劉星橋 蔡研

[摘 要]為滿(mǎn)足生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展的要求，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的精細(xì)飼喂系統(tǒng)。在系統(tǒng)中引入了無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)，提出了在無(wú)人值守的情況下，自動(dòng)識(shí)別豬身份并測(cè)量其體重值。設(shè)計(jì)了一種利用PLC控制的自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)，確保豬在測(cè)量時(shí)不受其他豬的影響。針對(duì)個(gè)體豬在不同生長(zhǎng)期對(duì)飼料的不同需求，提出了生豬的數(shù)字化精細(xì)飼喂方式，采用模糊控制技術(shù)建立自動(dòng)飼喂控制器的模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)豬的精細(xì)飼喂。通過(guò)半年對(duì)豬只生長(zhǎng)信息實(shí)時(shí)觀(guān)察，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)還驗(yàn)證了自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，其測(cè)量誤差小于0.1kg，相比于傳統(tǒng)的人工喂養(yǎng)方式，本系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生豬養(yǎng)殖規(guī)?；⒅悄芑?。

[關(guān)鍵詞]RFID；精細(xì)飼養(yǎng)；開(kāi)關(guān)門(mén)；體重

[中圖分類(lèi)號(hào)]S828 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

中國(guó)生豬養(yǎng)殖業(yè)近年來(lái)發(fā)展迅猛，豬肉產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的近一半但很多生豬養(yǎng)殖依靠人工，自動(dòng)化水平不高，養(yǎng)殖效益低下，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前家豬養(yǎng)殖業(yè)的需要。規(guī)模化、集約化、智能化的養(yǎng)殖方式已成為現(xiàn)代養(yǎng)豬業(yè)的一種趨勢(shì)。建立基于物聯(lián)網(wǎng)的家豬自動(dòng)飼喂平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)控豬的相關(guān)信息，進(jìn)行精細(xì)飼喂，是提高家豬養(yǎng)殖現(xiàn)代化的有效措施。國(guó)外的一些研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)在養(yǎng)豬場(chǎng)應(yīng)用了現(xiàn)代化的養(yǎng)豬設(shè)備，如德國(guó)的 Big Dutchman公司的CALLMATIC2系統(tǒng)，加拿大JYGA公司的格式塔智能化繁殖母豬飼養(yǎng)管理系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)對(duì)于現(xiàn)代化養(yǎng)豬設(shè)備的研發(fā)起步較晚，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)養(yǎng)殖企業(yè)無(wú)力購(gòu)買(mǎi)豬場(chǎng)智能化裝備，難以做到對(duì)每頭豬進(jìn)行精準(zhǔn)飼喂，立足于國(guó)內(nèi)養(yǎng)豬業(yè)的生產(chǎn)水平，研制一套可用于現(xiàn)代化養(yǎng)豬業(yè)的智能化飼喂設(shè)備具有重大意義。本系統(tǒng)通過(guò)RFID技術(shù)對(duì)豬進(jìn)行標(biāo)識(shí)，利用GPRS遠(yuǎn)程通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，服務(wù)器根據(jù)接收到的豬相關(guān)信息做出決策，控制下位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的投喂，實(shí)現(xiàn)對(duì)豬的精細(xì)飼喂。

1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)將射頻識(shí)別技術(shù)與PLC相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)豬的精細(xì)喂養(yǎng)。系統(tǒng)分為傳感控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層。傳感應(yīng)用層包括體重、飼料等傳感器和設(shè)備控制部分。網(wǎng)絡(luò)傳輸層是利用GPRS遠(yuǎn)程通信模塊將采集的傳感器數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器。應(yīng)用層則是由本地服務(wù)器、中心服務(wù)器構(gòu)成。本地服務(wù)器主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)管理，包括對(duì)豬的體重信息采集、開(kāi)關(guān)門(mén)及投喂機(jī)的控制。中心服務(wù)器則負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)分析多臺(tái)本地計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行綜合管理。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示：

電子地磅、稱(chēng)重料槽、閱讀器等采集的傳感器信息，經(jīng)過(guò)PLC處理后利用GPRS模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)體重、采食量、耳標(biāo)等信息的采集，同時(shí)服務(wù)器可利用GPRS模塊將命令發(fā)送至PLC，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 開(kāi)關(guān)門(mén)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)豬體重的獨(dú)立測(cè)量，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)門(mén)。該裝置設(shè)計(jì)為單向，即只能從一端進(jìn)，另一端出，如圖2所示：底座為電子秤，兩側(cè)豎立圍欄，限制豬的活動(dòng)，在雙側(cè)圍欄距離后門(mén)30cm處懸掛著閱讀器，用于識(shí)別豬耳朵上佩戴的電子耳標(biāo)，識(shí)別距離為40cm。豬從秤上走過(guò)時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)獲取豬的耳標(biāo)信息和體重?cái)?shù)據(jù)。

自動(dòng)門(mén)工作原理：自動(dòng)門(mén)初始狀態(tài)為前門(mén)開(kāi)、后門(mén)關(guān)。當(dāng)豬站在電子秤上時(shí)，閱讀器識(shí)別到豬的耳標(biāo)信息，將耳標(biāo)信息發(fā)送至PLC，PLC以此為觸發(fā)信號(hào)控制前門(mén)關(guān)（防止其他豬進(jìn)入秤重），后門(mén)開(kāi)，讓豬測(cè)量完后進(jìn)入采食區(qū)。當(dāng)豬走下秤時(shí)，PLC監(jiān)控到電子秤中體重值為0kg，控制前門(mén)開(kāi)（讓下一頭豬進(jìn)來(lái)），后門(mén)關(guān)?；謴?fù)到初始狀態(tài)。

測(cè)量裝置采用的是某公司生產(chǎn)電子秤，反應(yīng)靈敏、讀取速度快，經(jīng)測(cè)試可在0.5s內(nèi)讀取豬的穩(wěn)定的體重值。這種自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于，它集信息采集、身份識(shí)別于一體，以耳標(biāo)信號(hào)作為觸發(fā)控制信號(hào)，相對(duì)于紅外識(shí)別豬體，進(jìn)而控制門(mén)的開(kāi)關(guān)，這種方案無(wú)疑價(jià)格更加低廉，而且能滿(mǎn)足實(shí)際測(cè)量需求。

3 精細(xì)飼喂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 精細(xì)飼喂系統(tǒng)的基本組成

本精細(xì)飼喂系統(tǒng)根據(jù)豬的生長(zhǎng)期及體重采食量等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)豬的精細(xì)飼喂。以100頭種豬作為研究對(duì)象，利用RFID技術(shù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，當(dāng)豬從自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)中走過(guò)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)獲取豬的體重等相關(guān)信息，上位機(jī)根據(jù)接收到耳標(biāo)序列編號(hào)，自動(dòng)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中該豬的相關(guān)信息，并根據(jù)其品種與生長(zhǎng)期信息，與規(guī)則庫(kù)中的現(xiàn)有規(guī)則進(jìn)行匹配，進(jìn)而發(fā)出命令給下位機(jī)，進(jìn)行相應(yīng)的投喂。舍內(nèi)安裝一套自動(dòng)上料系統(tǒng)并配備多個(gè)自動(dòng)飼喂設(shè)備，其工作原理如圖3所示。

該飼喂系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)（PLC）、RFID系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、食槽、稱(chēng)重傳感器組成。PLC監(jiān)控到傳感器的相關(guān)信息后，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算并通過(guò)GPRS模塊發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)計(jì)算出相應(yīng)的投喂量后發(fā)送命令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行投喂，當(dāng)稱(chēng)重傳感器測(cè)量到投喂量與計(jì)算值一致時(shí)，上位機(jī)發(fā)送停止命令，停止投料。由于飼料投放口距離食槽有一定的距離，導(dǎo)致實(shí)際投放量與計(jì)算值有一定的偏差。為解決落料的滯后誤差，避免傳統(tǒng)的控制方法的確定模型不能實(shí)現(xiàn)精確下料，這里提出利用模糊算法的思想，按照數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)中的信息進(jìn)行邏輯推理，實(shí)現(xiàn)對(duì)豬的精準(zhǔn)飼喂。

3.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

飼喂系統(tǒng)主要是控制投喂量來(lái)適應(yīng)個(gè)體豬只的需要，將實(shí)時(shí)投喂量與預(yù)設(shè)模糊邏輯推理量進(jìn)行比較，來(lái)獲得精確的料量。針對(duì)飼料的下落過(guò)程中存在滯后這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于Mamdani型的精細(xì)飼喂模糊控制器如圖4所示，利用稱(chēng)重傳感器獲取落料量的靜態(tài)實(shí)時(shí)值，通過(guò)與系統(tǒng)設(shè)定的料量值進(jìn)行比較，得出實(shí)時(shí)的誤差百分量e和誤差變化率ec。在模糊控制算法中，將誤差百分量和誤差變化率作為模糊控制器的輸入，落料時(shí)間作為輸出量。

為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方便性，采用三角形隸屬度函數(shù)分別確定模糊變量e，ec，u的賦值表，將模糊變量尺度歸一化，根據(jù)知識(shí)庫(kù)建立系統(tǒng)所需的控制規(guī)則條件（if…then）形式，然后系統(tǒng)根據(jù)模糊規(guī)則做出相應(yīng)的下料量命令，完成豬個(gè)體精細(xì)飼喂的要求。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 軟件系統(tǒng)基本組成

系統(tǒng)軟件主要分為豬只管理模塊、用戶(hù)管理模塊、數(shù)據(jù)分析決策模塊和系統(tǒng)維護(hù)模塊四個(gè)模塊，如圖5所示。家豬管理模塊主要記錄豬的采食記錄、進(jìn)出欄記錄等；用戶(hù)管理模塊包括登錄、注冊(cè)、用戶(hù)權(quán)限等相關(guān)信息；數(shù)據(jù)分析決策模塊包括采食曲線(xiàn)繪制，體重變化曲線(xiàn)，系統(tǒng)預(yù)警、生產(chǎn)性能測(cè)定報(bào)告；數(shù)據(jù)維護(hù)模塊包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)備份以及恢復(fù)。

本系統(tǒng)軟件以Visual Studio 2013 為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用C#語(yǔ)言編寫(xiě)。采用多線(xiàn)程技術(shù)同時(shí)處理體重和耳標(biāo)數(shù)據(jù)，利用ADO.NET訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊發(fā)送到服務(wù)端，利用Socket通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸；考慮到數(shù)據(jù)從硬件層的采集到傳輸整個(gè)過(guò)程可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，在編寫(xiě)上位機(jī)的時(shí)候，會(huì)過(guò)濾掉不正常的數(shù)據(jù)，然后提取正常的數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算，最終在Winform應(yīng)用程序中顯示，同時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4.2 控制節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

使用西門(mén)子S7-200PLC對(duì)開(kāi)關(guān)門(mén)進(jìn)行控制，在STEP 7-MicroWIN編程環(huán)境下以梯形圖方法在PC機(jī)上編制，經(jīng)調(diào)試編輯后下載至PLC中。程序可實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)門(mén)進(jìn)行自動(dòng)開(kāi)關(guān)，控制流程圖如下：

5 實(shí)驗(yàn)分析與測(cè)試

本系統(tǒng)在江蘇省鎮(zhèn)江市某試驗(yàn)基地進(jìn)行了試驗(yàn)，以100頭種豬作為研究對(duì)象，通過(guò)記錄其生長(zhǎng)情況來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的可靠性。結(jié)果顯示，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，豬體況得到很大改善，省去了人工飼喂、人工稱(chēng)重等環(huán)節(jié)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。同時(shí)還進(jìn)行了自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)的測(cè)試，測(cè)量誤差小于0.1kg，稱(chēng)重效率更高。

5.1 精細(xì)投喂系統(tǒng)性能測(cè)試

經(jīng)過(guò)半年對(duì)豬場(chǎng)100頭豬只的數(shù)據(jù)采集、記錄分析，本系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的限位欄模式，在節(jié)省飼料和豬肉品質(zhì)等方面有明顯改善。其中無(wú)脂瘦肉率提高2.9%，料肉比提高3%，飼料浪費(fèi)情況大幅改善，整體生產(chǎn)性能與限位欄模式比較如表1所示。

5.2 自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)性能測(cè)試

為驗(yàn)證稱(chēng)重系統(tǒng)的可靠性，選取50頭豬進(jìn)行測(cè)試。將這50頭豬分別通過(guò)人工和自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得部分?jǐn)?shù)據(jù)如下：

表2的數(shù)據(jù)是2017年4月5日通過(guò)自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)測(cè)量部分的體重?cái)?shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算該組50頭豬的平均體重為85.92kg，為驗(yàn)證自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)性能，在當(dāng)日同一時(shí)間通過(guò)人工測(cè)量，強(qiáng)制將豬固定在秤中，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，計(jì)算后平均體重為85.94kg，誤差小于0.1kg。

6 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)的家豬精細(xì)飼喂系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表明，豬生長(zhǎng)狀況良好，飼料利用率提高了7.92%，自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)運(yùn)行穩(wěn)定，自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)測(cè)量誤差小于0.1kg，省去了人工稱(chēng)重手動(dòng)記錄環(huán)節(jié)，節(jié)省了人力成本。相對(duì)于傳統(tǒng)的人工喂養(yǎng)，本系統(tǒng)可以大大推進(jìn)家豬養(yǎng)殖發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 武深樹(shù).湖南生豬養(yǎng)殖生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)[J].飼料廣角，2015（05）.

[2] 周偉.淺談生豬的養(yǎng)殖模式的現(xiàn)狀與未來(lái)[J].中國(guó)畜牧獸醫(yī)文摘，2016（06）.

[3] 胡肄農(nóng)，張啟迪，黃小國(guó).母豬精細(xì)養(yǎng)殖管理物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建立[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013（03）.

[4] 白紅武，馮國(guó)興，丁維榮，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的種豬管理平臺(tái)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013（03）.

[5] 郭忠利.規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)群體母豬精細(xì)飼喂控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[6] 馬洪偉，盛翊智.GPRS技術(shù)在無(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2005（03）.

[7] 江凌，楊平利，楊梅，等.基于ADO.NET技術(shù)訪(fǎng)問(wèn)SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)的編程實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014（08）.

[8] 夏玲.客戶(hù)端與服務(wù)器端的Socket通信[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2009（17）.