楊亮，龔進(jìn)牧，王輝，趙一廣，熊本海

(1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市，100193；2. 河南南商農(nóng)牧科技股份有限公司，鄭州市，453500)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)大力發(fā)展，作為生豬養(yǎng)殖與豬肉消費(fèi)大國(guó)，豬肉總產(chǎn)量和人均豬肉占有量多年居世界首位。豬肉為蛋白質(zhì)的主要來(lái)源，我國(guó)居民對(duì)豬肉的消費(fèi)需求強(qiáng)烈。然而2018年受非洲豬瘟影響，我國(guó)生豬存欄量、出欄量以及豬肉產(chǎn)量均大幅下降。2020年，我國(guó)各地積極落實(shí)生豬穩(wěn)產(chǎn)保供各項(xiàng)政策措施，有力促進(jìn)非洲豬瘟疫情防控下的生豬產(chǎn)能持續(xù)回升。其中，全國(guó)生豬出欄 52 704 萬(wàn)頭，同比下降3.2%，出欄降幅呈現(xiàn)出明顯收窄態(tài)勢(shì)。

隨著畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)越來(lái)越多，規(guī)模越來(lái)越大，在現(xiàn)有品種和養(yǎng)殖環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的情況下，如何通過(guò)現(xiàn)代化養(yǎng)殖模式快速發(fā)展，提高生豬生產(chǎn)效率是生豬生產(chǎn)中的重點(diǎn)，促進(jìn)了豬用精準(zhǔn)飼喂技術(shù)和系統(tǒng)在豬場(chǎng)得到應(yīng)用。精準(zhǔn)飼喂技術(shù)通過(guò)結(jié)合生豬的營(yíng)養(yǎng)需要模型、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和精準(zhǔn)投喂系統(tǒng)，將適合的日糧準(zhǔn)確飼喂給個(gè)體或群組[1]。精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)采用自動(dòng)化飼喂方式，對(duì)豬只個(gè)體進(jìn)行精準(zhǔn)化下料，監(jiān)控豬只采食量，有利于豬只的健康生產(chǎn)。以狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自我決策、精準(zhǔn)執(zhí)行[2]為特征的智能化精準(zhǔn)飼養(yǎng)理念為特點(diǎn)的現(xiàn)代化養(yǎng)豬企業(yè)正逐漸成為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者[3]。

育肥期是養(yǎng)豬生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，飼料用量占全期耗料的75%～80%，是控制飼料成本保證養(yǎng)豬收益的關(guān)鍵時(shí)期[4]。生豬養(yǎng)殖過(guò)程中飼料耗費(fèi)占生產(chǎn)成本的60%以上[5]，而育肥豬的生產(chǎn)目標(biāo)是以最小的飼料成本取得最大的生產(chǎn)性能(如體增重)，部分養(yǎng)殖企業(yè)按豬只個(gè)體的最高需要量供給營(yíng)養(yǎng)，導(dǎo)致大多數(shù)豬只的營(yíng)養(yǎng)攝入量高于其實(shí)際需要量，日糧營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用率降低，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)排泄量增加[6]。因此，準(zhǔn)確評(píng)定豬的采食量需要并合理供給日糧是降低養(yǎng)殖成本的重要途徑[7]。

目前，養(yǎng)豬生產(chǎn)中主要將精準(zhǔn)飼喂技術(shù)應(yīng)用于母豬生產(chǎn)。歐美畜牧業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家規(guī)?；i場(chǎng)智能化飼養(yǎng)設(shè)備的使用率達(dá)到60%[8]，例如美國(guó)TEAM系統(tǒng)，荷蘭Velos系統(tǒng)以及法國(guó)Elistar系統(tǒng)。在國(guó)內(nèi)大型養(yǎng)豬企業(yè)應(yīng)用，這些系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)群養(yǎng)單飼，自動(dòng)識(shí)別豬群所處階段并提供給母豬需要的飼料量。國(guó)產(chǎn)設(shè)備方面，鄧凱熠等[9]研制了液態(tài)飼料智能飼喂系統(tǒng)，力求解決豬的液態(tài)飼料易變質(zhì)、飼喂勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。王京威[10]設(shè)計(jì)了基于4G網(wǎng)絡(luò)的妊娠母豬精準(zhǔn)飼喂遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),根據(jù)不同妊娠階段和膘厚，建立了基于模糊控制理論的妊娠母豬精準(zhǔn)飼喂方案。母豬電子飼喂站符合動(dòng)物福利，能有效減少母豬肢體疾病、減少應(yīng)激、改善體況、促進(jìn)產(chǎn)仔健康，提高母豬生產(chǎn)壽命[11]。上述智能設(shè)備的研發(fā)還需與畜牧生產(chǎn)理論、目標(biāo)產(chǎn)品的功能驅(qū)動(dòng)及養(yǎng)殖方式的創(chuàng)新協(xié)調(diào)一致，通過(guò)不斷創(chuàng)新，助推畜牧業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)[12]。

然而，現(xiàn)有豬用飼喂系統(tǒng)在使用中主要存在以下問(wèn)題：(1)通過(guò)下料電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)控制下料量，當(dāng)料倉(cāng)內(nèi)沒(méi)有足夠的飼料時(shí)，控制器依然按既定程序轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)的采食量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；(2)按限定的飼料量進(jìn)行飼喂，沒(méi)有考慮豬只的實(shí)際采食需求；(3)料倉(cāng)飼料容易結(jié)拱，導(dǎo)致下料不暢；(4)下料器的撥料輪只能單向轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)一個(gè)食槽，導(dǎo)致豬只爭(zhēng)搶飼料等現(xiàn)象。因此，針對(duì)上述問(wèn)題，本文創(chuàng)新突破下料方式，開(kāi)發(fā)一種雙側(cè)精準(zhǔn)下料、無(wú)飼料殘留，操作維護(hù)方便、性能穩(wěn)定、成本低廉且控制便利的新一代育肥豬智能飼喂系統(tǒng)具有巨大的產(chǎn)業(yè)需求。

為此，設(shè)計(jì)一種育肥豬精確飼喂系統(tǒng)，采用雙側(cè)下料器的對(duì)稱(chēng)式雙邊下料，增設(shè)觸碰開(kāi)關(guān)，豬只觸動(dòng)后執(zhí)行預(yù)設(shè)料下料，食槽內(nèi)增設(shè)料位感應(yīng)探針，豬只觸碰感應(yīng)開(kāi)關(guān)時(shí)，若探針感應(yīng)不到食槽內(nèi)水料，系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)充水料到探針處，增設(shè)防結(jié)拱裝置，通過(guò)震動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)破拱，防止料粉受潮影響下料。研制的系統(tǒng)在豬場(chǎng)進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 育肥豬自動(dòng)飼喂機(jī)電控制系統(tǒng)

1.1 育肥豬精確飼喂系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖1為育肥豬精確飼喂系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖，主要由供水管、機(jī)架、讀卡器、食槽導(dǎo)料管、電磁閥、雙側(cè)下料器、破拱結(jié)構(gòu)、飼料倉(cāng)及控制器組成。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

其中，飼料倉(cāng)設(shè)置在系統(tǒng)的頂部，飼料倉(cāng)的底部為出料口。下料電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制接口與控制器的控制信號(hào)交互端口連接。系統(tǒng)設(shè)置有兩根導(dǎo)料管，實(shí)現(xiàn)出料口與食槽的連接。食槽為左右兩側(cè)各設(shè)置1個(gè)，在對(duì)應(yīng)的食槽上方，分別設(shè)置有讀卡器。飼料倉(cāng)底部設(shè)置有防結(jié)拱裝置，主要由防拱架和振動(dòng)電機(jī)組成，防拱架放置于飼料倉(cāng)內(nèi)落料口上方，通過(guò)螺栓與振動(dòng)電機(jī)連接。

圖2為育肥豬精確飼喂系統(tǒng)的相關(guān)尺寸。豬只采食通道的寬度為81 cm，保證豬只具有舒適的采食空間，同時(shí)限制多只豬只在此發(fā)生搶食現(xiàn)象。下料機(jī)構(gòu)的寬度為92 cm，高度為130 cm，主要放置有下料電機(jī)、下料機(jī)構(gòu)等。本系統(tǒng)與傳統(tǒng)設(shè)備相比，占地面積更小，設(shè)計(jì)更加合理，有利于提高豬只采食的便捷性。

圖2 設(shè)備尺寸

1.2 雙側(cè)下料器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3為系統(tǒng)的核心部件下料電機(jī)與下料機(jī)構(gòu)示意圖。下料電機(jī)采用24 V、80 W帶霍爾信號(hào)直流減速電機(jī)，通過(guò)采集霍爾信號(hào)判斷轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)及下料圈數(shù)，前期校準(zhǔn)單圈料量，保證下料量的精準(zhǔn)。

圖3 下料電機(jī)與下料機(jī)構(gòu)示意圖

下料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙側(cè)下料模式，具體設(shè)計(jì)如圖4所示。雙側(cè)下料器主要由下料管和下料電機(jī)組成。下料管內(nèi)部設(shè)置有撥料輪，撥料輪由轉(zhuǎn)軸、撥片和撥片固定板三部分組成。撥片固定板有兩個(gè)，分別固定在轉(zhuǎn)軸的前、后兩端，撥片以輻射狀均勻分布在轉(zhuǎn)軸上。下料電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與撥料輪的轉(zhuǎn)軸傳動(dòng)連接。

圖4 雙側(cè)下料器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

下料管下方設(shè)置有出料口，出料口采用對(duì)稱(chēng)式布局，通過(guò)控制器控制下料電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，下料電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)撥料輪將飼料撥入左側(cè)出料口，反轉(zhuǎn)時(shí)將飼料撥入右側(cè)出料口，從而實(shí)現(xiàn)雙側(cè)供料。

育肥豬精確飼喂系統(tǒng)中雙側(cè)下料器安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。雙側(cè)下料設(shè)計(jì)模式，在聯(lián)排豬舍使用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)圈舍同時(shí)供料。例如，在5個(gè)聯(lián)排豬舍內(nèi)，需要配備10套傳統(tǒng)的單側(cè)供料飼喂系統(tǒng)，而采用雙側(cè)下料飼喂系統(tǒng)，則只需配置4個(gè)雙側(cè)供料系統(tǒng)加上2個(gè)傳統(tǒng)單側(cè)供料系統(tǒng)，即可滿(mǎn)足5個(gè)豬舍育肥豬只的采食需求，節(jié)約了4臺(tái)設(shè)備的使用成本，降低了生產(chǎn)成本，符合現(xiàn)代化豬場(chǎng)的飼喂需求。

圖5 雙側(cè)下料器安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.3 育肥豬精確飼喂系統(tǒng)控制原理

育肥豬精確飼喂系統(tǒng)控制原理如圖6所示。育肥豬精確飼喂系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置有控制器，控制器內(nèi)預(yù)設(shè)運(yùn)行程序和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，控制器連接無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。豬只身上固定有電子耳標(biāo)，豬只進(jìn)入后，讀卡器讀取電子耳標(biāo)，獲取該豬只的身份信息，并將該身份信息傳輸給控制器，控制器調(diào)取與該豬只匹配的采食數(shù)據(jù)，獲取該豬只預(yù)設(shè)總投料量，以及分次下料次數(shù)，完成下料程序設(shè)定。

圖6 育肥豬精確飼喂系統(tǒng)控制原理圖

控制器控制下料電機(jī)先做刺激性投料，待豬只吃完后，豬只若還想吃料，會(huì)拱觸碰開(kāi)關(guān)，控制器接收碰觸信號(hào)后控制下料電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)完成第一次分次下料，豬只吃完后繼續(xù)拱觸碰開(kāi)關(guān)，控制器接收碰觸信號(hào)后控制下料電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)完成第二次分次下料，以此類(lèi)推，直到預(yù)設(shè)總投料量全部下完。

豬只存在預(yù)設(shè)總投料量未下完時(shí)，便離開(kāi)不再吃料的情況，不論吃完與否，該次采食數(shù)據(jù)均會(huì)被數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)儲(chǔ)存，供飼養(yǎng)員調(diào)閱查看，同時(shí)采食數(shù)據(jù)也通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊上傳到后臺(tái)服務(wù)器，經(jīng)后臺(tái)服務(wù)器處理后，服務(wù)器再通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊對(duì)系統(tǒng)的飼喂程序進(jìn)行調(diào)整設(shè)定。控制器可以同時(shí)分別控制兩側(cè)食槽內(nèi)豬只的吃料過(guò)程，分別執(zhí)行相應(yīng)的下料程序。

在系統(tǒng)中，增設(shè)了食槽內(nèi)料位感應(yīng)探針，豬只觸碰感應(yīng)開(kāi)關(guān)時(shí)，若探針感應(yīng)不到食槽內(nèi)水料，系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)充水料到探針處，同時(shí)，感應(yīng)探針可防止水料下的過(guò)多溢出槽外，造成浪費(fèi)和豬只采食數(shù)據(jù)的誤判。綜上，料位感應(yīng)探針的使用，既保證了豬只正常采食，又避免了飼料的浪費(fèi)和采食數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。

1.4 育肥豬精確飼喂系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

育肥豬精確飼喂系統(tǒng)由下位機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，飼喂系統(tǒng)可以通過(guò)遠(yuǎn)程PC端設(shè)置飼喂參數(shù)設(shè)置，統(tǒng)一采集與貯存管理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)預(yù)設(shè)了育肥豬每次下料的比例，用戶(hù)可以通過(guò)下位機(jī)或PC端修改下料比例參數(shù)，方便進(jìn)行不同的采食量和飼喂效果的試驗(yàn)。

下位機(jī)電路由面板電路組成，電路以微處理器(MCU，LPC1766,工作溫度-40 ℃～105 ℃，工作電壓2.0～3.6 V, 閃存256 K，低功耗)為核心[13]，主要由指令按鍵輸入、數(shù)據(jù)通信電路、數(shù)據(jù)貯存(鐵電存貯)電路、數(shù)據(jù)顯示及外設(shè)驅(qū)動(dòng)電路等組成。系統(tǒng)采用先進(jìn)先出的堆棧存貯模式，按每天每頭豬飼喂6次的數(shù)據(jù)量計(jì)算，可貯存大約2個(gè)月的個(gè)體飼喂過(guò)程數(shù)據(jù)。下位機(jī)的存貯數(shù)據(jù)可逆向上傳到上位機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)，用于累計(jì)大量的飼喂數(shù)據(jù)。

1.5 PC端上位機(jī)開(kāi)發(fā)

育肥豬精確飼喂系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)，采用的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)為My SQL數(shù)據(jù)庫(kù)[14]，并采用C#語(yǔ)言編寫(xiě)代碼[15]，對(duì)系統(tǒng)的主菜單參數(shù)進(jìn)行了預(yù)設(shè)值，用戶(hù)可根據(jù)豬場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改。

其中，在“主菜單界面”模塊中，設(shè)置了“參數(shù)調(diào)整”，可以設(shè)置育肥豬精確飼喂設(shè)備相關(guān)的9個(gè)參數(shù)，分別是餐次、各餐比例、每餐間隔、單次下水量、單次下料量、單圈料量校準(zhǔn)、觸碰效果、手動(dòng)下料和清倉(cāng)。這9個(gè)參數(shù)通過(guò)上位機(jī)向飼喂器下發(fā)飼喂參數(shù)，滿(mǎn)足養(yǎng)殖場(chǎng)設(shè)置差異性參數(shù)，有效提高系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的效率。

同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將育肥豬精確飼喂系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳到公司管理系統(tǒng)中，用戶(hù)可以及時(shí)查詢(xún)育肥舍豬只的采食數(shù)據(jù)信息，方便用戶(hù)掌握豬只采食情況，制定不同的精確飼喂策略。

2 飼喂試驗(yàn)

豬只采食是其從外界獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，滿(mǎn)足豬只維持和生產(chǎn)的一種行為，是保證豬只正常生產(chǎn)和生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，是豬只綜合技能活動(dòng)的外在表現(xiàn)[16]。豬的采食行為主要受養(yǎng)殖環(huán)境、飼糧、動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育階段及生理狀況等因素影響[17]。育肥豬采食行為表現(xiàn)出明顯的晝夜節(jié)律變化規(guī)律，其中52%以上的采食行為發(fā)生在06:00～09:00和15:00～19:00這2個(gè)時(shí)段[18]，同時(shí)，濕熱環(huán)境對(duì)生產(chǎn)育肥豬的采食行為也有顯著影響，濕熱指數(shù)的增加能顯著降低單位體重采食量。

通過(guò)應(yīng)用智能化飼喂裝備，根據(jù)育肥豬日齡給定采食量，使育肥豬實(shí)際采食量達(dá)到預(yù)期是精準(zhǔn)飼喂裝備的難點(diǎn)。本研究結(jié)合對(duì)規(guī)?；i場(chǎng)的調(diào)研，綜合設(shè)備飼喂的便利及預(yù)飼喂試驗(yàn)的效果，采用每日飼喂量按5次下料的飼喂節(jié)律，每次下料比例設(shè)定為10%，30%，30%，20%，10%。試驗(yàn)于2020年5月至2020年8月在河南某豬場(chǎng)進(jìn)行。飼喂試驗(yàn)選用了40頭育肥豬，舍內(nèi)日平均氣溫在28 ℃～31 ℃左右，最低氣溫在25 ℃～27 ℃。飼喂周期110 d，系統(tǒng)自動(dòng)記錄育肥豬單次采食量，日糧設(shè)計(jì)上主要參考我國(guó)《豬飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)》[19]及NRC建議的《豬的營(yíng)養(yǎng)需要量》中有關(guān)育肥豬的日糧濃度。

對(duì)記錄的40頭育肥豬110 d的采食數(shù)據(jù)，采用對(duì)數(shù)模型模擬，獲得圖7所示的采食量曲線(xiàn)。其中，理論采食量為y=1 810.9lnx-6 498.6，實(shí)際采食量為y=1 792.1lnx-6 463.9，x為日齡，d；y為日采食量，g。

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，采用精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)的采食量總體上低于理論采食量。在試驗(yàn)期間，系統(tǒng)每天按預(yù)設(shè)比例5次下料采集數(shù)據(jù)外，還采集了豬只額外采食的數(shù)據(jù)，但整體上顯現(xiàn)出實(shí)際采食量要低于理論采食量，說(shuō)明理論采食量偏高，在排除飼料浪費(fèi)的情況下，豬只只需采集低于理論采食量的飼料即可滿(mǎn)足日常生長(zhǎng)需要。對(duì)實(shí)際采食量數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬顯示均收斂于對(duì)數(shù)曲線(xiàn)，且擬合曲線(xiàn)的R2大于0.90，表明用對(duì)數(shù)曲線(xiàn)基本反映育肥豬的采食量規(guī)律。

圖7 育肥豬實(shí)際采食量與理論采食量比較

此外，與傳統(tǒng)的人工投喂模式相比，采用精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)的育肥豬實(shí)際采食量低于人工投喂量，有效避免了飼料的浪費(fèi)，減少了人力的投入，為工廠化養(yǎng)豬實(shí)現(xiàn)主要飼養(yǎng)過(guò)程的“機(jī)器換人”提供了智能設(shè)備支撐。

3 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)一種通過(guò)撥輪下料實(shí)現(xiàn)雙側(cè)精準(zhǔn)下料的育肥豬精確飼喂設(shè)備。該設(shè)備采用雙邊下料布局，出料口呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)式布局，通過(guò)控制器控制下料電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)雙側(cè)下料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，提高豬群的采食效率，降低了生產(chǎn)成本。

2) 與理論采食量比較，智能飼喂方式下采食量低于理論采食量，飼喂采食量比例分別為10%，30%，30%，20%及10%時(shí)，獲得較佳的采食量變化曲線(xiàn)y=1 792.1lnx-6 463.9，R2=0.912 8。