奶牛個(gè)體采食量測(cè)定儀的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

■吳洪宇 王曉帆 張永根

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030)

奶牛的采食量是指單位時(shí)間內(nèi)奶牛實(shí)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(dòng)物健康和生產(chǎn)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的量化基礎(chǔ)，為調(diào)整奶牛所需能量和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)提供主要依據(jù)[1]。但采食量的計(jì)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(zhǔn)確計(jì)算出奶牛的采食量對(duì)于奶牛養(yǎng)殖和生產(chǎn)具有重要意義。目前對(duì)于奶牛采食量的測(cè)定方法大多數(shù)是基于奶牛群體測(cè)定，對(duì)于奶牛個(gè)體采食量的測(cè)定達(dá)不到理想的測(cè)定效果[3]，因此，對(duì)奶牛個(gè)體采食量測(cè)定儀進(jìn)行研究設(shè)計(jì)顯得十分重要。

本文設(shè)計(jì)了針對(duì)奶牛個(gè)體采食量測(cè)定的儀器，并驗(yàn)證了其測(cè)定的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)大致可以分為個(gè)體識(shí)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(jì)算機(jī)控制，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信。解決了測(cè)定奶牛個(gè)體采食量中奶牛個(gè)體精確識(shí)別、無線稱重和信息無線傳輸?shù)葐栴}，實(shí)現(xiàn)奶牛個(gè)體采食量的準(zhǔn)確測(cè)定。

1 奶牛個(gè)體采食量測(cè)定儀簡(jiǎn)介

根據(jù)奶牛采食習(xí)慣，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)原理設(shè)計(jì)奶牛個(gè)體采食量測(cè)定儀。探索一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的奶牛采食量無線稱重測(cè)定儀，該測(cè)定儀應(yīng)最小限度的影響奶牛采食行為，并能精確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)奶牛個(gè)體采食量的發(fā)生情況。利用基于射頻識(shí)別（RFID）的奶牛身份識(shí)別系統(tǒng)將個(gè)體奶牛進(jìn)行區(qū)分，利用C#,eM?beddedVisualC++4.0語言設(shè)計(jì)出具有采食量測(cè)定、數(shù)據(jù)分析等功能的奶牛采食量測(cè)定儀。

射頻識(shí)別（RFID）是提供將唯一標(biāo)識(shí)和相關(guān)信息結(jié)合到個(gè)體物件的一種方法，并使物件能攜帶信息進(jìn)行流動(dòng)。本研究中的奶牛個(gè)體識(shí)別主要利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)，RFID以無線電通信技術(shù)和大規(guī)模集成電路為核心，利用射頻信號(hào)及其空間耦合、傳輸特性，驅(qū)動(dòng)電子標(biāo)簽電路發(fā)射其存儲(chǔ)的唯一編號(hào)，具有識(shí)別過程非接觸、識(shí)別速度快、準(zhǔn)確率高等諸多優(yōu)點(diǎn)[4]。

2 奶牛個(gè)體采食量測(cè)定儀設(shè)計(jì)

2.1 奶牛個(gè)體采食量測(cè)定儀組成

測(cè)定儀的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，該系統(tǒng)主要由奶牛身份識(shí)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(cè)定中心4部分組成。

圖1 奶牛采食量測(cè)定儀結(jié)構(gòu)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(cè)定中心；奶牛身份識(shí)別系統(tǒng)采用RFID射頻識(shí)別技術(shù)；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(cè)定中心，可實(shí)現(xiàn)當(dāng)前采食量、當(dāng)天進(jìn)食量以及當(dāng)天進(jìn)食次數(shù)的測(cè)定，并可對(duì)個(gè)體及群體數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2.2 RFID的組成

RFID是一種自動(dòng)化識(shí)別技術(shù)，能夠用來為一個(gè)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(biāo)簽（Tag）、閱讀器（Reader）、天線（An?tenna）和主機(jī)組成[5]。

針對(duì)奶牛飼喂工作過程和奶牛采食習(xí)慣，系統(tǒng)采用符合動(dòng)物標(biāo)識(shí)的ISO11785標(biāo)準(zhǔn)低頻（134.2 kHz）近耦合無源無線射頻識(shí)別方案[6]?；赗FID的奶牛個(gè)體識(shí)別系統(tǒng)主要由耳標(biāo)式電子標(biāo)簽和閱讀器兩部分組成。電子標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，具有唯一的電子編碼標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象，奶牛以耳標(biāo)的形式佩戴；閱讀器發(fā)射射頻信號(hào)，同電子標(biāo)簽進(jìn)行近距離通信，分析標(biāo)簽反饋的相關(guān)信息，達(dá)到識(shí)別的目的或交換數(shù)據(jù)[7]，閱讀器安裝在飼喂槽邊緣。當(dāng)奶牛個(gè)體有采食要求并接近飼喂料槽時(shí)，電子標(biāo)簽被閱讀器識(shí)別，其電子編碼被飼喂裝置中的微處理器經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中央處理計(jì)算機(jī)并與數(shù)據(jù)庫中奶牛登記的信息進(jìn)行對(duì)比，從而識(shí)別出當(dāng)前奶牛個(gè)體的信息。奶牛個(gè)體識(shí)別系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 典型RFID系統(tǒng)

圖3 奶牛個(gè)體識(shí)別系統(tǒng)框架

2.3 無線稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)中壓力傳感器工作在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，檢測(cè)顯示器則放置在控制臺(tái)（室）。傳感器一般通過RS-232或RS-485串口與檢測(cè)顯示器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在測(cè)定奶牛個(gè)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(duì)奶牛采食行為的影響，克服了奶牛場(chǎng)糞便污水污染、鼠蟲啃咬等對(duì)電纜造成損壞的缺點(diǎn)；且在牛場(chǎng)布局調(diào)整方面無需改變布線結(jié)構(gòu)。

奶牛個(gè)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(jī)等模塊組成。該部分設(shè)計(jì)是在采食槽底部安裝稱重傳感器（壓力傳感器），當(dāng)奶牛到達(dá)料槽上方，奶牛耳朵上的電子標(biāo)簽被閱讀器識(shí)別時(shí)標(biāo)志該奶牛采食開始，壓力傳感器開始稱重計(jì)數(shù)；當(dāng)奶牛采食完成離開后，標(biāo)志此次采食結(jié)束，壓力傳感器稱重計(jì)數(shù)，兩次稱重之差就是此次奶牛個(gè)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(luò)傳送到中央控制計(jì)算機(jī)。

圖4 奶牛個(gè)體采食量無線稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，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(dòng)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(jī)[10]。主要顯示信息有奶牛ID、采食時(shí)間、采食重量。

2.4 無線數(shù)傳模塊

射頻通信方式主要有藍(lán)牙（bluetooth）技術(shù)、HomeRF、IEE802.11標(biāo)準(zhǔn)、ZigBee技術(shù)等，由于奶牛佩戴的監(jiān)測(cè)設(shè)備要求滿足基本數(shù)據(jù)傳輸性能外還要能在外界長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集且較少更換，這就必須要采用耗能低且價(jià)格低廉的無線傳輸技術(shù)，ZigBee無疑是最好的選擇，這也是本研究選擇ZigBee技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)定位的重要原因[11]。其中藍(lán)牙、IEE802.11以及HomeRF存在通信成本較高，系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)進(jìn)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(chǎng)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(shè)計(jì)

3.1 飼料秤智能監(jiān)控系統(tǒng)

利用C#,eMbeddedVisualC++4.0語言設(shè)計(jì)出具有采食量測(cè)定、數(shù)據(jù)分析等功能的奶牛個(gè)體采食量系統(tǒng)軟件，接受并顯示數(shù)據(jù)采食終端測(cè)定的數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)奶牛采食量測(cè)定儀時(shí)，需要存儲(chǔ)和處理大量的數(shù)據(jù)以獲得奶牛的采食信息，根據(jù)實(shí)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(gòu)成：

3.1.1 最新COW ID編號(hào)：可以顯示該奶牛佩戴耳號(hào)的信息。

3.1.2 時(shí)間屬性包括以下3個(gè)方面：①進(jìn)入時(shí)間；②當(dāng)前時(shí)間；③已進(jìn)食時(shí)間。

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

3.1.3 食量屬性分為以下3個(gè)方面：①當(dāng)前進(jìn)食量；②當(dāng)天進(jìn)食量；③當(dāng)天進(jìn)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(cè)定飼料量的變化可以算出奶牛個(gè)體采食量。飼料進(jìn)入料槽時(shí)，通過壓力傳感器測(cè)定的數(shù)據(jù)傳入電腦，隨著奶牛開始進(jìn)食飼料，可以在此屬性查看奶牛的當(dāng)前進(jìn)食量。當(dāng)天進(jìn)食量可以測(cè)出每頭奶牛在當(dāng)天的采食總量，奶牛每進(jìn)入采食量裝置，閱讀器就會(huì)識(shí)別奶牛所佩戴的耳號(hào)，當(dāng)奶牛進(jìn)食完成離開采食裝置時(shí)，為一次進(jìn)食完成。

3.2 進(jìn)食量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)

3.2.1 個(gè)體統(tǒng)計(jì)

在個(gè)體統(tǒng)計(jì)中，管理員只需要輸入待查詢奶牛的ID，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)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(duì)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(jì)

在界面下方點(diǎn)擊查詢奶牛采食量單日或者跨日查詢，系統(tǒng)會(huì)調(diào)出奶牛采食量在1 d或一段時(shí)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(gè)體射頻識(shí)別性能測(cè)試

個(gè)體識(shí)別是進(jìn)行奶牛個(gè)體采食量測(cè)定的第一步，只有準(zhǔn)確快速的識(shí)別出奶牛個(gè)體，才能對(duì)奶牛個(gè)體的采食量進(jìn)行精確的稱重記錄，奶牛個(gè)體識(shí)別系統(tǒng)采用了RFID識(shí)別技術(shù)，通過射頻讀寫器讀取佩戴在奶牛耳部的電子標(biāo)簽來識(shí)別出奶牛個(gè)體。分析相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)簽和閱讀器組成RFID系統(tǒng)[12]。

4.2 無線稱重性能測(cè)試

對(duì)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(cè)定儀在設(shè)計(jì)時(shí)采用24位A/D轉(zhuǎn)換芯片CS5532，該芯片具有動(dòng)態(tài)范圍寬、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，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(cè)試發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)換后的采樣有效值可達(dá)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(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)通信方式，有助于設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。

5 試驗(yàn)

奶牛采食量測(cè)定儀安裝調(diào)試完成后，首先在室內(nèi)進(jìn)行射頻識(shí)別正確率的試驗(yàn)，隨機(jī)選取10個(gè)射頻識(shí)別卡，每個(gè)識(shí)別卡檢測(cè)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(tái)秤稱量飼料，比較兩者之間的相對(duì)誤差。表1為A、B、C 3頭奶牛在15 d內(nèi)的采食量測(cè)定值，圖5為奶牛采食量相對(duì)誤差隨著奶牛不同的變化情況。從圖5可以看出，其相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)。系統(tǒng)射頻識(shí)別正確率為100%，能夠很好的滿足測(cè)定奶牛采食量的要求，同時(shí)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(cè)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(gè)體采食量測(cè)定儀的研究還是新生事物，對(duì)測(cè)定儀的研究還處于起步階段，要想研制出功能更強(qiáng)、檢測(cè)精度更高、系統(tǒng)更加穩(wěn)定、功耗更低的檢測(cè)儀，還需要解決以下問題：

①精度問題：精度是本檢測(cè)系統(tǒng)最重要的部分，是本檢測(cè)系統(tǒng)研制的關(guān)鍵部分。要設(shè)計(jì)研制出精度更高的檢測(cè)系統(tǒng)，要注意以下兩點(diǎn)：第一，傳感器的選擇。選擇體積越小、檢測(cè)靈敏度越高、容易安裝的傳感器對(duì)本檢測(cè)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(cè)奶牛耳部適當(dāng)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(gè)重要措施，也是將來本研究的一個(gè)重要問題。

②采食量測(cè)定儀的能耗問題：由于測(cè)定儀是220 V電壓供電，這就造成在大牛場(chǎng)使用拖拽電源線不便，因此為了測(cè)定儀的通用性和將來更好的推廣，設(shè)計(jì)低功耗的測(cè)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(gè)體采食量測(cè)定儀作為一種新型的測(cè)定工具，運(yùn)行在內(nèi)嵌式操作系統(tǒng)之上，具有能耗低、功能強(qiáng)、易開發(fā)等特點(diǎn)，通過它可以實(shí)現(xiàn)奶牛個(gè)體采食量的測(cè)定功能，為牧場(chǎng)管理者提供快捷、準(zhǔn)確的奶牛個(gè)體采食量數(shù)據(jù)，采食量測(cè)定儀的射頻識(shí)別正確率為100%，采食量誤差小于5%,能夠滿足測(cè)定奶牛個(gè)體采食量的要求。