制器中。缺点是牛只耳标信息不能与牛只个体称重数据一一对应保存；称重成本较大。不管是采用围栏将牛圈在称重平台上还是采用保定架等称重方式，平均每头牛称重时间为15 s左右。若前期没有对肉牛称重训练，都存在称重效率不高并且有肉牛会产生应激反应[4]。【本研究切入点】静态称重不仅消耗大量的劳动力，而且频繁称重会使肉牛产生应激反应。对肉牛称重提高称重效率，避免肉牛在称重过程中产生应激反应。结合肉牛行为特点及生活习性，在肉牛自然行走过程中获取牛只个体称重数据，实现肉牛称重全程无障碍通过并提高称重效率。通过低频RFID识别及定位技术[5]、数字式称重传感器以及智能称重显示仪表等设备为基础实施监测肉牛体重数据。需研发一种能够快速、准确自动监测肉牛体重的动态称重系统用以配合肉牛智能精细化养殖，对于提高我国肉牛养殖现代化水平尤为重要[3]。【拟解决的关键问题】研究一种以数据为核心、设备为基础、人工辅助决策的自动化肉牛动态称重系统。安装在肉牛必经道上，改善肉牛称重管理数据人工录入工作量大、误差大以及肉牛刺激大等诸多弊端，提高称重效率，加快肉牛养殖现代化进程[6]。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 称重设备

牛只动态称重设备一套。在牛只自然行走过称重平台过程中获取肉牛体重信息。以已知质量的砝码对称重设备进行静态称重校订；以肉牛为称重对象进行动态称重测试。试验测试100头牛，其中对具有代表性的18头牛分析试验结果。

1.1.2 称重平台

称重平台机械结构设计采用称重台面长度可调节方式。称重台面由一组两长度不等的台面镶嵌配合工作，长度可以通过称重台面下安装的导轨调节。移动台面与辅助斜面采用死连接。在称重台面的前后端设有辅助肉牛上下称重平台的斜面。当1头牛的4蹄完全处于称重台面上时，其他肉牛身体的任何部位都不在称台上。在此刻第三组耳标读卡板采集肉牛电子耳标信息，采用高精度数字式称重传感器和动态称重控制器采集肉牛体重数据[7]。肉牛自动化动态称重系统主要参数总体尺寸(mm×mm×mm)：(1 500～2 250)×750×1 400，称体材料：结构件：热镀锌铁管，壁厚2.5 mm 控制柜：304不锈钢，总体质量：650 kg，称重量程：0～1 500 kg，称重效率：6～10(头/min)，动态称重误差：0.5%，电子耳标读卡率：100%，称重台面长度调节范围：1 500～2 250 mm。图1

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

牛只称重排队通道一端连接牛圈，另一端连接牛只称重设备。根据牛圈养殖场地的结构，该称重设备安装在牛圈两栏之间，采用换栏称重方式。牛只排队依次进入通道，经过称重平台再进入对面的肉牛养殖栏中。

1.2.2 称重系统

打开前后挡门，对牛只进行静态称重，等牛只完全在称重平台上时，关闭前后挡门，获取牛只静态称重数据；再对牛只进行动态称重，根据肉牛的体长调节称重台面的长度，牛只进入通道依次排队通过称重平台，第一组耳标读卡板天线监测到肉牛的进入，第三组耳标读卡板天线监测到肉牛处于称重平台最佳位置。信号发送至称重控制器并采集肉牛体重信息；上位机程序采集到的牛只动态称重数据进行处理[19-20]。并且结合电子耳标读卡板采集肉牛耳标信息。最后将牛只称重信息和耳标信息一一对应保存到称重显示仪表。依次称重获取一个圈的肉牛牛只体重信息。

包括数字式称重传感器、智能动态称重仪表、通讯模块。智能动态称重仪表与RFID耳标读卡板主机连接配合工作；智能动态称重仪表上有电源模块、时钟模块、存储模块、数据处理模块、信号转化模块和数据传输模块[8]。3组RFID耳标读卡板天线采集肉牛耳标信息，并且定位肉牛在称重平台上的具体位置；通讯模块与RFID读卡器主机及PC上位机连接，供电装置用于为称重传感器、动态称重仪表、通讯模块和RFID耳标读卡板主机供电；控制器通过无线通信模块与后台服务器和移动终端连接。RFID读卡器与佩带于肉牛身上的RFID电子耳标配合使用。称重传感器安装于称重台面的4个角。动态称重仪表、通讯模块安装于称台的侧面；3组RFID耳标读卡板天线安装于称重平台的前端、中间和后端； RFID读卡板天线放置位置可以根据牛只月龄体长体尺特征调节；通过称重传感器与RFID耳标读卡板主机结合，信号发送至智能动态称重仪表，经过数据处理，将数据发送至称重显示仪表[9]。实现肉牛在自然行走状态下体重的监测称量。将称重平台安装在牛必经的道路上，测得牛的体重信息。

当牛进入称重平台，第一组RFID耳标读卡板天线感应到牛的进入。肉牛继续向前行走，直到第三组RFID耳标读卡板天线采集到肉牛耳标信息时，即牛的4只蹄全部进入称台上。称重控制器接收信号并开始采集肉牛体重数据。控制器将牛的重量和编号进行关联存储至存储器中；则第一头牛称重结束。称重显示仪表通过无线通信模块将数据远程传输至后台服务器或移动终端，通过这些数据可以及时掌握牛体的生长及健康状况。图2

图2 肉牛自动化动态称重系统

1.2.3 软件和动态称重算法设计

1.2.3.1 下位机软件

下位机软件的编写采用Keil C51软件和串口助手。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列系列兼容单片机C语言软件开发系统。Keil提供了C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些分组合在一起[14]。下位机程序主要使用2个定时和2个串口及22个I/O接口。

1.2.3.2 动态称重算法选择

该系统的设计目标是保证在肉牛自然行走的过程中监测肉牛耳标信息和重量信息。由于全程肉牛无障碍通过称重平台，肉牛的行走特点根据速度的不同可以分为3种情况：第一，平稳行走状态；第二，行走-停顿状态；第三，速度较快通过称重平台。常用的动态称重方法有：ADV法、DV法、搜索法、位移积分法、动态补偿、建模和参数估计[15]、神经网络、加速度传感器与称重台配合法[16]、EMD经验模态分解法等。通过对比分析研究得出，EMD算法更适合肉牛动态称重。EMD算法作用是将弱信号分解为一组强的IMF信号。分解过程为：第一，寻找出原始数据Xt的极大值点和极小值点，使用3次样条函数分别拟合为原序列的上下包络线。最终得到第一个本征模函数分量C1，表示信号数据列中最高频率的成分；第二，用Xt-C1，得到一个去掉高频新数据系列R1，对R1再进行数据分解，得到第二个本征模分量C2；重复直到数据系列不可再分解。最后Rn数据序列代表Xt的趋势[17]。

1.2.3.3 上位机软件

该系统主要使用软件的串口接收、数据保存和数据显示功能。显示界面主要有牛只编号、月龄、体重、称重时间；操作功能包括清零、保存、设置、查询、注销等[18]。图3

图3 系统软件显示操作界面

2 结果与分析

2.1 称重装置机械结构设计

研究表明，肉牛的4只蹄完全在称重平台上时第三组RFID耳标读卡板天线采集到肉牛耳标信息，信息发送至称重控制器采集肉牛体重信息。称重台面有效称重长度调节范围是1 500～2 250 mm，满足新疆各地区肉牛称重要求。称重台面长度的调节方式设置有手动和自动调节2种方式。根据肉牛体长特点，自动模式下系统把加长台面的长度分为6等分，每等分的调节长度设置为100 mm。单片机控制器发送信息驱动电机运作，电机驱动皮带运转实现称重台面的加长。

2.2 牛只识别定位监测称重技术

研究表明，采用屏蔽纸或其他屏蔽装置将扇形磁场分布改变为矩形磁场分布，其3组磁场分布高均为1 400 mm,宽为100 mm的窄条矩形形状。磁场分布的强度和长度可以根据读卡板主机能量按钮进行调节。肉牛进入称重平台时头部不管处于低头、平头还是昂起状态，耳标读卡板天线都能采集到肉牛耳标信息。第一组耳标读卡板放置称重平台前端位置，第二组耳标读卡板放置称重平台中间位置，第三组耳标读卡板放置称重平台末端位置。第二组和第三组耳标读卡板安装位置可以根据肉牛的体长进行调节，第一组和第三组读卡板之间的距离D3小于肉牛的体全长并且大于除头颈部外体长的距离。图4

图4 牛只识别定位监测示意

在称重平台前段设置单行通道，肉牛有序排队。当第一头肉牛的头部经过称重平台前端时，第一组读卡板天线采集到肉牛耳标信息，表示有肉牛进入称重平台。同时信息反馈给称重控制器。重量呈上升趋势；肉牛继续行走，第二组耳标读卡板天线识别到肉牛耳标信息，表示肉牛处于称重平台中间位置。当肉牛行走到称重平台末端时，第三组耳标读卡板天线识别到肉牛耳标信息，表示肉牛4蹄完全处于称重平台上面。第一头牛称重结束。

当第二头肉牛开始进入称重平台，状态分为3种情况。第二头肉牛头部与第一头肉牛尾部有一段距离，则称重数据不会产生干扰情况；第二头肉牛的头部紧挨着第一头肉牛的尾部。此时由于第一三组读卡板天线之间的距离小于肉牛体全长，第一头牛的称重数据已经被获取到，不影响称重数据的干扰；第二头肉牛的头部处于第一头肉牛尾部的上面，出现交错现象。若第一头肉牛的头部还没到达第三组耳标读卡板的位置，此时第一组耳标读卡板处于不工作状态(失效状态)，直到第三组耳标读卡板识别到肉牛体重信息时，称重数据获取之后，第一组耳标读卡板才能正常工作。此时第二头肉牛头部已经过了第一组耳标读卡板的识别位置，随着第一头肉牛的离开，第二头肉牛头部到达第二组耳标读卡板位置，表示第二头肉牛已经到达称重平台中间位置。第二头肉牛继续向前行走，第三组耳标读卡板识别到肉牛耳标信息，采集肉牛体重数据。依次称重。

2.3 以不同月龄的肉牛进行动态称重试验并计算动态称重系统误差

研究表明，其月龄包括6个月、8个月、10个月、12个月、16个月、20个月。称重研究发现，表2数据汇总后，前6头牛为平稳行走通过称重平台；中间6头牛为行走—停顿的方式通过称重平台；后6头牛为较快速的通过称重平台。系统输出动态称重数据。

肉牛动态称重误差在0.5%以下，可以达到实用要求。具有代表性的18头肉牛进行计算系统称重误差。称重误差从大到小依次排序为：速度较快运动状态≥行走—停顿运动状态≥平稳行走运动状态≥静态称重状态。但是通过系统程序对动态称重的补偿之后，其误差相差降低，数据应用可行性强。表1

表1 肉牛称重变化Table 1 Weighting data

3 讨 论

3.1由于肉牛养殖地域差异、环境设施差异、肉牛品种及肉牛习性的差异都会导致同一月龄肉牛的体重和体长存在差异。肉牛西门塔尔牛20月龄的肉牛体斜长是1 600 mm左右[10]；新疆褐牛20月龄的体长是1 550 mm左右；新疆天山某安格斯牛50月龄体长是1 650 mm左右[11-12]。本系统称重台面采用长度可调节方式与静态称重相比较，导致称重精度降低，后期对肉牛自动化无应激动态称重系统的称重精度需要进一步研究。

3.2系统采用电子耳标读卡板天线识别肉牛耳标信息，判断肉牛处于称重平台的位置，若信息延时反馈，对位置的判断存在一定的误差性，后期需进一步改进。

3.3数据处理以MS为单位采集50个数据，对50个数据进行数据处理分析。得到接近肉牛体重的真实值[13]。若数据量再增大，则数据处理结果会更加可靠。

4 结 论

4.1研发出了一种适合肉牛生活习性和行走特征的自动化动态称重系统。该称重设备采用防抖动模式，称重过程完全自动化，有效数据实时上传后台服务设备。在肉牛自然行走的过程中较准确监测出肉牛体重信息，肉牛称重过程中全程无障碍通过，避免肉牛称重时产生应激反应，提高肉牛养殖场养殖生产效益。

4.2肉牛在行走—停顿运动状态和平稳运动状态通过称重平台时，误差在0.2%以下；肉牛速度较快通过称重平台时，误差在0.5%以下。平均每头牛称重时间为7.33 s，平均每小时称重480头牛左右。在相同称重条件下，称重效率提高了40%。由于牛经过称重平台时有冲击作用，误差均为正。在称重过程中，肉牛没有产生应激反应，提高了称重效率。