育肥豬精準下料控制系統設計與驗證*

楊亮，龔進牧，王輝，趙一廣，熊本海

(1. 中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，動物營養學國家重點實驗室，北京市，100193；2. 河南南商農牧科技股份有限公司，鄭州市，453500)

0 引言

近年來，我國畜禽養殖業大力發展，作為生豬養殖與豬肉消費大國，豬肉總產量和人均豬肉占有量多年居世界首位。豬肉為蛋白質的主要來源，我國居民對豬肉的消費需求強烈。然而2018年受非洲豬瘟影響，我國生豬存欄量、出欄量以及豬肉產量均大幅下降。2020年，我國各地積極落實生豬穩產保供各項政策措施，有力促進非洲豬瘟疫情防控下的生豬產能持續回升。其中，全國生豬出欄 52 704 萬頭，同比下降3.2%，出欄降幅呈現出明顯收窄態勢。

隨著畜禽養殖場越來越多，規模越來越大，在現有品種和養殖環境相對穩定的情況下，如何通過現代化養殖模式快速發展，提高生豬生產效率是生豬生產中的重點，促進了豬用精準飼喂技術和系統在豬場得到應用。精準飼喂技術通過結合生豬的營養需要模型、數據采集系統和精準投喂系統，將適合的日糧準確飼喂給個體或群組[1]。精準飼喂系統采用自動化飼喂方式，對豬只個體進行精準化下料，監控豬只采食量，有利于豬只的健康生產。以狀態感知、實時分析、自我決策、精準執行[2]為特征的智能化精準飼養理念為特點的現代化養豬企業正逐漸成為行業領導者[3]。

育肥期是養豬生產中的重要環節，飼料用量占全期耗料的75%～80%，是控制飼料成本保證養豬收益的關鍵時期[4]。生豬養殖過程中飼料耗費占生產成本的60%以上[5]，而育肥豬的生產目標是以最小的飼料成本取得最大的生產性能(如體增重)，部分養殖企業按豬只個體的最高需要量供給營養，導致大多數豬只的營養攝入量高于其實際需要量，日糧營養物質的利用率降低，營養物質排泄量增加[6]。因此，準確評定豬的采食量需要并合理供給日糧是降低養殖成本的重要途徑[7]。

目前，養豬生產中主要將精準飼喂技術應用于母豬生產。歐美畜牧業發達國家規?；i場智能化飼養設備的使用率達到60%[8]，例如美國TEAM系統，荷蘭Velos系統以及法國Elistar系統。在國內大型養豬企業應用，這些系統的目標是實現群養單飼，自動識別豬群所處階段并提供給母豬需要的飼料量。國產設備方面，鄧凱熠等[9]研制了液態飼料智能飼喂系統，力求解決豬的液態飼料易變質、飼喂勞動強度大等問題。王京威[10]設計了基于4G網絡的妊娠母豬精準飼喂遠程監控系統,根據不同妊娠階段和膘厚，建立了基于模糊控制理論的妊娠母豬精準飼喂方案。母豬電子飼喂站符合動物福利，能有效減少母豬肢體疾病、減少應激、改善體況、促進產仔健康，提高母豬生產壽命[11]。上述智能設備的研發還需與畜牧生產理論、目標產品的功能驅動及養殖方式的創新協調一致，通過不斷創新，助推畜牧業的轉型升級[12]。

然而，現有豬用飼喂系統在使用中主要存在以下問題：(1)通過下料電機轉動圈數控制下料量，當料倉內沒有足夠的飼料時，控制器依然按既定程序轉動，導致統計的采食量數據不準確；(2)按限定的飼料量進行飼喂，沒有考慮豬只的實際采食需求；(3)料倉飼料容易結拱，導致下料不暢；(4)下料器的撥料輪只能單向轉動，對應一個食槽，導致豬只爭搶飼料等現象。因此，針對上述問題，本文創新突破下料方式，開發一種雙側精準下料、無飼料殘留，操作維護方便、性能穩定、成本低廉且控制便利的新一代育肥豬智能飼喂系統具有巨大的產業需求。

為此，設計一種育肥豬精確飼喂系統，采用雙側下料器的對稱式雙邊下料，增設觸碰開關，豬只觸動后執行預設料下料，食槽內增設料位感應探針，豬只觸碰感應開關時，若探針感應不到食槽內水料，系統自動補充水料到探針處，增設防結拱裝置，通過震動電機實現破拱，防止料粉受潮影響下料。研制的系統在豬場進行了驗證試驗，達到了設計的預期效果，具有很好的推廣應用價值。

1 育肥豬自動飼喂機電控制系統

1.1 育肥豬精確飼喂系統整體結構圖

圖1為育肥豬精確飼喂系統整體結構圖，主要由供水管、機架、讀卡器、食槽導料管、電磁閥、雙側下料器、破拱結構、飼料倉及控制器組成。

圖1 系統整體結構圖

其中，飼料倉設置在系統的頂部，飼料倉的底部為出料口。下料電機的驅動控制接口與控制器的控制信號交互端口連接。系統設置有兩根導料管，實現出料口與食槽的連接。食槽為左右兩側各設置1個，在對應的食槽上方，分別設置有讀卡器。飼料倉底部設置有防結拱裝置，主要由防拱架和振動電機組成，防拱架放置于飼料倉內落料口上方，通過螺栓與振動電機連接。

圖2為育肥豬精確飼喂系統的相關尺寸。豬只采食通道的寬度為81 cm，保證豬只具有舒適的采食空間，同時限制多只豬只在此發生搶食現象。下料機構的寬度為92 cm，高度為130 cm，主要放置有下料電機、下料機構等。本系統與傳統設備相比，占地面積更小，設計更加合理，有利于提高豬只采食的便捷性。

圖2 設備尺寸

1.2 雙側下料器機構設計

圖3為系統的核心部件下料電機與下料機構示意圖。下料電機采用24 V、80 W帶霍爾信號直流減速電機，通過采集霍爾信號判斷轉動圈數及下料圈數，前期校準單圈料量，保證下料量的精準。

圖3 下料電機與下料機構示意圖

下料機構設計為雙側下料模式，具體設計如圖4所示。雙側下料器主要由下料管和下料電機組成。下料管內部設置有撥料輪，撥料輪由轉軸、撥片和撥片固定板三部分組成。撥片固定板有兩個，分別固定在轉軸的前、后兩端，撥片以輻射狀均勻分布在轉軸上。下料電機通過聯軸器與撥料輪的轉軸傳動連接。

圖4 雙側下料器結構簡圖

下料管下方設置有出料口，出料口采用對稱式布局，通過控制器控制下料電機的正反轉，下料電機正轉時帶動撥料輪將飼料撥入左側出料口，反轉時將飼料撥入右側出料口，從而實現雙側供料。

育肥豬精確飼喂系統中雙側下料器安裝結構示意圖如圖5所示。雙側下料設計模式，在聯排豬舍使用時，可實現兩個圈舍同時供料。例如，在5個聯排豬舍內，需要配備10套傳統的單側供料飼喂系統，而采用雙側下料飼喂系統，則只需配置4個雙側供料系統加上2個傳統單側供料系統，即可滿足5個豬舍育肥豬只的采食需求，節約了4臺設備的使用成本，降低了生產成本，符合現代化豬場的飼喂需求。

圖5 雙側下料器安裝結構簡圖

1.3 育肥豬精確飼喂系統控制原理

育肥豬精確飼喂系統控制原理如圖6所示。育肥豬精確飼喂系統內設置有控制器，控制器內預設運行程序和數據記錄系統，控制器連接無線傳輸模塊。豬只身上固定有電子耳標，豬只進入后，讀卡器讀取電子耳標，獲取該豬只的身份信息，并將該身份信息傳輸給控制器，控制器調取與該豬只匹配的采食數據，獲取該豬只預設總投料量，以及分次下料次數，完成下料程序設定。

圖6 育肥豬精確飼喂系統控制原理圖

控制器控制下料電機先做刺激性投料，待豬只吃完后，豬只若還想吃料，會拱觸碰開關，控制器接收碰觸信號后控制下料電機轉動完成第一次分次下料，豬只吃完后繼續拱觸碰開關，控制器接收碰觸信號后控制下料電機轉動完成第二次分次下料，以此類推，直到預設總投料量全部下完。

豬只存在預設總投料量未下完時，便離開不再吃料的情況，不論吃完與否，該次采食數據均會被數據記錄系統儲存，供飼養員調閱查看，同時采食數據也通過無線傳輸模塊上傳到后臺服務器，經后臺服務器處理后，服務器再通過無線傳輸模塊對系統的飼喂程序進行調整設定?？刂破骺梢酝瑫r分別控制兩側食槽內豬只的吃料過程，分別執行相應的下料程序。

在系統中，增設了食槽內料位感應探針，豬只觸碰感應開關時，若探針感應不到食槽內水料，系統自動補充水料到探針處，同時，感應探針可防止水料下的過多溢出槽外，造成浪費和豬只采食數據的誤判。綜上，料位感應探針的使用，既保證了豬只正常采食，又避免了飼料的浪費和采食數據的錯誤。

1.4 育肥豬精確飼喂系統下位機設計

育肥豬精確飼喂系統由下位機實現控制，飼喂系統可以通過遠程PC端設置飼喂參數設置，統一采集與貯存管理數據。系統預設了育肥豬每次下料的比例，用戶可以通過下位機或PC端修改下料比例參數，方便進行不同的采食量和飼喂效果的試驗。

下位機電路由面板電路組成，電路以微處理器(MCU，LPC1766,工作溫度-40 ℃～105 ℃，工作電壓2.0～3.6 V, 閃存256 K，低功耗)為核心[13]，主要由指令按鍵輸入、數據通信電路、數據貯存(鐵電存貯)電路、數據顯示及外設驅動電路等組成。系統采用先進先出的堆棧存貯模式，按每天每頭豬飼喂6次的數據量計算，可貯存大約2個月的個體飼喂過程數據。下位機的存貯數據可逆向上傳到上位機系統存儲，用于累計大量的飼喂數據。

1.5 PC端上位機開發

育肥豬精確飼喂系統的上位機系統，采用的數據庫系統為My SQL數據庫[14]，并采用C#語言編寫代碼[15]，對系統的主菜單參數進行了預設值，用戶可根據豬場實際情況對參數進行修改。

其中，在“主菜單界面”模塊中，設置了“參數調整”，可以設置育肥豬精確飼喂設備相關的9個參數，分別是餐次、各餐比例、每餐間隔、單次下水量、單次下料量、單圈料量校準、觸碰效果、手動下料和清倉。這9個參數通過上位機向飼喂器下發飼喂參數，滿足養殖場設置差異性參數，有效提高系統處理數據的效率。

同時，系統自動將育肥豬精確飼喂系統采集的數據統一上傳到公司管理系統中，用戶可以及時查詢育肥舍豬只的采食數據信息，方便用戶掌握豬只采食情況，制定不同的精確飼喂策略。

2 飼喂試驗

豬只采食是其從外界獲得營養物質，滿足豬只維持和生產的一種行為，是保證豬只正常生產和生長的關鍵因素，是豬只綜合技能活動的外在表現[16]。豬的采食行為主要受養殖環境、飼糧、動物生長發育階段及生理狀況等因素影響[17]。育肥豬采食行為表現出明顯的晝夜節律變化規律，其中52%以上的采食行為發生在06:00～09:00和15:00～19:00這2個時段[18]，同時，濕熱環境對生產育肥豬的采食行為也有顯著影響，濕熱指數的增加能顯著降低單位體重采食量。

通過應用智能化飼喂裝備，根據育肥豬日齡給定采食量，使育肥豬實際采食量達到預期是精準飼喂裝備的難點。本研究結合對規?；i場的調研，綜合設備飼喂的便利及預飼喂試驗的效果，采用每日飼喂量按5次下料的飼喂節律，每次下料比例設定為10%，30%，30%，20%，10%。試驗于2020年5月至2020年8月在河南某豬場進行。飼喂試驗選用了40頭育肥豬，舍內日平均氣溫在28 ℃～31 ℃左右，最低氣溫在25 ℃～27 ℃。飼喂周期110 d，系統自動記錄育肥豬單次采食量，日糧設計上主要參考我國《豬飼養標準》[19]及NRC建議的《豬的營養需要量》中有關育肥豬的日糧濃度。

對記錄的40頭育肥豬110 d的采食數據，采用對數模型模擬，獲得圖7所示的采食量曲線。其中，理論采食量為y=1 810.9lnx-6 498.6，實際采食量為y=1 792.1lnx-6 463.9，x為日齡，d；y為日采食量，g。

從圖7可以發現，采用精準飼喂系統的采食量總體上低于理論采食量。在試驗期間，系統每天按預設比例5次下料采集數據外，還采集了豬只額外采食的數據，但整體上顯現出實際采食量要低于理論采食量，說明理論采食量偏高，在排除飼料浪費的情況下，豬只只需采集低于理論采食量的飼料即可滿足日常生長需要。對實際采食量數據進行模擬顯示均收斂于對數曲線，且擬合曲線的R2大于0.90，表明用對數曲線基本反映育肥豬的采食量規律。

圖7 育肥豬實際采食量與理論采食量比較

此外，與傳統的人工投喂模式相比，采用精準飼喂系統的育肥豬實際采食量低于人工投喂量，有效避免了飼料的浪費，減少了人力的投入，為工廠化養豬實現主要飼養過程的“機器換人”提供了智能設備支撐。

3 結論

1) 設計一種通過撥輪下料實現雙側精準下料的育肥豬精確飼喂設備。該設備采用雙邊下料布局，出料口呈現對稱式布局，通過控制器控制下料電機的正反轉，實現雙側下料，結構設計巧妙，提高豬群的采食效率，降低了生產成本。

2) 與理論采食量比較，智能飼喂方式下采食量低于理論采食量，飼喂采食量比例分別為10%，30%，30%，20%及10%時，獲得較佳的采食量變化曲線y=1 792.1lnx-6 463.9，R2=0.912 8。