基于專家系統的智能化飼喂系統的設計

摘要 為了提高母豬飼養現代化管理水平，實現母豬飼養自動化控制和管理，設計一種基于專家系統的智能化飼喂系統，該系統以AT89S52單片機為核心處理器，采用了射頻技術、信息采集、總線拓撲結構、專家系統等技術。介紹系統中主要模塊的設計原理，并詳細的介紹專家系統中知識庫的建立方式、推理機的原理、控制算法的設計。經過現場調試，測試結果滿足項目控制指標，實現母豬的精確化飼養。

關鍵詞 飼喂系統;專家系統;模糊推理;智能控制

中圖分類號 S818.9 "文獻標識碼

A "文章編號 0517-6611（2014）32-11593-04

The Design of Intelligent Feeding System Based on the Expert System

ZHANG Liang， XIE Fuqiang， ZHAO Yuhong et al （College of Electric Engineering， University of South China， Hengyang， Hunan 421001）

Abstract "In order to improve modern management level of the sow breeding and carry out the aquaculture automatic control and management， it designed a intelligent sow feeding system based on expert system， the system put the AT89S52MCU as the core and adopt some technology about radio frequency technology， information collection， bus topology technology， expert system. This paper introduces the principle of each subsystem and expert system about the way of establishment of a knowledge base， the principle of reasoning machine， the design of control algorithm. After the commissioning， test results meet the project control indicator， it can realize sow breeding with accuracy.

Key words "Feed system; Expert system; Fuzzy reasoning; Intelligent control

未來我國養豬業發展方向是規模化生產，其規模化程度越來越大，養豬業迫切需要找到一種能夠提高生產效率和經濟效益的現代化養豬設備和相應系統。飼喂系統的出現解決了這一問題，不同的公司設計出不同的飼喂系統。荷蘭Nedap公司設計了一種Velos系統，該系統能夠實現自動供料、自動管理、自動數據傳輸、自動報警的功能，但該系統沒有考慮飼喂過程中的多個方面的因素[1]。余泳昌等提到的飼喂系統是基于電機轉速與進食量的函數關系式，忽略了環境因素對進食量的影響。劉伯強提到的基于專家系統的飼喂系統沒有考慮無法獲取機理模型、確定規則或者統計模型的情況。基于上述原因筆者設計了一種全新的基于專家系統的智能化飼喂系統，實現了母豬生長過程中進食量的精確控制。

1 系統的工作原理

母豬智能化飼喂系統由上位機和下位機兩部分組成。上位機為信息化管理系統，它由專家系統、人機交互界面、PC機組成。下位機為自動飼喂子系統，它由射頻模塊、采樣模塊、電機控制模塊組成。系統總體結構圖如圖1所示。

圖1 系統整體框

母豬進站吃食料時進站門打開，母豬耳朵上的電子標簽進入讀卡器的讀卡范圍，讀卡器讀取母豬個體信息，同時采集模塊采集豬舍的環境參數和母豬體重，將采集的數據傳輸給單片機，單片機將數據傳輸給上位機，數據傳輸到PC機后對數據進行顯示和處理，然后將數據傳輸到專家系統中，作為專家系統的決策依據，經過專家系統的一系列推斷后，將調控目標傳遞給下位機，由下位機發出操作指令對執行機構進行操作，同時控制電機進行操作。母豬進食完畢后采集食槽內剩余飼料的重量并記錄到數據庫中，用戶在操作系統中設置報警線，當出現異常情況時報警電路發出警報。

2 系統軟硬件設計

2.1 RFID射頻識別系統

為了實現母豬個體信息的快速識別，設計了RFID射頻識別系統，該系統主要利用無線電射頻識別控制器與電子標簽的數據傳輸，從而實現非接觸式目標識別與跟蹤[4]。RFID射頻識別系統包括4個部分：標簽、天線、控制器和主機（PC）。標簽用于記錄母豬個體信息。天線的作用是通過無線電磁波從標簽中讀數據或寫數據到標簽中。射頻控制器控制天線與PC機之間的數據通信，與天線合稱讀寫器，PC機根據讀寫器捕捉到的數據完成相應的過程控制[5]。

根據項目選擇集成了13.56 MHz的非接觸通信的射頻基站芯片MFRC500，通過Mifare卡操作來完成Mifare卡與MFRC500之間的信息傳輸，Mifare卡操作包括請求操作、反碰撞操作、選擇操作、認證操作、讀寫操作等流程[6]，如圖2所示。請求操作主要把Mifare卡的序列號傳給閱讀器，反碰撞操作主要保證閱讀器只對一張卡進行響應，選擇操作主要是確定即將操作的Mifare卡，認證操作將Mifare卡的序列號與閱讀器中存儲的序列號進行認證以便進行讀寫操作，讀寫操作主要是Mifare卡的讀、寫、減值、增值、回復、存儲和傳送等操作。

圖2 RFID流程

2.2 環境信息采集系統

采集模塊主要作用是將母豬個體的體重以及豬舍內部的環境溫度、濕度、二氧化碳濃度等參數進行采集，將采集后的數據傳輸到控制模塊，控制模塊以STC89S52單片機為控制核心，由于豬場里有多個獨立的采食區，采用多機通信方式對不同區域通信，因此將控制模塊作為主機，采集模塊作為從機，通過232總線完成數據的傳輸。

采集模塊程序執行時初始化傳感器和串口通信接口，然后依次循環讀取各個傳感器傳來的數據，對主機傳來的地址信息位進行檢測，當檢測到主機對自己地址請求后，置SM2=0，進行數據的處理和通信，處理完畢以后SM2=1，等待下一次主機的地址請求，當系統進入通信中斷后，接收主機發來的數據，將數據接收到數據緩沖區，設置標志位ReceiveOK，通知協議處理程序，同時將發送緩沖區的數據發送出去[6]，流程如圖3所示。

圖3 采集模塊程序流程

2.3 通信模塊

通信方式最常用的是并行通信和串行通信兩種方式。并行通信方式傳輸速度快，傳輸距離較遠，一般使用RS-485接口標準實現長距離通信，但占用硬件資源較大。通信線路成本增加，通信設備復雜化，串行通信方式雖然傳輸速度慢，傳輸距離較近，但占用硬件資源少、大幅度降低通信線路的成本、簡化通信設備，一般使用RS-232接口標準實現短距離通信。從系統的經濟性、穩定性、可行性等幾個方面綜合考慮最終選擇異步串行通信方式。系統的串行通信電路設計如圖4所示。射頻讀卡器作為前置機進行采樣，采樣的數據傳輸到單片機，單片機通過P3.1、P3.2端口與MAX232的T2IN、R2OUT連接實現電平的轉化和數據的傳輸。

圖4 串行通信電路

3 專家系統設計

專家系統是一個擁有專門知識和經驗的程序系統，它將計算機技術與專家提供的知識和經驗緊密結合在一起，通過內部推理程序的不斷搜索與匹配，最終實現模擬人類專家解決具體問題的思維過程[7-8]。專家系統主要由人機交互界面、知識獲取機構、知識庫、推理機、解釋機構等幾個部分組成，如圖5所示。母豬的生長過程中由于控制的目標多、對于不同的品種的母豬以及各自生長的階段的環境參數以及生長參數都不相同，因此采用傳統的方法無法實現多目標的控制，也不能有效地參考農業專家意見和歷史數據，控制效果一般。基于專家系統的飼喂系統主要將母豬的生長狀態與環境和生長參數之間聯系，通過案例匹配和模糊推理決策出適合母豬生長的最佳條件，這樣能夠有效地把專家經驗參數和歷史參數結合實現母豬生長控制。

3.1 專家系統知識庫的建立

知識表示方法有產生式規則、框架表示法、圖表式表示法、基于面向對象表示法，由于母豬飼養包含的知識較為廣泛，有許多屬于建設性、描述性的知識，這些知識與邏輯性、過程性、運算性知識交織在一起運用，因此采用框架表示法來表示知識。框架相當于一組槽和槽值，用于定義典型的對象，每一個槽有一個槽值或若干個側面，框架基本結構如下：

lt;框架名gt;

lt;槽名1gt; lt;槽值1gt;

lt;槽名2gt;

lt;側面名21gt; lt;側面值211，側面值212，側面值213，………gt;

圖5 母豬專家管理系統的結構

lt;側面名22gt; lt;側面值221，側面值222，側面值223，………gt;

………

其中框架名相當于知識對象，槽名相當于知識的范疇，槽值相當于具體的對象，側面名就是對象的屬性，側面值相當于取值范圍、默認值等數據。

單個知識相互作用構成綜合知識體，綜合知識體由描述框架、“規則架+規則體”規則組和黑板結構組成。其中描述框架：描述母豬個體在不同生長時期的條件和規則，分別存放在不同的描述框架中，“規則架+規則體”規則組：通過一組規則的關系描述進行相關推理過程，得到專家推理結果。黑板結構：專家系統作為監控系統的控制模型，需要向下位機傳送最優參數控制目標，而黑板結構正是系統相互通信的樞紐，它能記錄用戶輸入的信息及保存推理結果[9]。

3.2 專家系統推理機

推理機是運用一定的推理方法和推理策略，以動態數據庫為工作存儲器，根據動態數據庫的當前內容，采用相應的推理控制策略，決定如何使用知識庫中的知識，同時，可以控制規則庫中的規則不斷與動態數據庫中的數據、事實相匹配，匹配成功后則觸發相應的規則，通過執行該規則來修改動態數據庫的內容，經過不斷的推理得到結果。

以品種生長發育狀態診斷為例，通過查閱分析母豬飼喂管理流程，總結專家的建議和經驗，建立選擇項。首先用戶選擇母豬的品種，經過規則庫1匹配得到該品種在不同階段的理想環境參數、母豬體重、帶仔數量、進食量參數;用戶通過人機交互界面選擇母豬的實際體重信息，該信息與規則庫2進行匹配，推理出母豬體重診斷結論;將該診斷數據作為規則庫3中的事實數據驅動，然后根據用戶輸入的母豬實際帶仔數的信息與規則庫3進行匹配，得到母豬帶仔數的診斷結論;將該診斷數據作為規則庫4中的事實數據驅動，與用戶輸入的母豬實際進食量的信息與規則庫4進行匹配，得到母豬進食量的診斷結論;將實時采集的參數與規則庫4中的推理診斷結果作為規則庫5的事實數據驅動，將規則庫1的診斷數據作為目標驅動，結合運算法則得到最優參數調節目標，如圖6所示。

圖6 專家系統推理機

42卷32期 " " " " " " " "張 亮等 基于專家系統的智能化飼喂系統的設計

3.3 專家控制算法的設計

專家系統的關鍵在與控制器的設計，控制器向系統提供控制信號，并直接對受控過程產生作用，專家控制器的一般模型可表示為：

U=f（E，K，I） " "（1）

式中，f為智能算子，其基本形式為 IF E AND K THEN （I THEN U）;E{e1，e2，…，en}為控制器的輸入集;

K{k1，k2，…，kn}為知識庫中經驗數據與事實集;

I{Ii，i2，…，in}為推理機構的輸出集;U{u1，u2，…，un}為控制器的輸出集。

該系統有7個狀態變量，并對這7個狀態輸入量定義7個模糊子集，需要建立7個模糊控制器，由于模糊控制器較多，以豬舍溫度模糊控制器為例。

（1）確定模糊控制器的輸入、輸出語言變量。模糊控制器的輸入語言變量為豬舍溫度誤差ei（t）和誤差變化率eci（t），計算公式如下：

ei（t）=xs（t）-xi（t） " （2）

eci（t）=ei（t）-ei（t-1）（3）

式中，xs（t）為系統設置豬舍的溫度;xi（t）為實際豬舍溫度。

輸出為母豬的進食量的變化量u。

（2）確定語言變量誤差E、誤差變化率EC以及輸出量U的賦值表。

誤差E的基本論域為[-3，+3]%，選定e（t）的等級量化論域E={-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4}，量化因子ke（t）=2×43-（-3）=43，E的模糊集取為{NB，NS，Z，PS，PB}，建立模糊變量E賦值表1。

表1 模糊變量E的賦值

E-4-3-2-10+1+2+3+4

PB0000000.40.71.0

PS000000.61.00.50

Z0000.51.00.5000

NS00.51.00.600000

NB1.00.70.4000000

誤差變化率EC的基本論域為[-3，+3]%/s，選定ec（t）的等級量化論域EC={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，量化因子kec（t）=2×33-（-3）=2，EC的模糊集取為{NB，NS，Z，PS，PB}，建立模糊變量EC賦值表2。

表2 模糊變量EC的賦值

E-3-2-10+1+2+3

PB00000.30.71.0

PS0000.30.51.00

Z000.51.00.500

NS01.00.50.3000

NB1.00.70.30000

輸出量U的基本論域為[1.5，3]kg，選定u（t）的等級量化論域U={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，量化因子

ku（t）=2×33-1.5=4，U的模糊集取為{NB，NS，Z，PS，PB}，建立模糊變量EC賦值表3。

表3 模糊變量U的賦值

E-3-2-10+1+2+3

PB00000.20.61.0

PS0000.20.71.00

Z000.51.00.500

NS01.00.70.2000

NB1.00.60.20000

（3）模糊控制規則的設計。根據飼養過程中遇到的各種情況和相應的控制策略匯總，得到一組由25條的模糊條件語句構成的控制規則，如表4所示。

表4 模糊控制規則

ECENBNSZPSPB

NBPBPBPBPSZ

NSPBPSPSZNS

ZPBPSZNSNB

PSPSPSNSNSNB

PBPSNSNBNBNB

根據上面的表格求出豬舍溫度的偏差及偏差變化率與進食量之間的模糊關系R=（E×U）·（EC×U），進而得到模糊控制器輸出量U=（E×EC）·R，最后可以得到實際的輸出u=ku（t）*U。

3.4 開發工具機實現方式

該系統以Visual C++為開發工具，以SQL Server 2005為數據庫，實現系統的人機界面的設計，用戶通過界面輸入母豬的品種和生長狀態選擇項，經過專家系統的推理決策，得到最終的診斷結論和控制方法，將控制方法傳輸到單片機為核心的控制平臺上，在由控制平臺對執行機構進行控制。

4 結論

該研究設計的基于專家系統的智能化飼喂系統采用了射頻技術、信息采集、總線拓撲結構、專家系統等技術手段，實現了母豬生長過程中的進食量的控制，既能體現母豬生長的內在規律，又能發揮農業專家在農業生長中的指導作用，保證了母豬的營養需求，減少飼料的浪費，提高了養豬業的發展，提高了養殖業的收益，具有重要的社會意義和經濟價值。

參考文獻

[1]

葉娜，黃川.荷蘭Velos智能化母豬飼養管理系統在國內豬場的應用[J].養豬，2009，2（1）： 41-42.

[2] 余泳昌，栗文雁，胡豐收，等.基于單片機的奶牛精細飼喂系統的設計研究[J].農機化研究，2008，9（21）：108-111.

[3] 劉伯強.哺乳期母豬飼喂專家系統的研究[D]. 呼和浩特：內蒙古農業大學，2010.