種豬生產(chǎn)性能測(cè)定系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與性能測(cè)試

熊本海，蔣林樹(shù)，楊 亮，潘曉花

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種豬生產(chǎn)性能測(cè)定系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與性能測(cè)試

熊本海1，蔣林樹(shù)2，楊 亮1，潘曉花1

（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，北京100193； 2. 北京農(nóng)學(xué)院，奶牛營(yíng)養(yǎng)學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206）

為開(kāi)展種豬生產(chǎn)性能的智能化、自動(dòng)化測(cè)定及開(kāi)展種豬采食行為學(xué)研究，該研究設(shè)計(jì)了一種集自動(dòng)識(shí)別、體質(zhì)量感知、采食行為數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)分析與處理于一體的種豬生產(chǎn)性能智能測(cè)定系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由豬只耳標(biāo)識(shí)別模塊、精準(zhǔn)下料控制模塊、料槽及豬只個(gè)體稱(chēng)質(zhì)量模塊、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通訊模塊及遠(yuǎn)程中央控制模塊組成。系統(tǒng)機(jī)械部分主要包括飼喂站的豎直側(cè)墻、稱(chēng)質(zhì)量平臺(tái)、活動(dòng)擋板、下料機(jī)構(gòu)、料倉(cāng)、控制盒、出料口開(kāi)關(guān)及耳標(biāo)識(shí)讀器等組成。電路控制系統(tǒng)包括微處理器（LPC1766，內(nèi)核為ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器）、RS232讀卡器接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片（預(yù)設(shè)存儲(chǔ)256 KB數(shù)據(jù)）、看門(mén)狗電路、稱(chēng)質(zhì)量電路、外圍驅(qū)動(dòng)電路、JTAG接口電路及穩(wěn)壓電源電路。系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果表明：1）測(cè)量精度如下：飼喂下料沒(méi)有范圍限制，取決于喂料倉(cāng)的儲(chǔ)料狀態(tài)，單次下料量及動(dòng)態(tài)誤差為93±2g；豬只體質(zhì)量秤量程為0～200 kg，計(jì)量精度為10 g，稱(chēng)量動(dòng)態(tài)誤差占豬只體質(zhì)量的0.5%以下，符合測(cè)定需求；2）對(duì)40頭種公豬后裔的生長(zhǎng)肥育豬飼喂測(cè)試結(jié)果表明，在25～60 kg體質(zhì)量范圍內(nèi)，自由采食日均次數(shù)10～12次，日均采食時(shí)間78 min，測(cè)試期間料肉比（FCR）為2.33:1，且生長(zhǎng)規(guī)律符合Gompertz曲線，通過(guò)該模型預(yù)測(cè)的日增質(zhì)量下降的拐點(diǎn)發(fā)生111～117 d之間，對(duì)應(yīng)的拐點(diǎn)體質(zhì)量在63～64 kg范圍內(nèi)。上述實(shí)際觀察及預(yù)測(cè)結(jié)果較好地反映了測(cè)定對(duì)象的生產(chǎn)性能，開(kāi)發(fā)的軟件及硬件系統(tǒng)達(dá)到了種豬生產(chǎn)性能測(cè)定的要求；3）系統(tǒng)下料控制部分，首次采用雨刷電機(jī)取代早期采用的步進(jìn)電機(jī)，不僅成本下降，尤其結(jié)合圓柱式刮板下料機(jī)構(gòu)，降低了單次下料量，改善了下料的精度；4）系統(tǒng)核心芯片采用進(jìn)口器件，電路設(shè)計(jì)采用多重冗余和保護(hù)電路，軟件的編寫(xiě)采用了多重功能驗(yàn)證，并通過(guò)長(zhǎng)期可靠性測(cè)試；軟件和硬件的冗余設(shè)計(jì)，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，消除來(lái)自電源、電機(jī)、電磁波干擾，該測(cè)定系統(tǒng)具有極高的可靠性；測(cè)定的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可長(zhǎng)期保存或升遷，便于數(shù)據(jù)量的積累和開(kāi)展種豬選育的大數(shù)據(jù)挖掘分析。

飼喂；控制系統(tǒng)；模型；種豬；性能測(cè)定；數(shù)據(jù)采集；電子識(shí)別

0 引 言

母豬年生產(chǎn)力（productivity per sow per year，PSY）是指一頭母豬一年可提供斷奶仔豬的數(shù)量[1]，受控于母豬的繁殖周期、初生的仔豬個(gè)數(shù)及初生至斷奶的成活率等[2]。PSY既是母豬最重要的生產(chǎn)力性狀，又是反映一個(gè)國(guó)家、一個(gè)區(qū)域或一個(gè)養(yǎng)豬企業(yè)綜合養(yǎng)豬技術(shù)水平及養(yǎng)豬效益最核心的指標(biāo)。至2015年，農(nóng)業(yè)部畜牧業(yè)司報(bào)道[3]，中國(guó)的PSY提升至17頭，同比增加了6.5%，但與養(yǎng)豬發(fā)達(dá)的丹麥2012的PSY 28.8頭比較[4]，仍存在不小的差距。提高PSY除與精細(xì)化管理提高仔豬的成活率有關(guān)外，種豬自身的遺傳性能的表達(dá)至為關(guān)鍵。為此，長(zhǎng)期開(kāi)展種豬生產(chǎn)性能的測(cè)定，包括繁殖性能及產(chǎn)肉性能的測(cè)定是發(fā)揮優(yōu)秀種豬的遺傳潛力，迅速提高生豬良種化水平的基礎(chǔ)性工作，對(duì)于促進(jìn)種豬分子育種及聯(lián)合育種等技術(shù)的推廣至關(guān)重要[5]。種豬生產(chǎn)性能測(cè)定是指按照種豬生產(chǎn)性能測(cè)定制度，將測(cè)定豬群置于相對(duì)一定的環(huán)境條件和營(yíng)養(yǎng)水平下飼養(yǎng)到目標(biāo)體質(zhì)量時(shí)，對(duì)測(cè)定目標(biāo)進(jìn)行一定參數(shù)的度量[6]，例如，總產(chǎn)仔數(shù)，測(cè)定目標(biāo)體質(zhì)量達(dá)100 kg 所需的日齡以及體質(zhì)量達(dá)100 kg后的背膘參數(shù)等。在測(cè)定過(guò)程中，需要連續(xù)記錄測(cè)定對(duì)象的采食量數(shù)據(jù)及體質(zhì)量變化數(shù)據(jù)。當(dāng)測(cè)定的豬只頭數(shù)較多時(shí)，將是一項(xiàng)十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，為此，前期中國(guó)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了具有不同特點(diǎn)的種豬性能測(cè)定裝置及軟件系統(tǒng)[7-10],而且開(kāi)發(fā)出的測(cè)定設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中不斷完善，較好地將機(jī)電設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)及上位機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)集成起來(lái)，完成數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與分析。進(jìn)一步，徐世軍等[11]將軟件系統(tǒng)與環(huán)境溫、濕度傳感器及豬只體溫自動(dòng)測(cè)定裝置結(jié)合起來(lái)，可研究環(huán)境溫濕度與豬只體表溫度的變化，為新一代種豬測(cè)定系統(tǒng)的開(kāi)展奠定了基礎(chǔ)。但是，上述研發(fā)的系統(tǒng)在精準(zhǔn)喂料控制技術(shù)方面仍存在剩余料，減少過(guò)度下料引起的飼料結(jié)余與不新鮮是種豬性能測(cè)定裝置需要進(jìn)一步改進(jìn)的重點(diǎn)。因此，本研究開(kāi)發(fā)了一種基于種豬采食行為學(xué)特點(diǎn)與物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)相結(jié)合的新一代種豬生產(chǎn)性能測(cè)定智能裝置，將精準(zhǔn)喂料控制過(guò)程前移，最大程度控制剩余飼料量，并在線記錄種豬的采食次數(shù)、采食量與采食時(shí)長(zhǎng)、體質(zhì)量變化，為系統(tǒng)獲得種豬的采食行為與生長(zhǎng)特性提供了智能測(cè)試平臺(tái)。

1 種豬測(cè)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作控制原理

如圖1所示，種豬性能測(cè)定系統(tǒng)是以對(duì)豬只的電子標(biāo)識(shí)為基礎(chǔ)開(kāi)始工作的。電子耳標(biāo)即無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）佩戴在進(jìn)食豬只耳朵上，用于存貯進(jìn)食豬只的身份信息；讀卡器用于通過(guò)射頻的方式讀取佩戴在豬只耳朵上的耳標(biāo)信息；稱(chēng)質(zhì)量裝置用于測(cè)量豬只進(jìn)食質(zhì)量和成長(zhǎng)體質(zhì)量，與控制模塊連接?？刂颇K根據(jù)讀卡器傳輸?shù)男盘?hào)，向下料裝置的電機(jī)發(fā)送打開(kāi)或關(guān)閉的信號(hào)。無(wú)線通訊模塊用于將控制模塊接收的耳標(biāo)信息和控制模塊發(fā)送的控制信息發(fā)送給遠(yuǎn)程控制端，并把遠(yuǎn)程控制端的控制指令傳送給控制模塊。遠(yuǎn)程控制端用于接收無(wú)線通訊模塊傳輸?shù)男畔?，監(jiān)控進(jìn)食豬只的耳標(biāo)信息和進(jìn)食情況，向無(wú)線通訊模塊發(fā)送設(shè)置的豬只進(jìn)食成長(zhǎng)信息。

遠(yuǎn)程控制端由計(jì)算機(jī)控制，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)豬只身份的識(shí)別、稱(chēng)質(zhì)量、下料、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能。計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示豬只編號(hào)、體質(zhì)量、采食次數(shù)、采食量、采食時(shí)間，顯示豬只吃料異常報(bào)警，根據(jù)客戶(hù)要求自動(dòng)生成各種報(bào)表、繪制生長(zhǎng)性能曲線、打印報(bào)表等項(xiàng)功能。

1.2 測(cè)定系統(tǒng)所屬飼喂站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

測(cè)定系統(tǒng)所屬飼喂站的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括料倉(cāng)、控制盒、活動(dòng)擋板、稱(chēng)質(zhì)量平臺(tái)、通道及飼喂器組成。其中對(duì)活動(dòng)擋板的觸動(dòng)是記錄數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。

當(dāng)活動(dòng)擋板3在豬只進(jìn)出時(shí)均會(huì)被觸動(dòng)，在活動(dòng)擋板3上設(shè)置有觸發(fā)裝置，在其發(fā)生大幅度轉(zhuǎn)動(dòng)即有豬只進(jìn)出時(shí)，觸發(fā)裝置將發(fā)送進(jìn)出信號(hào)給控制盒2，控制盒2根據(jù)進(jìn)出信號(hào)記錄豬只的進(jìn)入時(shí)刻及離開(kāi)時(shí)刻，從而獲取豬只的本次進(jìn)食時(shí)間。其次活動(dòng)擋板3可以根據(jù)豬的大小，手動(dòng)調(diào)節(jié)伸縮量，以確保每次只能有一頭豬進(jìn)入通道內(nèi)采食。

圖中2為稱(chēng)體質(zhì)量平臺(tái)或裝置，將其上的體質(zhì)量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)發(fā)送給控制盒42，其工作原理采用電子秤方法：先對(duì)稱(chēng)體質(zhì)量平臺(tái)調(diào)校，以料槽為空時(shí)的體質(zhì)量值為“零”點(diǎn)。其中，稱(chēng)體質(zhì)量平臺(tái)2獲取體質(zhì)量的時(shí)刻包括2個(gè)質(zhì)量：第一體質(zhì)量，豬只進(jìn)入進(jìn)食通道，并獲得豬只狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)的質(zhì)量為豬自身質(zhì)量。特別地，在開(kāi)發(fā)的稱(chēng)質(zhì)量數(shù)據(jù)采集嵌入式系統(tǒng)中，首先識(shí)別進(jìn)入的豬只耳號(hào)，只有在稱(chēng)質(zhì)量平臺(tái)上停留至少1 min后，才對(duì)采集的豬只動(dòng)態(tài)質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。采集數(shù)據(jù)時(shí)間1 min，采集的數(shù)據(jù)記錄大約500條并排序，然后去掉前后各200條記錄，留下中間數(shù)據(jù)大約100條，取它們均值即為每次采集的豬自身質(zhì)量值，也為豬只狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)的質(zhì)量；第二體質(zhì)量，豬只進(jìn)食完畢離開(kāi)進(jìn)食通道后的體質(zhì)量，即此次進(jìn)食后剩余的飼料質(zhì)量。通過(guò)稱(chēng)質(zhì)量平臺(tái)2采集的質(zhì)量數(shù)據(jù)既可通過(guò)自身的裝置顯示在顯示板上，也可直接將本次采集的豬只體質(zhì)量數(shù)據(jù)及本次剩余量數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程控制端即上位機(jī)貯存。因此，將本次的下料量數(shù)據(jù)減去本次剩余量數(shù)據(jù)即為本次采食量實(shí)際數(shù)據(jù)。

特別的，當(dāng)某一豬只進(jìn)食完畢，離開(kāi)進(jìn)食通道后，控制盒42會(huì)記錄此次剩余飼料質(zhì)量，一方面留取該豬只進(jìn)食飼料質(zhì)量的數(shù)據(jù)，另一方面，在下一豬只進(jìn)入進(jìn)食通道后，控制盒42可以根據(jù)上次剩余飼料的質(zhì)量，計(jì)算出下一豬只的體質(zhì)量信息，并且可以在通過(guò)讀卡器6識(shí)別出豬只編號(hào)后，控制出料口開(kāi)關(guān)5補(bǔ)充投放一定量的飼料，使得剩余飼料加上補(bǔ)充飼料的質(zhì)量等于下一豬只的預(yù)估進(jìn)食質(zhì)量，如此即可防止因上一豬只沒(méi)有完全進(jìn)食，導(dǎo)致下一豬只進(jìn)食過(guò)量的問(wèn)題。通過(guò)以上步驟的循環(huán)，即可實(shí)現(xiàn)豬只自動(dòng)投食，自動(dòng)記錄進(jìn)食量，自動(dòng)補(bǔ)充飼料的全自動(dòng)飼喂過(guò)程。

為保證下料的精準(zhǔn)性，本研究的下料電機(jī)采用雨刷電機(jī)[12]，雨刷電機(jī)后端又封閉在同一個(gè)殼體內(nèi)的小型齒輪變速器，使輸出的轉(zhuǎn)速降低至需要的轉(zhuǎn)速，沒(méi)有慣性，從而保證每次下料量的精確。本研究采用型號(hào)為ZD2831的雨刷電機(jī)，工作電壓24 V，功率80 W，實(shí)測(cè)單次下料量93±2 g，且采用圓柱式刮板下料機(jī)構(gòu)，較早期采用的步進(jìn)電機(jī)控制的螺旋式下料更好控制，使得下料的穩(wěn)定性更好。此外，相同功率的雨刷電機(jī)的價(jià)格不到步進(jìn)電機(jī)的1/2～1/3。

遠(yuǎn)程服務(wù)器端或移動(dòng)端在獲取某編號(hào)對(duì)應(yīng)豬只的體質(zhì)量后，即可計(jì)算出該豬只當(dāng)天的額定進(jìn)食量，以及合理的投食次數(shù)。當(dāng)同一豬只多次進(jìn)入本測(cè)定裝置時(shí)，即可按照預(yù)定投食計(jì)劃進(jìn)行投食。如果投食量達(dá)到當(dāng)天的額定進(jìn)食量，則該豬只再次進(jìn)入本裝置時(shí)，不會(huì)進(jìn)行投食，進(jìn)而保證豬只的精確飼喂。

1.3 系統(tǒng)主要控制電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，該測(cè)定系統(tǒng)為機(jī)電高度融合的嵌入控制系統(tǒng)，通過(guò)電路集成控制相應(yīng)的設(shè)備或器件，或記錄采集的數(shù)據(jù)。主要電路包括：1）單片機(jī)，型號(hào)為L(zhǎng)PC1766，是基于第二代ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器[13]，具有高性能、低功耗的特點(diǎn)；2）讀卡器接口，即RS232口，是一種RFID識(shí)別器，用來(lái)讀取不同種豬的ID數(shù)據(jù)；3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片，能夠存儲(chǔ)256KB數(shù)據(jù)，且可擴(kuò)展；4）看門(mén)狗電路，用來(lái)監(jiān)控單片機(jī)的運(yùn)行，防止程序跑飛及死機(jī)現(xiàn)象等；5）稱(chēng)質(zhì)量電路，即24位的AD采集芯片，內(nèi)含4種可編程放大器，帶有雙數(shù)據(jù)通道，且一個(gè)芯片剛好滿(mǎn)足體質(zhì)量數(shù)據(jù)采集和采食量數(shù)據(jù)采集；6）外圍驅(qū)動(dòng)電路，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用N溝道MOS管IRF9540N。主要參數(shù)：最高電壓100 V，最大電流33 A[14]，導(dǎo)通電阻0.4 Ω。7）JTAG接口電路，能夠?qū)⒋a下載到單片機(jī)里面，同時(shí)也可以在線仿真，查看數(shù)據(jù)等；8）穩(wěn)壓電源電路，給整個(gè)電路提供電源。

1.4 性能測(cè)定系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

該系統(tǒng)即為整個(gè)測(cè)定系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)中央控制器接受來(lái)自測(cè)定系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，主要用于管理不同測(cè)定站的地址信息、種豬的標(biāo)識(shí)信息、每次采食量數(shù)據(jù)及體質(zhì)量變化數(shù)據(jù)等，以及對(duì)上述數(shù)據(jù)的分析挖掘與可視化分析。為此，本研究采用.Net的C#語(yǔ)言[15]，基于SQL Server 2005網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)[16]，開(kāi)發(fā)了桌面PC遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。圖4為上位機(jī)控制系統(tǒng)的主要界面。開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)管理、設(shè)備管理、報(bào)表及數(shù)據(jù)信息4大模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)種豬性能測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、飼喂控制與數(shù)據(jù)的在線分析。

1.5 生長(zhǎng)肥育豬生產(chǎn)性能測(cè)定擬采用的預(yù)測(cè)模型

描述生長(zhǎng)肥育豬的生長(zhǎng)模型典型有Logistic方程、Gompertz方程和Chante方程等10多種[17-18]。Gompertz 增長(zhǎng)曲線方程由英國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家和數(shù)學(xué)家Gompertz于1825年提出，該方程的圖形是具有初始值的典型“S”形生長(zhǎng)曲線[19-20], 且該模型預(yù)測(cè)的初始值可以?xún)?yōu)化[21]，因此本研究采用Gompertz方程對(duì)采集的測(cè)試豬的體質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸分析，以檢測(cè)收集的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)是否符合大白豬的生長(zhǎng)規(guī)律。Gompertz方程的模型及參數(shù)意義如下

式中W表示日齡時(shí)體質(zhì)量，kg；表示日齡；,和為模型參數(shù)，通過(guò)觀察數(shù)據(jù)結(jié)合SAS（8.2）中的NLIN過(guò)程獲得[22]。按Gompertz方程的特點(diǎn)，該方程描述生長(zhǎng)曲線的拐點(diǎn)為（ln/,/e），最大日增質(zhì)量為[23]。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能與設(shè)備性能測(cè)試

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能

研制的種豬測(cè)定系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試，能夠測(cè)定豬只個(gè)體生長(zhǎng)過(guò)程的精確數(shù)據(jù)、自動(dòng)生成各種報(bào)表、自動(dòng)繪制生長(zhǎng)性能曲線?；竟δ苡校?）自動(dòng)控制飼喂和測(cè)定過(guò)程，不需要人為干預(yù)；2）自動(dòng)識(shí)別及顯示采食豬只身份信息。本研究采用低頻RFID（無(wú)線視頻識(shí)別），頻率為133 kHz，感應(yīng)耳標(biāo)的距離為15～30 cm；3）自動(dòng)顯示采食豬只開(kāi)始采食時(shí)間、結(jié)束采食時(shí)間和進(jìn)食量；4）自動(dòng)測(cè)定每日的體質(zhì)量，并計(jì)算出日增質(zhì)量；5）自動(dòng)計(jì)算日飼料報(bào)酬；6）自動(dòng)生成日測(cè)定明細(xì)表；7）自動(dòng)生成日測(cè)定統(tǒng)計(jì)表；8）自動(dòng)生成日齡段統(tǒng)計(jì)表；9）自動(dòng)繪制測(cè)定期內(nèi)生長(zhǎng)性能曲線。

豬只稱(chēng)質(zhì)量的最大量程是由采用的重量傳感器決定的。本研究采用德州ADS1232[24]，采集速率有每秒鐘10次和80次2種選擇，計(jì)量精度為10 g，稱(chēng)量范圍為10 g～200 kg，具有精度高、范圍大的特點(diǎn)，可完全滿(mǎn)足豬只個(gè)體的稱(chēng)量需求。本系統(tǒng)顯示刷新時(shí)間為0.5 s，經(jīng)反復(fù)測(cè)試，稱(chēng)質(zhì)量系統(tǒng)相對(duì)豬只體質(zhì)量的動(dòng)態(tài)誤差在0.5%以下，符合測(cè)定的最低需求。

2.2 系統(tǒng)的性能測(cè)試試驗(yàn)與結(jié)果分析

按“1”部分所示測(cè)定系統(tǒng)的研究方案（飼喂裝置+計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)）在河南南商農(nóng)牧科技有限公司進(jìn)行了生產(chǎn)與調(diào)試，4臺(tái)試制的設(shè)備在河南南陽(yáng)牧源種豬場(chǎng)第7生產(chǎn)車(chē)間進(jìn)行了設(shè)備及計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的初步測(cè)試試驗(yàn)。按種豬性能測(cè)定的經(jīng)驗(yàn)要求[25-26]，本試驗(yàn)主要通過(guò)種公豬后裔的肥育性能測(cè)定，檢驗(yàn)研發(fā)的設(shè)備是否符合種豬性能測(cè)定的要求。受測(cè)豬來(lái)自該豬場(chǎng)主要的大白豬品系，對(duì)種公豬肥育性能的測(cè)定用10頭后裔的平均成績(jī)來(lái)表示。受測(cè)的后裔豬個(gè)體進(jìn)入測(cè)定舍后，進(jìn)行觀察、檢疫與預(yù)飼，到體質(zhì)量(25±1.0)kg左右開(kāi)始正式測(cè)定，于體質(zhì)量(60±1.0)kg結(jié)束。試驗(yàn)期間，對(duì)豬舍環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)控制，溫度控制在18～27 ℃之間，以盡量消除環(huán)境對(duì)采食量的影響。按每套裝置分別測(cè)定10頭后裔（閹割的公豬混群），40頭生長(zhǎng)豬隨機(jī)分為4組開(kāi)展生長(zhǎng)肥育性能測(cè)試，取得主要的采食行為及肥育性能指標(biāo)如表1所示。

表1 種豬后裔個(gè)體肥育性能測(cè)試

注：同列不同小寫(xiě)字母代表差異顯著(<0.05)。

Note: Different lowercase in the same column mean significant difference (<0.05).

如表1所示，測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)飼喂裝置反映的采食行為，不同設(shè)備間飼喂的后裔個(gè)體的平均采食次數(shù)差異不顯著（>0.05），且自由采食次數(shù)在10～12次之間，與蒲紅州等[27-28]研究報(bào)道的不同濕熱指數(shù)（THI）下，當(dāng)THI<75時(shí)的自由采食次數(shù)規(guī)律基本一致，但低于當(dāng)THI>75的采食次數(shù)。但是，兩者都高于羅鳳珍等[29]的測(cè)定的生長(zhǎng)肥育母豬平均自由采食9.5次，可能與飼喂的模式與測(cè)定對(duì)象的分群有關(guān)。其次，就測(cè)定的4組豬的料肉比（FCR）的數(shù)據(jù)看來(lái)，在本試驗(yàn)體質(zhì)量25～60 kg范圍內(nèi)，盡管不同設(shè)備組的FCR具有一定的差異性，但設(shè)備1和設(shè)備3，設(shè)備2和設(shè)備4差異不顯著（>0.05），且總體的平均FCR=2.33，略高于羅鳳珍等[29]測(cè)定的2.18水平，可能與FCR受控的因素較為復(fù)雜有關(guān)，例如，飼喂方式或飼喂日糧中能量及蛋白質(zhì)水平等造成的。一般而言，日糧能量濃度越高，F(xiàn)CR隨之下降。盡管如此，記錄的數(shù)據(jù)基本反映了大白豬后裔的生長(zhǎng)性能。第三，平均采食時(shí)間也是一個(gè)重要的采食行為指標(biāo)，自由采食的時(shí)間越短，就意味著豬只采食效率高，用于自由活動(dòng)、躺臥休息與排泄行為的時(shí)間就越長(zhǎng)，有益于豬只健康與生長(zhǎng)。本試驗(yàn)測(cè)定的不同設(shè)備組的采食時(shí)間的差異顯著（<0.05），設(shè)備3組的平均采食時(shí)間明顯高于其他3組，經(jīng)查與試驗(yàn)中設(shè)備3的下料機(jī)構(gòu)出現(xiàn)幾次問(wèn)題有一定關(guān)系。本觀察試驗(yàn)采食的平均時(shí)間總體上在70～90 min之間，總體平均為78 min，高于蒲紅州等[27]報(bào)道不同濕熱環(huán)境下肥育豬的自由采食時(shí)間50～70 min，但后者報(bào)道的采食時(shí)間的變異明顯高于本試驗(yàn)結(jié)果。此外，與羅鳳珍等[29]報(bào)道的平均采食87 min比較更相近，總體上介于蒲紅州和羅鳳珍報(bào)道的數(shù)據(jù)之間。

通過(guò)對(duì)研究設(shè)備開(kāi)展性能測(cè)試所提供的生長(zhǎng)肥育豬的采食行為數(shù)據(jù)即平均采食次數(shù)、平均采食時(shí)長(zhǎng)及試驗(yàn)期間的豬飼料轉(zhuǎn)化效率數(shù)據(jù)分析，可以看出，上述數(shù)據(jù)較好反映了豬的采食行為及生產(chǎn)性能，表明研究的設(shè)備測(cè)試種公豬或種母豬的生產(chǎn)性能是可行的。

2.3 測(cè)試獲得的生長(zhǎng)肥育豬的采食量及生長(zhǎng)曲線

按公式（1）模型，對(duì)4組試驗(yàn)肥育豬的體質(zhì)量數(shù)據(jù)（）與日齡數(shù)據(jù)進(jìn)行NLIN回歸，得到4組后裔豬的生長(zhǎng)曲線模型及模型揭示的生長(zhǎng)特性參數(shù)即拐點(diǎn)與最大日增質(zhì)量，模型及參數(shù)一并列在表2中。

表2 測(cè)定的生長(zhǎng)肥育豬的Gompertz模型及參數(shù)

注：W為日齡時(shí)豬體質(zhì)量，表示日齡。

Note:is the weight of pig in theday,means day old.

表2所示生長(zhǎng)模型及其特性參數(shù)，反映了后裔豬的生長(zhǎng)特性具有規(guī)律性。盡管曲線擬合的體質(zhì)量范圍在25～60 kg之間，但通過(guò)模型參數(shù)揭示出的生長(zhǎng)曲線的拐點(diǎn)發(fā)生在日齡111～116 d之間，體質(zhì)量在63～64 kg，延伸了體質(zhì)量范圍。預(yù)測(cè)的結(jié)果與肖煒等[23]報(bào)道的結(jié)果相近，但與后者用其他生長(zhǎng)模型預(yù)測(cè)的拐點(diǎn)與最大日增質(zhì)量數(shù)據(jù)差異較大，可能與選用的模型不同有關(guān)。其次，本研究通過(guò)模型預(yù)測(cè)的平均最大日增質(zhì)量0.782 kg/d，與肖煒等報(bào)道的數(shù)據(jù)都明顯低于李慶崗等[30]報(bào)道的大白豬公及母的數(shù)據(jù)，但是明顯高于許棟等[31]報(bào)道梅山母豬的數(shù)據(jù)，可能與不同品系、不同試驗(yàn)日糧的能量及蛋白水平相關(guān)。

總之，用本研究獲得的種豬性能測(cè)定系統(tǒng)可以較好地用于種豬的生產(chǎn)性能的測(cè)定。尤其在單次下料量上，由于采用了由雨刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的、結(jié)合圓柱式刮板下料機(jī)構(gòu)，單次下料量可以降低到93 g左右，略低于陳君梅等[9]研制的類(lèi)似設(shè)備（100 g），且下料誤差可控制在±2 g，也好于后者±5 g的精度。此外在對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的挖掘分析上由于采用模型嵌入的智能模式，也有明顯的改進(jìn)。

3 結(jié)　論

1）本研究開(kāi)發(fā)的種豬性能測(cè)定系統(tǒng)屬于機(jī)電信一體化的智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)集成了電子標(biāo)識(shí)、雨刷電機(jī)、圓柱式刮板下料機(jī)構(gòu)、傳感器計(jì)量、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與傳輸于一體的機(jī)電控制物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，融入嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，無(wú)需人為干預(yù)，具有智能化。

2）開(kāi)發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的測(cè)量精度符合種豬性能測(cè)定的要求：在飼喂控制參數(shù)方面，單次下料量及精度為(93±2)g，投料的總量沒(méi)有限制，按需供料；豬只體質(zhì)量秤量程0～200 kg，稱(chēng)量動(dòng)態(tài)精度占測(cè)定豬只體質(zhì)量的0.5%以下。

3）對(duì)種公豬后裔的生長(zhǎng)肥育豬飼喂測(cè)試，在25～60 kg體質(zhì)量范圍內(nèi)，自由采食日均次數(shù)10～12次，日均采食時(shí)間78min, FCR=2.33:1，生長(zhǎng)規(guī)律符合Gompertz曲線，日增質(zhì)量下降的拐點(diǎn)發(fā)生111～117 d之間，對(duì)應(yīng)體質(zhì)量在63～64 kg之間。上述結(jié)果表明開(kāi)發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)較好地反映了測(cè)定對(duì)象的生產(chǎn)性能，開(kāi)發(fā)的軟件及硬件系統(tǒng)達(dá)到了種豬生產(chǎn)性能測(cè)定的要求。

4）系統(tǒng)核心芯片采用進(jìn)口器件，電路設(shè)計(jì)采用多重冗余和保護(hù)電路，軟件的編寫(xiě)采用了多重功能驗(yàn)證，并通過(guò)了長(zhǎng)期可靠性測(cè)試。測(cè)定的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可長(zhǎng)期保存或升遷，便于數(shù)據(jù)量的積累和開(kāi)展大數(shù)據(jù)的挖掘分析。

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Design and performance testing of production performance determination system for boar

Xiong Benhai1, Jiang Linshu2, Yang Liang1, Pan Xiaohua1

(1.,100193,; 2.;,102206,)

In order to monitor feeding behavior of sows and further attain the sow’s precise feeding, an intelligent production performance testing system was designed in this study, which played functions in sows’ automatic identification, body weight perception, automatic feeding data acquisition and data analysis simultaneously. The system was composed of electric ear tag identification module, precise feed flow control module, feed trough and boar weighing module, data communication and remote control module. The mechanical device system was constituted of feeding bin, brackets, railing and blocking apron. The mechanical device system was constituted of feeder’s vertical wall, weighting platform, flapper, feed loading device, feed bin, control box, switch of discharge and ear tag recognizer. Electronic control systems included microprocessor (LPC1766, ARM Cortex-M3, Working temperature -40-105℃, Operating voltage 2.0-3.6 V, flash 256 K, low power consumption et al.), RS232 reader port, data storage chip (the default storage capacity is 256 KB), circuit of watchdog, weighing circuit, exterior-drivers circuit, JTAG connector circuit and stabilivolt source circuit. Among above, the sensor used for pigs weighing was Delux ADS1232 which had 2 rate options, 10 times per second and 80 times per second, with high precision and large range of features. The performance testing experiment revealed that: 1) the system’s precision meets the monitoring requirement of sow production performance. The discharge rate of feeder depended on the level of feed in stock bin, and the average amount of unloading feed was 93±2 g at one time; the range of pig weighing was 0-200 kg with the precision error below 10 g, and the dynamic weighing error was below 0.5% of pig’s weight. 2) The feeding behavior monitor for 40 gilts (25-60 kg) showed that the frequency of free feed intake was 10-12 times per day, the average feed time was 78 min, the feed conversion ratio was 2.33:1, and their weight gain was converged to the Gompertz curves (e.g.W=172.1exp(-4.0187exp(-0.0122*)),Wmeans body weight, kg;means day old, day), the predicted decreasing daily weight gain of growing pigs by Gompertz curve occurred at day 111-117, with corresponding inflection point weight in the range of 63-64 kg. The observed and predicted results above could precisely determine the growth performance, indicating that the software systems and hardware devices could satisfy the requirement of growth performance determination in sows. 3) The wiper motor rather than early stepping motor was used in feed discharging control system, which reduced the cost of production. In addition, the combined wiper motor with cylindrical scraper structure decreased the discharge rate of feeder and improved the precision of unloading control system. 4) The core chip in control system was imported, multi-redundant, and protection systems were applied in circuit design. Multiply functional verification was adopted in software writing. The redundancy design in software and hardware eliminated the interference of power, electrical machine and electromagnetic wave, and improved the systems’ reliability and stability. 5) The collected data could be saved or transferred, which facilitates the accumulation of pig production, data mining and sow breeding.

feeding; control systems; models; boar; performance measurement; data collection; electronic identification

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.022

S817.3

A

1002-6819(2017)-09-0174-06

2016-09-05

2017-04-26

國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)課題（2016YFD0700205, 2016YFD0700201及北京市重大計(jì)劃項(xiàng)目所屬課題（D171100000417002）。

熊本海，男，湖北紅安人，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閯?dòng)物營(yíng)養(yǎng)與信息技術(shù)。北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，100193。Email：Xiongbenhai@caas.cn

熊本海，蔣林樹(shù)，楊 亮，潘曉花. 種豬生產(chǎn)性能測(cè)定系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與性能測(cè)試[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(9)：174－179. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.022 http://www.tcsae.org

Xiong Benhai, Jiang Linshu, Yang Liang, Pan Xiaohua. Design and performance testing of production performance determination system for boar[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 174－179. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.022 http://www.tcsae.org