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奶牛智能多精料喂养系统的研究
摘要
为了实现奶牛的精确饲喂，一种智能多精料喂养系统被开发出来。该系统由两部分组成，一个是精密配料控制子系统，另一个是多精料释放子系统。前者通过4个步进电机控制后者。精密配料控制子系统是基于三星设计的S3C2440 ARM9微处理器和WinCE5.0嵌入式操作系统。 饲喂系统通过无源应答器使用RFID（射频识别）读取器识别奶牛。根据饮食的摄入量和个体奶牛的牛奶产量的差异，系统可以自动定量地根据奶牛ID排出4种不同的精料。奶牛的智能多精料喂养系统已经被设计并用于实际生产生活中。根据实验结果，精料喂养误差小于5％，奶牛授精延迟时间小于0.5s，奶授失误率小于0.01％。
关键字：精确饲喂，智能精料喂养系统，奶牛，射频识别。
- 引言
随着奶牛育种业的发展，每头奶牛的增产，更高的牛奶质量和最优先的饲喂成本是奶牛养殖者最重要的方面（Halachami等，1998； Hua等，2006）。 。 近年来，很少有大型达里农场使用母牛精料自动饲喂系统（Hua等，2006）。 但是，由于在普通规模的奶牛场中缺乏精确的饲喂系统，无法计算每头母牛的摄食量，无法估算饲喂成本，牛奶产量和牛奶质量很难提高（Halachami等，1998）。 ）。 换句话说，牛奶的产量和质量都取决于食物的摄入量，尤其取决于精料的摄入量。 实际上，奶牛的食物摄入量差异很大，因此设计了计算机控制的精料自动喂食器和喂食机器人来解决小型奶牛场中单个奶牛的自动喂食问题（Halachami等，1998； Fang， 2005年；Kuang，1999年）。
自1960年代以来，英国和美国首先采用了自动TMR（总混合定量）饲喂系统。 TMR饲喂技术很好地混合了精料和粗饲料，实现了奶牛的营养平衡，但是TMR不能满足个体，奶牛，特别是具有高产奶能力的奶牛的营养需求。 喂料机器人可以通过RFID系统识别奶牛ID，并可以为单个奶牛输送不同数量的精料和粗饲料，但是机器人的投放方式是先投放精料，然后依次投放粗饲料， 或先输送粗饲料，再输送精料，导致精料和粗饲料不能很好地混合（Tan等，2007； Halachami等，1998； Fang，2005）。
为了自动准确地输送4种精料，并在排料过程中同时进行充分混合，基于个体母牛的识别，奶牛智能多精料喂养系统基于WinCE，32位高性能微处理器，4台精密步进电机和槽轮精料进料装置。 此外，该系统还包括一个奶牛饲养数据库，该数据库由各个奶牛饲养信息组成，例如符合配方的精料重量，饲喂时间和饲喂间隔。 饲喂数据库可以记录每头母牛的每头摄入精料重量，每天的摄入时间和摄入时间。
- 系统设计
2.1 系统总览
该系统由两部分组成，一个是精密配料控制子系统，另一个是多精料投放子系统，其中包括由4个步进电机驱动的4个精料投放器。 前者通过4个步进电机控制后者。 基于三星S3C2440 ARM9微处理器和WinCE5.0嵌入式操作系统设计了精密配料控制子系统。 出料子系统上使用了槽轮精料进料装置。
图1.槽轮式奶牛精料补饲装置示意图
图1示出了一个精料投放器，该精料投器主要由机架、饲喂槽、出料漏斗、料仓、步进电机、联轴器和步进电机驱动器组成。 当带有无源应答器的母牛进入饲养区时，RFID读取器将获得应答器数据，并使用RS485将数据传输到控制子系统。 然后，控制子系统对数据进行解码，识别奶牛的ID并搜索奶牛的饲养信息。 精料的重量与配方和进料时间与进料间隔协同（来自进料数据库）。 如果允许奶牛食用精料，则控制子系统将计算每个步进电机的相应旋转步长。 基于每步的排出重量和需要排出的精料的重量来计算步骤。 4个精料投放器将同时启动并完成自己的任务。
2.2 控制子系统设计
系统硬件基于三星S3C2440 ARM920T微处理器进行设计，S3C2440提供了一套全面的通用系统外设，最大限度地降低了整体系统成本，并且无需配置其他组件，S3C2440具有低成本的特点，是低成本的通用应用的理想之选，同时也是低功耗和高性能的微控制器的理想解决方案（Samsung，2004年）。
2.2.1 显示和触摸屏系统
用户控制界面使用Sharp LQ080V3DG01 640times;480 TFT LCD实现。 LQ080V3DG01 LCD与S3C2440 LCD控制器连接，如图2所示。VCLK，VLINE，VFRAME，VW是S3C2440 LCD控制器生成的LCD控制信号，VD23：18，VD15：10，VD7：2是视频数据端口LCD控制器的LCD专用DMA可以将帧存储器中的视频数据自动传输到LCD驱动器，而无需CPU干预，Sharp的LQ080V3DG01需要使用交流电源进行背光照明，LQ080V3DG01背光驱动器电路使用CXA_L10A设计，可为CCFL提供正弦波输出（冷阴极荧光灯）如图3所示。为了改善友好的HMI（人机界面），LQ08V3DG01配备了4线电阻触摸屏。图4所示的触摸面板的驱动器电路是使用双N＆P通道专用IC FDC6321设计的，该驱动器电路连接了S3C2440内部触摸面板的接口单元（三星，2004；夏普，2003）。
图3.LCD CCFL电源
图4.触控面板驱动电路
图2.LCD连接图
2.2.2 识别系统
使用北京WMTech WM-18系列RFID系统可实现个体奶牛识别。 WM-18由WM-181读卡器和EM4100兼容ID卡组成，工作频率为125 kHz，最大读取距离为100 cm。 兼容EM4100的ID卡是戴在牛颈上的无源无源应答器。 当带有应答器的母牛走进饲养区时，WM-181读取器将获得应答器数据，并将该数据发送到S3C2440，以通过RS485总线进行处理。 系统将数据传输到WM-181阅读器并将数据发送到S3C2440所需的时间少于150ms。 RFID系统的工作电流小于250 mA。 奶牛识别失误率小于0.01％。
2.3投放子系统设计
投放子系统包括4个卸料器。 每个卸料器主要由槽轮卸料器，步进电机，步进电机驱动器，联轴器，料斗和卸料漏斗组成。 步进电动机的输出轴将排屑轮的输入轴与联轴器相连。
2.3.1槽轮卸料器
由于其构造和制造技术简单，不会使颗粒破碎的优点以及较高的排出速率和高精度，因此选择了槽轮式卸料器作为输送装置。 凹槽轮卸料器的卸料能力受凹槽轮的有效长度，凹槽数量和每个凹槽的横截面面积的影响。 根据实验结果，槽轮转速的合适范围是9r / min至60r / min，如果转速超出合适范围，则槽轮不能填充颗粒，原因是：较高的班轮速度。 图5显示了设计为锥形弧形轮的槽轮（Tai等，2003）。
图5.槽轮图
2.3.2 步进电机系统设计
根据每个个体牛的配方，控制子系统生成4个步进驱动器脉冲信号，并驱动槽轮精料进料装置，以同时投出4种精料。 为了提高精料的投出精度，使用了配备有三相步进电动机驱动器3H110MS的三相步进电动机110BYG350。 DIP开关组安装在驱动器上，可从1到16格中选择步进电机的基本步进角。步进电机以0.3o /脉冲的基本步进角平稳旋转，即使在低速下也具有低振动。
2.4软件设计和用户操作界面
该系统软件基于WinCE 5.0嵌入式操作系统设计，并在嵌入式VC开发环境下以C / C 语言进行编程。 用户操作界面是一个非常简洁友好的界面，通过操作LCD触摸屏，用户可以校准精料出料重量，输入单个奶牛摄入的多精料配方，建立奶牛管理数据库，管理精料喂养数据库 ，查询并报告单个奶牛饲养数据。 另一方面，系统可以通过RS485总线与主机管理PC通信。 系统接收母牛数据库数据，个体母牛配方，个体母牛精料摄入时间和精料摄入间隔，此外，系统将摄入时间和个体奶牛精料的重量传输到主机PC。 图6显示了用于单头母牛的智能型多浓缩饲料的流程图。
图6.智能多精料进料流程图
3.结果
智能化的奶牛精料饲料系统已被研发，并在山东农业大学实验性奶牛场使用。 下面提供的数据是在试验期间在实验农场中收集的。
图7.大颗粒 高排量
图7所示为排料量大时，投放器的槽数对排料量大的料排料精度的影响，结果表明排料精度和16凹槽槽轮的稳定性均高于带有12个凹槽的槽轮，即使凹槽的数量在测量精度上也没有显着差异（pgt; 0.05）。 在这种情况下，带有16个凹槽的槽轮的排气误差小于1.5％。
图8示出了在排出大颗粒或小颗粒以及低排出容量的条件下，不同的凹槽数与排料精度之间的关系。 结果表明，16凹槽槽轮的排料精度与12凹槽槽轮的排料精度几乎相同，但排料稳定性优于12凹槽槽轮的排料稳定性。 带有16个凹槽的槽轮的排料误差小于1.5％。
图8.低排量
根据实验结果，精料排放的总误差小于5％。
4.结论
此次研究设计并实现了智能奶牛多精料饲喂系统。 根据个体奶牛的摄食配方，喂食次数以及喂食间隔，喂食系统可通过RFID技术对奶牛进行识别，排出四种精料。 此外，该系统可以在线记录奶牛的饲喂信息，例如每种精料的重量，摄取次数和摄取时间。 由于友好的用户界面和易于系统更新的功能，我们研发的供料系统与以前基于PLC和单片机的供料系统不同。 另外，该系统比同类系统便宜，并且具有易于维护，可靠性高的特点。 该系统适用于资金短缺的小型奶牛场。
投放器上使用了带有锥形弧形凹槽的槽轮，结果表明该投放器具有良好的颗粒排出精度和排出稳定性。 该机构具有结构简单，制造工艺简单的特点。 用这种机器可以满足所需要的投放精度。
致谢
作者们要感谢中国科学技术部的资助（2006BAD11A0904）。 作者们同样要感谢山东农业大学动物科技学院的王忠华教授和郭玉伟教授。感谢他们的大力支持。
参考文献
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Halachmi, I., Edan, Y., Maltzet, E., Peiper, U.M., Moallem, U., Brukental, I.: A realtime control system for individual dairy cow food intake. Computers and Electronics in Agriculture 20, 131 –144 (1998)
Hua, J.G., Zhou, Y.L., Hua, J.Z., Yu, Y.C., Zhang, W.F.: Development of the auto-feeding equipments for dairy cattles. Transaetions of the CSAE 22(2), 79–83 (2006)
Kuang, P.S., Liu, G., Kuang, J.S.: On the precision-agriculture technological system.Transaetions of the CSAE 15(3), 1–4 (1999)
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Sharp. Technical literature for LQ080V3DG01 TFT-LCD module. Sharp Corporation, Japan(2003)
Tai, M.Y., Yuan, J.E., Liu, X.Z.: Design of Incline outer-fluted feed with upper distribution.
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