基于精細農(nóng)業(yè)的奶牛自動飼喂系統(tǒng)

李秀芝 王冉冉 杜現(xiàn)軍 李法德

精細農(nóng)業(yè)技術思想的核心是基于時空變異的農(nóng)業(yè)管理與投入，即在獲取農(nóng)田小區(qū)作物產(chǎn)量和影響作物生長的環(huán)境因素差異性信息的基礎上，區(qū)別對待，按需實施定位調控。精細農(nóng)業(yè)是從20世紀90年代發(fā)展起來的基于信息和知識的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理與經(jīng)營理念，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的技術支持。精細農(nóng)業(yè)技術體系是農(nóng)學、農(nóng)業(yè)工程、電子與信息科技等多種學科知識的集成，其應用研究與發(fā)展涉及到直接面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者應用服務的電子信息高新技術，農(nóng)田信息快速采集與可視化表達技術，農(nóng)田耕作、土肥管理、農(nóng)藥利用、污染控制等適用技術和農(nóng)業(yè)工程裝備及其產(chǎn)業(yè)化技術。

精細養(yǎng)殖是精細農(nóng)業(yè)的重要組成部分。精細農(nóng)業(yè)包含的理論、技術和工程都能應用在動物養(yǎng)殖的整個過程中。奶業(yè)是世界公認的節(jié)糧、經(jīng)濟、高效型產(chǎn)業(yè)，奶業(yè)發(fā)展水平是一個國家畜牧業(yè)以至于整個農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的重要標志[1]。為了實現(xiàn)奶牛的高效、優(yōu)質生產(chǎn)，必須根據(jù)奶?；A日糧采食情況和產(chǎn)奶量等個體差異，適時、適量地補充不同配方的精飼料，即必須實現(xiàn)基于奶牛個體體況信息的精細飼養(yǎng)。

1 精細農(nóng)業(yè)

精細農(nóng)業(yè)研究與實踐始于20世紀80年代初期，當時發(fā)達國家農(nóng)學家揭示出農(nóng)田內小區(qū)作物產(chǎn)量和生長環(huán)境條件的明顯時空差異性，從而提出對作物栽培管理實施定位、按需變量投入。90年代以來，隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、生物基因技術作物栽培模式以及生產(chǎn)管理決策支持系統(tǒng)（DDS）的發(fā)展，精細農(nóng)業(yè)已成為一種全新的合理利用農(nóng)業(yè)資源、提高農(nóng)業(yè)作物產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本、改善生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式。

精細農(nóng)業(yè)技術體系包括信息獲取與數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與可視化表達、農(nóng)作業(yè)決策與分析等主要組成部分。精細農(nóng)業(yè)技術思想的核心是基于時空變異的農(nóng)業(yè)管理與投入，即在獲取生物產(chǎn)量和影響生物的生長環(huán)境因素差異性信息的基礎上，區(qū)別對待，按需實施定位調控。

2 基于精細農(nóng)業(yè)的奶牛養(yǎng)殖

實現(xiàn)奶牛精細飼養(yǎng)關鍵是根據(jù)奶牛個體營養(yǎng)需求不同，針對性地對奶牛進行精確飼喂，而實現(xiàn)精細飼喂的關鍵在于精確飼喂設備。西歐各國早在1983年就普遍使用由自動識別器、產(chǎn)奶量記錄器、定量配料器和微處理機組成的自動飼料配給系統(tǒng)。中國目前僅有少數(shù)奶牛場使用奶牛精料自動飼喂系統(tǒng)，但多為進口產(chǎn)品，價格昂貴[2]。而在缺乏精料精確飼喂系統(tǒng)的奶牛養(yǎng)殖場中，精飼料只能依靠人工平均投放。因此，存在著勞動強度大、自動化、智能化程度低、不能根據(jù)奶牛差異實現(xiàn)個體配方飼喂等缺點。隨著養(yǎng)殖規(guī)模的擴大，由人工根據(jù)奶牛個體差異按配方要求實現(xiàn)快速投放精飼料是非常困難的[3]。

針對上述情況，本文介紹了一種基于奶牛個體的自動飼喂系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，可針對個體奶牛的基礎日糧采食量及其產(chǎn)奶量的差異，實現(xiàn)4種精飼料的精準配料、自動混合與投放。此外該系統(tǒng)還具有奶牛飼喂數(shù)據(jù)庫，可在線記錄、查詢奶牛的各項飼喂數(shù)據(jù)。

3 奶牛自動飼喂系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)硬件組成（見圖1）

圖1 硬件系統(tǒng)結構

系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示，該系統(tǒng)主要有奶牛飼喂控制中心、奶牛身份識別系統(tǒng)、自動配料系統(tǒng)、料位檢測系統(tǒng)、門禁機構五部分組成。基于Samsung S3C2440 ARM9處理器和WinCE5.0操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，作為奶牛飼喂控制中心；奶牛身份識別系統(tǒng)采用RFID無線射頻識別技術對奶牛身份進行自動識別；自動配料系統(tǒng)通過四臺步進電機分別驅動四個計量裝置，實現(xiàn)四種精飼料的配料、混合；料位檢測系統(tǒng)實時監(jiān)測料倉內料位狀況，料倉內飼料低于設定位置時及時報警，提示加料；門禁機構根據(jù)當前奶牛是否需要補料適時開閉，并防止正在補料的奶牛受到干擾。

3.2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件是在WinCE5.0操作系統(tǒng)下，應用EVC開發(fā)設計的，具有良好的操作性和人機界面。系統(tǒng)軟件主要由精料排出校準標定、牛只射頻識別解碼、門禁電機正反轉、制動器啟停、料位檢測、精料精準投放、精料補飼數(shù)據(jù)庫管理和數(shù)據(jù)查詢報表等組成。該軟件首先對計量裝置進行精料投放校準標定，當奶?？拷a飼系統(tǒng)的飼喂區(qū)后，無線射頻識別系統(tǒng)的讀卡器讀取奶牛佩帶的身份卡信息，控制軟件解碼身份卡信息實現(xiàn)牛只識別，并從精料補飼數(shù)據(jù)庫中檢索牛只的精料的補料量、補料次數(shù)和補料時間等信息。當奶牛滿足補料條件時，飼喂控制中心向門禁機構發(fā)布指令，打開欄桿，讓奶牛進入圍欄，同時控制中心將根據(jù)精料的補飼量自動計算步進電機的轉動步數(shù)，然后向自動配料系統(tǒng)發(fā)送信號控制步進電機的轉動，實現(xiàn)精料的投放，飼料在下落的過程中相互沖擊，自動混合。待補飼結束，奶牛從圍欄側門走出后，欄桿關閉，開始下一頭奶牛的補料過程?？刂栖浖谘a料的同時，可記錄該牛只的補料量、補料次數(shù)、補料時間等信息，以供數(shù)據(jù)查詢報表等使用[4]。該控制軟件主要程序流程如圖2所示。

圖2 主要程序流程

4 結論與討論

奶牛飼喂設備的研發(fā)要符合精細農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，近20年來，隨著以數(shù)字電子技術、空間技術、遙測遙感技術、計算機及無線網(wǎng)絡技術為代表的數(shù)字技術在農(nóng)業(yè)領域的密集應用，促使先進國家的農(nóng)業(yè)體系在精確監(jiān)控的數(shù)字技術幫助下有了迅猛的發(fā)展[5]。在奶牛生產(chǎn)過程中，利用信息采集技術，獲取奶牛個體信息，然后借助于各種營養(yǎng)需求預測模型制定出體現(xiàn)奶牛個體差異的日糧配方，最后通過自動飼喂系統(tǒng)，實現(xiàn)奶牛的精細飼養(yǎng)，從而大大降低人工飼養(yǎng)的勞動強度。

[1]楊稼.認識奶業(yè)強化奶業(yè)[M].奶業(yè)春秋.北京:中國奶業(yè)出版社,2004.

[2]花俊國,周永亮,花俊治,等.奶牛自動飼喂系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2006,22(2):79-83.

[3]李法德,王中華.奶牛數(shù)字化精準飼養(yǎng)裝置[P].中國,CN200810013818Y.2008-07-09.

[4]Song Zhanhua,Yan Yinfa,Yan Shitao,et al.Design and Experimental Study on Flute-Wheel Concentrate feeding Mechanism for Dairy Cow[C]//Proceedings of Joint International Agricultural Conference.Paper No.14086,2009.

[5]譚春林，坎雜，曾明軍，等.奶牛飼喂技術與設備的現(xiàn)狀分析[J].農(nóng)機化研究,2007,12:240-245.