保育幼豬生長(zhǎng)性能測(cè)定系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

豆 姣，王開(kāi)云，耿 瑋，周昆樂(lè)，羅土玉

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.廣東廣興牧業(yè)機(jī)械設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510520）

0 引言

生豬育種作為生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)鏈的重要一環(huán)，是產(chǎn)業(yè)鏈中專業(yè)化程度最高、耗時(shí)最長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)效益最持久的工作，因此需要大量的資本投入。我國(guó)生豬育種行業(yè)起步較晚、發(fā)展相對(duì)落后。國(guó)內(nèi)核心育種場(chǎng)規(guī)模小，專業(yè)化程度不高。場(chǎng)內(nèi)沒(méi)有大規(guī)模地開(kāi)展規(guī)范細(xì)致的生長(zhǎng)性能測(cè)定，數(shù)據(jù)積累不夠[1-3]。

生長(zhǎng)性能測(cè)定是將測(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，在測(cè)定過(guò)程中，需要連續(xù)記錄測(cè)定對(duì)象的采食量和體重變化數(shù)據(jù)[4]。當(dāng)測(cè)定的豬只頭數(shù)較多時(shí)，人工測(cè)定的準(zhǔn)確度難以保證。因此，智能化生長(zhǎng)性能測(cè)定系統(tǒng)成為獲取大群體生長(zhǎng)性能數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

生長(zhǎng)性能測(cè)定是選育優(yōu)良種豬最基本的手段，是針對(duì)種豬飼養(yǎng)生長(zhǎng)發(fā)育和飼料轉(zhuǎn)化效率的有效測(cè)定。美國(guó)、荷蘭、丹麥等養(yǎng)豬發(fā)達(dá)國(guó)家很早就重視優(yōu)良品種的選擇和培育，丹麥建立了全球第一個(gè)種豬性能測(cè)定站和測(cè)定方案。美國(guó)奧飼本工業(yè)公司研究開(kāi)發(fā)了FIRE 全自動(dòng)種豬性能測(cè)定系統(tǒng)（Feed Intake Recording Equipment），利用RFID 電子耳牌的識(shí)別技術(shù)，能從一個(gè)群體中識(shí)別出每個(gè)個(gè)體，并對(duì)個(gè)體進(jìn)行測(cè)定和記錄，記錄豬采食量和每天體重?cái)?shù)據(jù)，用于種豬的遺傳評(píng)估或跟蹤豬的生長(zhǎng)性能從而進(jìn)行飼料、藥物、疫苗的篩選[5]。荷蘭睿保樂(lè)公司開(kāi)發(fā)的種豬性能測(cè)定系統(tǒng)（Nedap PPT），可以精準(zhǔn)可靠地測(cè)定和記錄種豬性能指標(biāo)，并具有獨(dú)特功能，即允許用戶基于豬只日常性能對(duì)個(gè)體豬只和各豬群進(jìn)行排序，用于飼料配方試驗(yàn)、育種選育，或者有關(guān)飼料配比的深度營(yíng)養(yǎng)研究[6]。種豬性能測(cè)定系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)種豬群的遺傳改良具有重要作用，加快了世界優(yōu)良品種的種豬培育速度。

中國(guó)生豬育種技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家存在較大的差距，大型養(yǎng)豬企業(yè)受即時(shí)效益觀念的影響，普遍存在國(guó)外種豬依賴性高，重引進(jìn)、輕選育的情況。但國(guó)外引種易陷入“引種—退化—引種”的惡性循環(huán)，導(dǎo)致種豬的飼養(yǎng)與生產(chǎn)成本增加[7]。為此，國(guó)內(nèi)亟需進(jìn)行生豬育種工作，培育出自己的優(yōu)良種豬。科研工作者針對(duì)國(guó)內(nèi)養(yǎng)豬業(yè)和育種技術(shù)的實(shí)際情況，開(kāi)展了種豬性能測(cè)定系統(tǒng)的研究。重慶理工大學(xué)徐世軍等[8]將豬生產(chǎn)性能測(cè)定系統(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)，不僅能收集豬生產(chǎn)性能相關(guān)數(shù)據(jù)，還能研究豬體表溫度的變化。廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所黃瑞森等[9-11]結(jié)合國(guó)內(nèi)養(yǎng)豬業(yè)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了9ZC-170 智能型種豬測(cè)定系統(tǒng)，填補(bǔ)了該領(lǐng)域空白。該系統(tǒng)能24 h 不間斷地記錄群體飼養(yǎng)條件下每只種豬的電子身份、自由采食量、采食時(shí)間及其體重信息，為種豬的遺傳選育提供數(shù)據(jù)依據(jù)。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所熊本海等[12]開(kāi)展了種豬采食行為學(xué)和生產(chǎn)性能智能化測(cè)定研究，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)采集、數(shù)據(jù)分析與處理于一體的智能種豬生產(chǎn)性能測(cè)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)測(cè)定的數(shù)據(jù)可長(zhǎng)期保存或升遷，便于數(shù)據(jù)量的積累和大數(shù)據(jù)挖掘分析。

現(xiàn)有的種豬生長(zhǎng)性能測(cè)定系統(tǒng)以生長(zhǎng)育肥階段為基礎(chǔ)，主要針對(duì)30～100 kg 階段的育肥豬進(jìn)行測(cè)定。保育階段的幼豬斷奶后失去與母豬共同生活的環(huán)境，飼料類型和環(huán)境均發(fā)生改變，對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育是很大的應(yīng)激，這一階段的豬體質(zhì)虛弱，很容易掉膘，保育階段幼豬的飼養(yǎng)管理也十分關(guān)鍵，對(duì)其開(kāi)展采食行為與生長(zhǎng)特性研究至關(guān)重要。本文以保育期的幼豬為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種適用于6～30 kg 階段的幼豬生長(zhǎng)性能測(cè)定系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及工作流程

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

幼豬生長(zhǎng)性能測(cè)定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)上由一臺(tái)終端計(jì)算機(jī)及多個(gè)測(cè)定站組成，如圖1 所示。測(cè)定系統(tǒng)以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和通信技術(shù)為核心，把RFID 識(shí)別、計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程通訊和數(shù)據(jù)庫(kù)管理等技術(shù)與測(cè)定指標(biāo)有機(jī)結(jié)合起來(lái)。測(cè)定站主要具有身份識(shí)別、飼料稱重和體重稱重的功能，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由控制器、RFID 識(shí)別裝置、自動(dòng)下料裝置、限位護(hù)欄裝置、飼喂食槽、稱重傳感器等組成。測(cè)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和性能指標(biāo)如表1所示，系統(tǒng)能夠在群體飼養(yǎng)情況下為豬只自動(dòng)定量供給飼料，并完成豬只身份的自動(dòng)識(shí)別、采食量和體重的自動(dòng)稱量及數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄、存儲(chǔ)，主控機(jī)根據(jù)上傳的原始數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，處理輸出豬生長(zhǎng)性能測(cè)定報(bào)告，可應(yīng)用于種豬選育、新品種生長(zhǎng)性能測(cè)定、精準(zhǔn)飼料配方的分析試驗(yàn)。

圖1 幼豬生長(zhǎng)性能測(cè)定系統(tǒng)

圖2 測(cè)定系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)和性能指標(biāo)

2.2 工作流程

幼豬生長(zhǎng)測(cè)定系統(tǒng)利用RFID 射頻無(wú)源電子耳標(biāo)的識(shí)別技術(shù)，能從群體中識(shí)別出個(gè)體的身份，并對(duì)采食行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)定和記錄。測(cè)定系統(tǒng)每個(gè)測(cè)定欄安裝1 臺(tái)測(cè)定站，每個(gè)測(cè)定站可以飼養(yǎng)8～15 頭測(cè)定幼豬，測(cè)定站需要的飼料由自動(dòng)送料系統(tǒng)供給。系統(tǒng)的工作流程如圖3 所示，通過(guò)設(shè)定食槽內(nèi)最小余量，以滿足測(cè)定豬的日采食量。當(dāng)佩帶電子耳標(biāo)的幼豬進(jìn)入測(cè)定站采食時(shí)，測(cè)定站可以識(shí)別、記錄測(cè)定豬的耳標(biāo)號(hào)，測(cè)量豬采食時(shí)的體重值，并記錄測(cè)定豬進(jìn)入/退出測(cè)定站的時(shí)間和測(cè)定豬進(jìn)入前/退出后食槽的重量，其中食槽的重量差即為測(cè)定豬此次的采食量。在采食過(guò)程中，若食槽的剩余飼料低于設(shè)定的最小余量，系統(tǒng)將按投料設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)料；采食結(jié)束后，稱取食槽的重量，此次的采食量為食槽的重量差與投料標(biāo)準(zhǔn)值之和。由于自由采食的緣故，斷奶后保育階段的幼豬日采食次數(shù)約為10～12 次[13]。測(cè)定系統(tǒng)將每頭豬每次的采食量自動(dòng)累加即為每天的采食量記錄，并從當(dāng)日測(cè)定的體重值中取中間值作為測(cè)定豬當(dāng)天的體重，以此作為計(jì)算日增重和飼料報(bào)酬的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，生成整個(gè)測(cè)定期間的日增重和料肉比等測(cè)定數(shù)據(jù)，為幼豬生長(zhǎng)性能評(píng)估和種豬的早期選育提供科學(xué)依據(jù)。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

幼豬生長(zhǎng)測(cè)定控制系統(tǒng)由主控制器模塊和RFID模塊、食槽稱重模塊、體重稱量模塊、下料電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊6 個(gè)功能模塊組成，核心為主控模塊，全面負(fù)責(zé)功能模塊的調(diào)用，對(duì)系統(tǒng)全部運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行管理，如圖4 所示。RFID 模塊通過(guò)射頻的方式讀取佩戴在豬只耳標(biāo)信息；食槽稱重模塊用于稱取食槽內(nèi)飼料的重量，根據(jù)料重加減確定幼豬采食量；體重稱量模塊用于稱量測(cè)定幼豬每次采食時(shí)的體重值；下料電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于食槽內(nèi)剩余飼料低于設(shè)定值時(shí)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)料；主控模塊接收食槽需要補(bǔ)料的信號(hào)，向下料裝置的電機(jī)發(fā)送打開(kāi)或關(guān)閉的信號(hào)；網(wǎng)絡(luò)通訊模塊用于將主控模塊接收的耳標(biāo)信息和主控模塊發(fā)送的控制信息發(fā)送到終端控制端，終端控制端用于監(jiān)控進(jìn)食豬只的耳標(biāo)信息和進(jìn)食情況，并向通訊模塊發(fā)送設(shè)置的豬只進(jìn)食成長(zhǎng)信息；終端控制端由計(jì)算機(jī)控制，計(jì)算機(jī)能夠?qū)崟r(shí)顯示豬只編號(hào)、體重、采食量、采食次數(shù)、采食時(shí)間及異常事件早期預(yù)警，并根據(jù)客戶要求繪制生長(zhǎng)性能曲線、自動(dòng)生成各種報(bào)表等功能。

圖4 主控流程圖

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)幼豬自由采食狀態(tài)下生長(zhǎng)性能精確和高效的測(cè)定，幼豬生長(zhǎng)性能測(cè)定系統(tǒng)的關(guān)鍵部件主要是飼料供給裝置、料重稱量裝置、單體限位裝置和體重稱量裝置。其中飼料供給及料重稱量裝置的功能是下料、飼喂和料重采集，單體限位及體重稱量裝置是用于豬體限位和稱量體重。

3.1 飼料供給及料重稱量裝置

如圖5 所示，飼料供給及料重稱量裝置由料桶、下料機(jī)構(gòu)、食槽、稱重傳感器、RFID 識(shí)別機(jī)構(gòu)、支撐框體組成。下料機(jī)構(gòu)與豬舍內(nèi)自動(dòng)送料系統(tǒng)連接，采用撥料盤式下料，可以自動(dòng)計(jì)量和精確供給飼料，當(dāng)食槽內(nèi)剩余飼料低于設(shè)定值時(shí)進(jìn)行，系統(tǒng)將進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)料。RFID 識(shí)別機(jī)構(gòu)安裝在飼喂食槽側(cè)面，當(dāng)佩戴電子耳標(biāo)的幼豬進(jìn)入測(cè)定站采食時(shí)，可以自動(dòng)識(shí)別個(gè)體身份，實(shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)飼養(yǎng)環(huán)境下無(wú)應(yīng)激的豬只個(gè)體自動(dòng)識(shí)別。稱重傳感器固定在支撐框體上，另一端連接食槽底部，用于計(jì)量食槽中飼料的重量，從而獲取豬的采食量信息。食槽處于無(wú)稱量障礙狀態(tài)，與支撐框體底部無(wú)機(jī)械粘結(jié)，可以準(zhǔn)確地測(cè)出食槽內(nèi)飼料重量。當(dāng)測(cè)定幼豬進(jìn)入測(cè)定站采食時(shí)，稱重傳感器自動(dòng)計(jì)量重量信息，并把該重量信息經(jīng)信號(hào)處理裝置放大和轉(zhuǎn)換后傳送到主控制器，當(dāng)測(cè)定幼豬離開(kāi)飼養(yǎng)測(cè)定站后，傳感器再次計(jì)量和傳送食槽內(nèi)飼料的重量信息，幼豬進(jìn)入前及退出后料重之差定為該次的采食量。

圖5 飼料供給及料重稱量裝置

3.2 單體限位及體重稱量裝置

如圖6 所示，單體限位及體重稱量裝置主要由限位護(hù)欄板、站臺(tái)、稱重傳感器、支撐框體等組成。工作時(shí)，測(cè)定站一端連接在保育舍出口處，支撐框體、限位護(hù)欄板和站臺(tái)構(gòu)成了獨(dú)立的采食空間，保證僅有1 頭幼豬進(jìn)入，避免產(chǎn)生采食干擾，影響體重測(cè)量精度。根據(jù)保育豬體尺的變化，2 塊護(hù)欄板之間的寬度可以通過(guò)限位螺桿進(jìn)行調(diào)節(jié)，站臺(tái)與支撐框體底部設(shè)置3～4 個(gè)稱重傳感器進(jìn)行豬只體重的稱量。

圖6 單體限位及體重稱量裝置

4 試驗(yàn)與討論

幼豬生長(zhǎng)測(cè)定系統(tǒng)由廣東廣興牧業(yè)機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)電子耳標(biāo)識(shí)別率、稱量準(zhǔn)確性和下料正確率3 個(gè)主要性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，以此來(lái)判斷系統(tǒng)是否符合設(shè)計(jì)要求。

4.1 電子耳標(biāo)識(shí)別測(cè)試

電子耳標(biāo)的準(zhǔn)確獲取是生長(zhǎng)測(cè)定系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)幼豬采食量和體重情況的首要條件，可有效避免豬只進(jìn)行了采食，系統(tǒng)卻不能獲取豬只身份，導(dǎo)致記錄數(shù)據(jù)缺失的現(xiàn)象發(fā)生。本研究隨機(jī)選取100 個(gè)電子耳標(biāo)放置在幼豬站立框內(nèi)進(jìn)行識(shí)別，顯示屏上有電子耳標(biāo)顯示則表示讀取成功，反之則失敗，重復(fù)進(jìn)行3 次。測(cè)試情況如表2 所示，統(tǒng)計(jì)得出電子耳標(biāo)識(shí)別率為100%。

表2 電子耳標(biāo)識(shí)別測(cè)試情況

4.2 稱量精度測(cè)試

保證采食量計(jì)量準(zhǔn)確度和體重測(cè)量準(zhǔn)確性，是實(shí)現(xiàn)幼豬生長(zhǎng)性能測(cè)定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本研究采用在食槽內(nèi)放置100～800 g 不同質(zhì)量的砝碼，依次記錄裝置顯示值，根據(jù)式（1）計(jì)算飼料稱量精度，即采食量精度，試驗(yàn)重復(fù)3 次，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3 所示，取最大絕對(duì)值得出采食量稱量精度為±5 g。相同測(cè)試方法得出體重測(cè)量誤差為±100 g。

表3 飼料稱量測(cè)試情況 單位：g

式中 ：

Mmax——飼料稱量精度，g；

Fi——為每次放置的砝碼質(zhì)量，g；

Si——為裝置顯示值，g。

4.3 下料正確率測(cè)試

下料正確率是指當(dāng)食槽內(nèi)飼料低于設(shè)定的最小余量時(shí)，自動(dòng)下料裝置能否及時(shí)投料的情況。試驗(yàn)分別設(shè)定4 組食槽內(nèi)最小余量（50、100、150、200 g），各重復(fù)進(jìn)行15 次，投料正確率按式（2）計(jì)算得到，統(tǒng)計(jì)情況如表4 所示，計(jì)算得出當(dāng)食槽內(nèi)飼料量低于最小余量時(shí)，自動(dòng)投料裝置能及時(shí)投料，正確率達(dá)到100%。

式中：

G——投料正確率，%；

Gi——及時(shí)投料的次數(shù)。

該幼豬生長(zhǎng)性能測(cè)定系統(tǒng)已對(duì)外推廣銷售20 余臺(tái)，用戶應(yīng)用情況良好，圖7 是某育種公司的現(xiàn)場(chǎng)使用情況。系統(tǒng)能夠在群養(yǎng)自由采食的情況下自動(dòng)記錄每頭豬的體重、采食量、采食次數(shù)及采食時(shí)間，以此作為統(tǒng)計(jì)日增重和飼料報(bào)酬的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖7 幼豬生長(zhǎng)性能測(cè)定系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)使用情況

5 結(jié)語(yǔ)

本文以保育幼豬為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種適用于6～30 kg 階段幼豬的生長(zhǎng)性能測(cè)定系統(tǒng)。該測(cè)定系統(tǒng)擴(kuò)大了豬只生長(zhǎng)性能測(cè)定范圍，能夠在幼齡時(shí)期反映每頭豬的生產(chǎn)水平，及時(shí)淘汰相對(duì)較差的豬只，加快種豬遺傳育種的進(jìn)程。測(cè)定系統(tǒng)還可應(yīng)用于畜禽飼料研發(fā)公司，為其提供早期保育幼豬的生長(zhǎng)性能資料，以開(kāi)展精準(zhǔn)飼料配方的分析實(shí)驗(yàn)，提高飼料轉(zhuǎn)化效率，從而為養(yǎng)殖場(chǎng)提供最佳飼養(yǎng)方案，降低飼養(yǎng)成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。