■吳洪宇 王曉帆 張永根

(東北農(nóng)業(yè)大學動物科學學院，黑龍江哈爾濱150030)

奶牛的采食量是指單位時間內(nèi)奶牛實際采食飼草（料）的數(shù)量，是影響奶牛身體發(fā)育以及牛奶產(chǎn)量的主要因素之一，采食量是反芻動物健康和生產(chǎn)所需的營養(yǎng)物質(zhì)的量化基礎，為調(diào)整奶牛所需能量和其他營養(yǎng)物質(zhì)提供主要依據(jù)[1]。但采食量的計量是畜牧生產(chǎn)中采用人工方法難以解決的問題[2]，所以準確計算出奶牛的采食量對于奶牛養(yǎng)殖和生產(chǎn)具有重要意義。目前對于奶牛采食量的測定方法大多數(shù)是基于奶牛群體測定，對于奶牛個體采食量的測定達不到理想的測定效果[3]，因此，對奶牛個體采食量測定儀進行研究設計顯得十分重要。

本文設計了針對奶牛個體采食量測定的儀器，并驗證了其測定的準確性。系統(tǒng)大致可以分為個體識別、無線稱重、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析幾部分。采用計算機控制，并通過ZigBee網(wǎng)絡進行無線數(shù)據(jù)通信。解決了測定奶牛個體采食量中奶牛個體精確識別、無線稱重和信息無線傳輸?shù)葐栴}，實現(xiàn)奶牛個體采食量的準確測定。

1 奶牛個體采食量測定儀簡介

根據(jù)奶牛采食習慣，結(jié)合人機工程學原理設計奶牛個體采食量測定儀。探索一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的奶牛采食量無線稱重測定儀，該測定儀應最小限度的影響奶牛采食行為，并能精確實時監(jiān)測奶牛個體采食量的發(fā)生情況。利用基于射頻識別（RFID）的奶牛身份識別系統(tǒng)將個體奶牛進行區(qū)分，利用C#,eM?beddedVisualC++4.0語言設計出具有采食量測定、數(shù)據(jù)分析等功能的奶牛采食量測定儀。

射頻識別（RFID）是提供將唯一標識和相關信息結(jié)合到個體物件的一種方法，并使物件能攜帶信息進行流動。本研究中的奶牛個體識別主要利用RFID技術實現(xiàn)，RFID以無線電通信技術和大規(guī)模集成電路為核心，利用射頻信號及其空間耦合、傳輸特性，驅(qū)動電子標簽電路發(fā)射其存儲的唯一編號，具有識別過程非接觸、識別速度快、準確率高等諸多優(yōu)點[4]。

2 奶牛個體采食量測定儀設計

2.1 奶牛個體采食量測定儀組成

測定儀的結(jié)構示意如圖1所示，該系統(tǒng)主要由奶牛身份識別系統(tǒng)、無線稱重系統(tǒng)、無線數(shù)傳模塊和奶牛采食量測定中心4部分組成。

圖1 奶牛采食量測定儀結(jié)構示意

以Win 7為操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)作為奶牛采食量測定中心；奶牛身份識別系統(tǒng)采用RFID射頻識別技術；無線稱重系統(tǒng)將奶牛采食量數(shù)據(jù)通過無線數(shù)傳模塊傳入奶牛采食量測定中心，可實現(xiàn)當前采食量、當天進食量以及當天進食次數(shù)的測定，并可對個體及群體數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。

2.2 RFID的組成

RFID是一種自動化識別技術，能夠用來為一個物件或物體提供電子身份。典型的RFID系統(tǒng)如圖2所示：由電子標簽（Tag）、閱讀器（Reader）、天線（An?tenna）和主機組成[5]。

針對奶牛飼喂工作過程和奶牛采食習慣，系統(tǒng)采用符合動物標識的ISO11785標準低頻（134.2 kHz）近耦合無源無線射頻識別方案[6]?；赗FID的奶牛個體識別系統(tǒng)主要由耳標式電子標簽和閱讀器兩部分組成。電子標簽由耦合元件及芯片組成，具有唯一的電子編碼標識目標對象，奶牛以耳標的形式佩戴；閱讀器發(fā)射射頻信號，同電子標簽進行近距離通信，分析標簽反饋的相關信息，達到識別的目的或交換數(shù)據(jù)[7]，閱讀器安裝在飼喂槽邊緣。當奶牛個體有采食要求并接近飼喂料槽時，電子標簽被閱讀器識別，其電子編碼被飼喂裝置中的微處理器經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送到中央處理計算機并與數(shù)據(jù)庫中奶牛登記的信息進行對比，從而識別出當前奶牛個體的信息。奶牛個體識別系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 典型RFID系統(tǒng)

圖3 奶牛個體識別系統(tǒng)框架

2.3 無線稱重系統(tǒng)結(jié)構與功能

傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)中壓力傳感器工作在檢測現(xiàn)場，檢測顯示器則放置在控制臺（室）。傳感器一般通過RS-232或RS-485串口與檢測顯示器進行數(shù)據(jù)傳輸。在測定奶牛個體采食量的過程中，數(shù)據(jù)采集裝置采用無線方式,具有能夠最大限度的降低對奶牛采食行為的影響，克服了奶牛場糞便污水污染、鼠蟲啃咬等對電纜造成損壞的缺點；且在牛場布局調(diào)整方面無需改變布線結(jié)構。

奶牛個體采食量無線稱重系統(tǒng)如圖4所示：由數(shù)據(jù)采集終端、無線數(shù)傳模塊、稱重顯示器、打印機等模塊組成。該部分設計是在采食槽底部安裝稱重傳感器（壓力傳感器），當奶牛到達料槽上方，奶牛耳朵上的電子標簽被閱讀器識別時標志該奶牛采食開始，壓力傳感器開始稱重計數(shù)；當奶牛采食完成離開后，標志此次采食結(jié)束，壓力傳感器稱重計數(shù)，兩次稱重之差就是此次奶牛個體采食量的數(shù)據(jù)，并將此次采食量數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡傳送到中央控制計算機。

圖4 奶牛個體采食量無線稱重系統(tǒng)結(jié)構示意

本系統(tǒng)的組成與功能如下：

①數(shù)據(jù)采集終端：數(shù)據(jù)采集終端由稱重傳感器、信號放大與偏置電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、微控制器等組成。它將壓力信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號，經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字化采用值[8]，然后把采樣值數(shù)字濾波后通過RS-232傳輸給無線數(shù)傳模塊。

②無線數(shù)傳模塊：無線數(shù)傳模塊由無線收發(fā)芯片和微控制器組成。它完成數(shù)據(jù)采集終端與稱重顯示器之間的無線數(shù)據(jù)傳輸[9]。

③稱重顯示器：它將數(shù)據(jù)采集終端無線傳輸過來的A/D采樣值經(jīng)處理后作為動態(tài)稱重信息顯示到液晶顯示屏上，并通過串口發(fā)送到上位PC機[10]。主要顯示信息有奶牛ID、采食時間、采食重量。

2.4 無線數(shù)傳模塊

射頻通信方式主要有藍牙（bluetooth）技術、HomeRF、IEE802.11標準、ZigBee技術等，由于奶牛佩戴的監(jiān)測設備要求滿足基本數(shù)據(jù)傳輸性能外還要能在外界長時間進行數(shù)據(jù)采集且較少更換，這就必須要采用耗能低且價格低廉的無線傳輸技術，ZigBee無疑是最好的選擇，這也是本研究選擇ZigBee技術進行組網(wǎng)定位的重要原因[11]。其中藍牙、IEE802.11以及HomeRF存在通信成本較高，系統(tǒng)采用ZigBee技術進行無線數(shù)據(jù)通信[10]。ZigBee適用于近距離、小數(shù)據(jù)、低成本、易于安裝的場合，主要起到為發(fā)送端和接收端建立物理鏈路的作用。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 飼料秤智能監(jiān)控系統(tǒng)

利用C#,eMbeddedVisualC++4.0語言設計出具有采食量測定、數(shù)據(jù)分析等功能的奶牛個體采食量系統(tǒng)軟件，接受并顯示數(shù)據(jù)采食終端測定的數(shù)據(jù)，在設計奶牛采食量測定儀時，需要存儲和處理大量的數(shù)據(jù)以獲得奶牛的采食信息，根據(jù)實際情況，我們采用了SOL Server CE 6.0數(shù)據(jù)庫，奶牛采食量系統(tǒng)軟件內(nèi)主要有以下幾部分屬性構成：

3.1.1 最新COW ID編號：可以顯示該奶牛佩戴耳號的信息。

3.1.2 時間屬性包括以下3個方面：①進入時間；②當前時間；③已進食時間。

在奶牛進食過程中，進食時間也是十分重要的，根據(jù)進食時間可以了解奶牛進食規(guī)律并可以了解到采食量和進食時間的關系，為管理者提供相應的飼喂奶牛的方案。

3.1.3 食量屬性分為以下3個方面：①當前進食量；②當天進食量；③當天進食次數(shù)。

食量屬性部分為該軟件的核心部分，通過飼喂前后無線稱重系統(tǒng)測定飼料量的變化可以算出奶牛個體采食量。飼料進入料槽時，通過壓力傳感器測定的數(shù)據(jù)傳入電腦，隨著奶牛開始進食飼料，可以在此屬性查看奶牛的當前進食量。當天進食量可以測出每頭奶牛在當天的采食總量，奶牛每進入采食量裝置，閱讀器就會識別奶牛所佩戴的耳號，當奶牛進食完成離開采食裝置時，為一次進食完成。

3.2 進食量數(shù)據(jù)統(tǒng)計系統(tǒng)

3.2.1 個體統(tǒng)計

在個體統(tǒng)計中，管理員只需要輸入待查詢奶牛的ID，系統(tǒng)便會自動調(diào)出奶牛采食量的所有信息，在界面的下方可以選擇單日查詢和跨日查詢，方便管理者對奶牛采食量的不同需求，并且查詢形式可以以3種形式顯示，分別是數(shù)據(jù)表格、連續(xù)折線、分段直方圖。

3.2.2 群體統(tǒng)計

在界面下方點擊查詢奶牛采食量單日或者跨日查詢，系統(tǒng)會調(diào)出奶牛采食量在1 d或一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)，方便管理和分析。

4 系統(tǒng)功能分析

4.1 奶牛個體射頻識別性能測試

個體識別是進行奶牛個體采食量測定的第一步，只有準確快速的識別出奶牛個體，才能對奶牛個體的采食量進行精確的稱重記錄，奶牛個體識別系統(tǒng)采用了RFID識別技術，通過射頻讀寫器讀取佩戴在奶牛耳部的電子標簽來識別出奶牛個體。分析相關的國際標準和國家標準，系統(tǒng)采用工作頻率132.4 kHz、數(shù)據(jù)傳輸為全雙工的電子標簽和閱讀器組成RFID系統(tǒng)[12]。

4.2 無線稱重性能測試

對于稱重系統(tǒng)來說，能夠精確的稱重是其最重要的功能，本測定儀在設計時采用24位A/D轉(zhuǎn)換芯片CS5532，該芯片具有動態(tài)范圍寬、功耗低、抗干擾能力強等特點，并且能夠?qū)⑤斎氲哪M電壓最大精度地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)換后的采樣有效值可達16位，有效的提高系統(tǒng)的采樣精度；系統(tǒng)在無線數(shù)據(jù)通信方式上選用全球統(tǒng)一、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本近距離基于ZigBee技術的無線網(wǎng)絡通信方式，有助于設備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。

5 試驗

奶牛采食量測定儀安裝調(diào)試完成后，首先在室內(nèi)進行射頻識別正確率的試驗，隨機選取10個射頻識別卡，每個識別卡檢測100次。然后選取3頭健康處于干奶期的荷斯坦奶牛，體重600 kg左右，舍飼，每天飼喂兩次（07：00和18：00），自由飲水,添加飼料量為所需采食量的1.5倍，連續(xù)飼喂15 d，飼喂前后分別用臺秤稱量飼料，比較兩者之間的相對誤差。表1為A、B、C 3頭奶牛在15 d內(nèi)的采食量測定值，圖5為奶牛采食量相對誤差隨著奶牛不同的變化情況。從圖5可以看出，其相對誤差均在5%以內(nèi)。系統(tǒng)射頻識別正確率為100%，能夠很好的滿足測定奶牛采食量的要求，同時具有奶牛飼喂采食量數(shù)據(jù)查詢和打印功能。

表1 3頭奶牛15 d內(nèi)的采食量測定(kg)

圖5 采食量誤差變化情況

6 討論與結(jié)論

到目前為止，奶牛個體采食量測定儀的研究還是新生事物，對測定儀的研究還處于起步階段，要想研制出功能更強、檢測精度更高、系統(tǒng)更加穩(wěn)定、功耗更低的檢測儀，還需要解決以下問題：

①精度問題：精度是本檢測系統(tǒng)最重要的部分，是本檢測系統(tǒng)研制的關鍵部分。要設計研制出精度更高的檢測系統(tǒng)，要注意以下兩點：第一，傳感器的選擇。選擇體積越小、檢測靈敏度越高、容易安裝的傳感器對本檢測系統(tǒng)精度的提高具有很大的幫助；第二，傳感器的安裝。由于傳感器要檢測奶牛耳部適當位置，因此如何安裝傳感器，才能夠使其穩(wěn)定工作是提高精度一個重要措施，也是將來本研究的一個重要問題。

②采食量測定儀的能耗問題：由于測定儀是220 V電壓供電，這就造成在大牛場使用拖拽電源線不便，因此為了測定儀的通用性和將來更好的推廣，設計低功耗的測定儀系統(tǒng)以及用容量更大的、體積較小的電池是本研究的重要內(nèi)容。

奶牛個體采食量測定儀作為一種新型的測定工具，運行在內(nèi)嵌式操作系統(tǒng)之上，具有能耗低、功能強、易開發(fā)等特點，通過它可以實現(xiàn)奶牛個體采食量的測定功能，為牧場管理者提供快捷、準確的奶牛個體采食量數(shù)據(jù)，采食量測定儀的射頻識別正確率為100%，采食量誤差小于5%,能夠滿足測定奶牛個體采食量的要求。