肉牛自動化無應(yīng)激動態(tài)稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙慧兵，馬 娟，張 杰，李 浩，郭 磊，馮 斌,

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】精準(zhǔn)飼喂技術(shù)是肉牛精細(xì)化養(yǎng)殖的關(guān)鍵技術(shù)之一。實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)飼喂技術(shù)的核心是實(shí)時(shí)掌握牛只體重信息的變化情況，定期對肉牛進(jìn)行稱重。根據(jù)肉牛體重最佳生長發(fā)育曲線制定合理的飼料配方和精確的采食量，以達(dá)到最佳育肥效果[1]。目前國內(nèi)肉牛稱重方式大多采用靜態(tài)稱重方式。而對于大型肉牛養(yǎng)殖牧場，牛體型過大以及牛的流動性和隨意性，若采取傳統(tǒng)靜態(tài)稱重方法，費(fèi)力、費(fèi)時(shí)[2]。根據(jù)牛的生產(chǎn)周期(月齡或日齡)或目測來估算肉牛體重，既不準(zhǔn)確又容易遺漏。在誤差允許的范圍內(nèi)快速測得肉牛體重尤為重要[3]。【前人研究進(jìn)展】采用智能控制門的方式，電子稱重計(jì)算機(jī)采集肉牛重量信息和RFID無線射頻識別技術(shù)讀取牛只個(gè)體耳標(biāo)信息。平均稱重4頭牛/min。智能稱重及電子識別數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)采用側(cè)面圍欄、前后自動控制門的保定架將牛固定在稱重平臺上，獲取肉牛體重信息。平均每頭牛稱重時(shí)間為18 s左右。SCS系列電子地上衡是專為畜牧業(yè)設(shè)計(jì)的專用電子秤。該公司采用圍欄地磅式的稱重方式，圍欄尺寸較大，可以實(shí)現(xiàn)1～5頭牛稱重。前期對牛稱重訓(xùn)練，牛只稱重時(shí)，電子耳標(biāo)識別器讀取牛只耳標(biāo)信息，稱重控制器記錄體重信息；稱重控制器測得群體稱重?cái)?shù)據(jù)與牛只耳標(biāo)信息一起存儲到控制器中。缺點(diǎn)是牛只耳標(biāo)信息不能與牛只個(gè)體稱重?cái)?shù)據(jù)一一對應(yīng)保存；稱重成本較大。不管是采用圍欄將牛圈在稱重平臺上還是采用保定架等稱重方式，平均每頭牛稱重時(shí)間為15 s左右。若前期沒有對肉牛稱重訓(xùn)練，都存在稱重效率不高并且有肉牛會產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)[4]。【本研究切入點(diǎn)】靜態(tài)稱重不僅消耗大量的勞動力，而且頻繁稱重會使肉牛產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)。對肉牛稱重提高稱重效率，避免肉牛在稱重過程中產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)。結(jié)合肉牛行為特點(diǎn)及生活習(xí)性，在肉牛自然行走過程中獲取牛只個(gè)體稱重?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)肉牛稱重全程無障礙通過并提高稱重效率。通過低頻RFID識別及定位技術(shù)[5]、數(shù)字式稱重傳感器以及智能稱重顯示儀表等設(shè)備為基礎(chǔ)實(shí)施監(jiān)測肉牛體重?cái)?shù)據(jù)。需研發(fā)一種能夠快速、準(zhǔn)確自動監(jiān)測肉牛體重的動態(tài)稱重系統(tǒng)用以配合肉牛智能精細(xì)化養(yǎng)殖，對于提高我國肉牛養(yǎng)殖現(xiàn)代化水平尤為重要[3]。【擬解決的關(guān)鍵問題】研究一種以數(shù)據(jù)為核心、設(shè)備為基礎(chǔ)、人工輔助決策的自動化肉牛動態(tài)稱重系統(tǒng)。安裝在肉牛必經(jīng)道上，改善肉牛稱重管理數(shù)據(jù)人工錄入工作量大、誤差大以及肉牛刺激大等諸多弊端，提高稱重效率，加快肉牛養(yǎng)殖現(xiàn)代化進(jìn)程[6]。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 稱重設(shè)備

牛只動態(tài)稱重設(shè)備一套。在牛只自然行走過稱重平臺過程中獲取肉牛體重信息。以已知質(zhì)量的砝碼對稱重設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)稱重校訂；以肉牛為稱重對象進(jìn)行動態(tài)稱重測試。試驗(yàn)測試100頭牛，其中對具有代表性的18頭牛分析試驗(yàn)結(jié)果。

1.1.2 稱重平臺

稱重平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用稱重臺面長度可調(diào)節(jié)方式。稱重臺面由一組兩長度不等的臺面鑲嵌配合工作，長度可以通過稱重臺面下安裝的導(dǎo)軌調(diào)節(jié)。移動臺面與輔助斜面采用死連接。在稱重臺面的前后端設(shè)有輔助肉牛上下稱重平臺的斜面。當(dāng)1頭牛的4蹄完全處于稱重臺面上時(shí)，其他肉牛身體的任何部位都不在稱臺上。在此刻第三組耳標(biāo)讀卡板采集肉牛電子耳標(biāo)信息，采用高精度數(shù)字式稱重傳感器和動態(tài)稱重控制器采集肉牛體重?cái)?shù)據(jù)[7]。肉牛自動化動態(tài)稱重系統(tǒng)主要參數(shù)總體尺寸(mm×mm×mm)：(1 500～2 250)×750×1 400，稱體材料：結(jié)構(gòu)件：熱鍍鋅鐵管，壁厚2.5 mm 控制柜：304不銹鋼，總體質(zhì)量：650 kg，稱重量程：0～1 500 kg，稱重效率：6～10(頭/min)，動態(tài)稱重誤差：0.5%，電子耳標(biāo)讀卡率：100%，稱重臺面長度調(diào)節(jié)范圍：1 500～2 250 mm。圖1

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

牛只稱重排隊(duì)通道一端連接牛圈，另一端連接牛只稱重設(shè)備。根據(jù)牛圈養(yǎng)殖場地的結(jié)構(gòu)，該稱重設(shè)備安裝在牛圈兩欄之間，采用換欄稱重方式。牛只排隊(duì)依次進(jìn)入通道，經(jīng)過稱重平臺再進(jìn)入對面的肉牛養(yǎng)殖欄中。

1.2.2 稱重系統(tǒng)

打開前后擋門，對牛只進(jìn)行靜態(tài)稱重，等牛只完全在稱重平臺上時(shí)，關(guān)閉前后擋門，獲取牛只靜態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)；再對牛只進(jìn)行動態(tài)稱重，根據(jù)肉牛的體長調(diào)節(jié)稱重臺面的長度，牛只進(jìn)入通道依次排隊(duì)通過稱重平臺，第一組耳標(biāo)讀卡板天線監(jiān)測到肉牛的進(jìn)入，第三組耳標(biāo)讀卡板天線監(jiān)測到肉牛處于稱重平臺最佳位置。信號發(fā)送至稱重控制器并采集肉牛體重信息；上位機(jī)程序采集到的牛只動態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理[19-20]。并且結(jié)合電子耳標(biāo)讀卡板采集肉牛耳標(biāo)信息。最后將牛只稱重信息和耳標(biāo)信息一一對應(yīng)保存到稱重顯示儀表。依次稱重獲取一個(gè)圈的肉牛牛只體重信息。

包括數(shù)字式稱重傳感器、智能動態(tài)稱重儀表、通訊模塊。智能動態(tài)稱重儀表與RFID耳標(biāo)讀卡板主機(jī)連接配合工作；智能動態(tài)稱重儀表上有電源模塊、時(shí)鐘模塊、存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、信號轉(zhuǎn)化模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊[8]。3組RFID耳標(biāo)讀卡板天線采集肉牛耳標(biāo)信息，并且定位肉牛在稱重平臺上的具體位置；通訊模塊與RFID讀卡器主機(jī)及PC上位機(jī)連接，供電裝置用于為稱重傳感器、動態(tài)稱重儀表、通訊模塊和RFID耳標(biāo)讀卡板主機(jī)供電；控制器通過無線通信模塊與后臺服務(wù)器和移動終端連接。RFID讀卡器與佩帶于肉牛身上的RFID電子耳標(biāo)配合使用。稱重傳感器安裝于稱重臺面的4個(gè)角。動態(tài)稱重儀表、通訊模塊安裝于稱臺的側(cè)面；3組RFID耳標(biāo)讀卡板天線安裝于稱重平臺的前端、中間和后端； RFID讀卡板天線放置位置可以根據(jù)牛只月齡體長體尺特征調(diào)節(jié)；通過稱重傳感器與RFID耳標(biāo)讀卡板主機(jī)結(jié)合，信號發(fā)送至智能動態(tài)稱重儀表，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)發(fā)送至稱重顯示儀表[9]。實(shí)現(xiàn)肉牛在自然行走狀態(tài)下體重的監(jiān)測稱量。將稱重平臺安裝在牛必經(jīng)的道路上，測得牛的體重信息。

當(dāng)牛進(jìn)入稱重平臺，第一組RFID耳標(biāo)讀卡板天線感應(yīng)到牛的進(jìn)入。肉牛繼續(xù)向前行走，直到第三組RFID耳標(biāo)讀卡板天線采集到肉牛耳標(biāo)信息時(shí)，即牛的4只蹄全部進(jìn)入稱臺上。稱重控制器接收信號并開始采集肉牛體重?cái)?shù)據(jù)。控制器將牛的重量和編號進(jìn)行關(guān)聯(lián)存儲至存儲器中；則第一頭牛稱重結(jié)束。稱重顯示儀表通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至后臺服務(wù)器或移動終端，通過這些數(shù)據(jù)可以及時(shí)掌握牛體的生長及健康狀況。圖2

圖2 肉牛自動化動態(tài)稱重系統(tǒng)

1.2.3 軟件和動態(tài)稱重算法設(shè)計(jì)

1.2.3.1 下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件的編寫采用Keil C51軟件和串口助手。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。Keil提供了C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境將這些分組合在一起[14]。下位機(jī)程序主要使用2個(gè)定時(shí)和2個(gè)串口及22個(gè)I/O接口。

1.2.3.2 動態(tài)稱重算法選擇

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證在肉牛自然行走的過程中監(jiān)測肉牛耳標(biāo)信息和重量信息。由于全程肉牛無障礙通過稱重平臺，肉牛的行走特點(diǎn)根據(jù)速度的不同可以分為3種情況：第一，平穩(wěn)行走狀態(tài)；第二，行走-停頓狀態(tài)；第三，速度較快通過稱重平臺。常用的動態(tài)稱重方法有：ADV法、DV法、搜索法、位移積分法、動態(tài)補(bǔ)償、建模和參數(shù)估計(jì)[15]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、加速度傳感器與稱重臺配合法[16]、EMD經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法等。通過對比分析研究得出，EMD算法更適合肉牛動態(tài)稱重。EMD算法作用是將弱信號分解為一組強(qiáng)的IMF信號。分解過程為：第一，尋找出原始數(shù)據(jù)Xt的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)，使用3次樣條函數(shù)分別擬合為原序列的上下包絡(luò)線。最終得到第一個(gè)本征模函數(shù)分量C1，表示信號數(shù)據(jù)列中最高頻率的成分；第二，用Xt-C1，得到一個(gè)去掉高頻新數(shù)據(jù)系列R1，對R1再進(jìn)行數(shù)據(jù)分解，得到第二個(gè)本征模分量C2；重復(fù)直到數(shù)據(jù)系列不可再分解。最后Rn數(shù)據(jù)序列代表Xt的趨勢[17]。

1.2.3.3 上位機(jī)軟件

該系統(tǒng)主要使用軟件的串口接收、數(shù)據(jù)保存和數(shù)據(jù)顯示功能。顯示界面主要有牛只編號、月齡、體重、稱重時(shí)間；操作功能包括清零、保存、設(shè)置、查詢、注銷等[18]。圖3

圖3 系統(tǒng)軟件顯示操作界面

2 結(jié)果與分析

2.1 稱重裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研究表明，肉牛的4只蹄完全在稱重平臺上時(shí)第三組RFID耳標(biāo)讀卡板天線采集到肉牛耳標(biāo)信息，信息發(fā)送至稱重控制器采集肉牛體重信息。稱重臺面有效稱重長度調(diào)節(jié)范圍是1 500～2 250 mm，滿足新疆各地區(qū)肉牛稱重要求。稱重臺面長度的調(diào)節(jié)方式設(shè)置有手動和自動調(diào)節(jié)2種方式。根據(jù)肉牛體長特點(diǎn)，自動模式下系統(tǒng)把加長臺面的長度分為6等分，每等分的調(diào)節(jié)長度設(shè)置為100 mm。單片機(jī)控制器發(fā)送信息驅(qū)動電機(jī)運(yùn)作，電機(jī)驅(qū)動皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)稱重臺面的加長。

2.2 牛只識別定位監(jiān)測稱重技術(shù)

研究表明，采用屏蔽紙或其他屏蔽裝置將扇形磁場分布改變?yōu)榫匦未艌龇植迹?組磁場分布高均為1 400 mm,寬為100 mm的窄條矩形形狀。磁場分布的強(qiáng)度和長度可以根據(jù)讀卡板主機(jī)能量按鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。肉牛進(jìn)入稱重平臺時(shí)頭部不管處于低頭、平頭還是昂起狀態(tài)，耳標(biāo)讀卡板天線都能采集到肉牛耳標(biāo)信息。第一組耳標(biāo)讀卡板放置稱重平臺前端位置，第二組耳標(biāo)讀卡板放置稱重平臺中間位置，第三組耳標(biāo)讀卡板放置稱重平臺末端位置。第二組和第三組耳標(biāo)讀卡板安裝位置可以根據(jù)肉牛的體長進(jìn)行調(diào)節(jié)，第一組和第三組讀卡板之間的距離D3小于肉牛的體全長并且大于除頭頸部外體長的距離。圖4

圖4 牛只識別定位監(jiān)測示意

在稱重平臺前段設(shè)置單行通道，肉牛有序排隊(duì)。當(dāng)?shù)谝活^肉牛的頭部經(jīng)過稱重平臺前端時(shí)，第一組讀卡板天線采集到肉牛耳標(biāo)信息，表示有肉牛進(jìn)入稱重平臺。同時(shí)信息反饋給稱重控制器。重量呈上升趨勢；肉牛繼續(xù)行走，第二組耳標(biāo)讀卡板天線識別到肉牛耳標(biāo)信息，表示肉牛處于稱重平臺中間位置。當(dāng)肉牛行走到稱重平臺末端時(shí)，第三組耳標(biāo)讀卡板天線識別到肉牛耳標(biāo)信息，表示肉牛4蹄完全處于稱重平臺上面。第一頭牛稱重結(jié)束。

當(dāng)?shù)诙^肉牛開始進(jìn)入稱重平臺，狀態(tài)分為3種情況。第二頭肉牛頭部與第一頭肉牛尾部有一段距離，則稱重?cái)?shù)據(jù)不會產(chǎn)生干擾情況；第二頭肉牛的頭部緊挨著第一頭肉牛的尾部。此時(shí)由于第一三組讀卡板天線之間的距離小于肉牛體全長，第一頭牛的稱重?cái)?shù)據(jù)已經(jīng)被獲取到，不影響稱重?cái)?shù)據(jù)的干擾；第二頭肉牛的頭部處于第一頭肉牛尾部的上面，出現(xiàn)交錯(cuò)現(xiàn)象。若第一頭肉牛的頭部還沒到達(dá)第三組耳標(biāo)讀卡板的位置，此時(shí)第一組耳標(biāo)讀卡板處于不工作狀態(tài)(失效狀態(tài))，直到第三組耳標(biāo)讀卡板識別到肉牛體重信息時(shí)，稱重?cái)?shù)據(jù)獲取之后，第一組耳標(biāo)讀卡板才能正常工作。此時(shí)第二頭肉牛頭部已經(jīng)過了第一組耳標(biāo)讀卡板的識別位置，隨著第一頭肉牛的離開，第二頭肉牛頭部到達(dá)第二組耳標(biāo)讀卡板位置，表示第二頭肉牛已經(jīng)到達(dá)稱重平臺中間位置。第二頭肉牛繼續(xù)向前行走，第三組耳標(biāo)讀卡板識別到肉牛耳標(biāo)信息，采集肉牛體重?cái)?shù)據(jù)。依次稱重。

2.3 以不同月齡的肉牛進(jìn)行動態(tài)稱重試驗(yàn)并計(jì)算動態(tài)稱重系統(tǒng)誤差

研究表明，其月齡包括6個(gè)月、8個(gè)月、10個(gè)月、12個(gè)月、16個(gè)月、20個(gè)月。稱重研究發(fā)現(xiàn)，表2數(shù)據(jù)匯總后，前6頭牛為平穩(wěn)行走通過稱重平臺；中間6頭牛為行走—停頓的方式通過稱重平臺；后6頭牛為較快速的通過稱重平臺。系統(tǒng)輸出動態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)。

肉牛動態(tài)稱重誤差在0.5%以下，可以達(dá)到實(shí)用要求。具有代表性的18頭肉牛進(jìn)行計(jì)算系統(tǒng)稱重誤差。稱重誤差從大到小依次排序?yàn)椋核俣容^快運(yùn)動狀態(tài)≥行走—停頓運(yùn)動狀態(tài)≥平穩(wěn)行走運(yùn)動狀態(tài)≥靜態(tài)稱重狀態(tài)。但是通過系統(tǒng)程序?qū)討B(tài)稱重的補(bǔ)償之后，其誤差相差降低，數(shù)據(jù)應(yīng)用可行性強(qiáng)。表1

表1 肉牛稱重變化Table 1 Weighting data

3 討 論

3.1由于肉牛養(yǎng)殖地域差異、環(huán)境設(shè)施差異、肉牛品種及肉牛習(xí)性的差異都會導(dǎo)致同一月齡肉牛的體重和體長存在差異。肉牛西門塔爾牛20月齡的肉牛體斜長是1 600 mm左右[10]；新疆褐牛20月齡的體長是1 550 mm左右；新疆天山某安格斯牛50月齡體長是1 650 mm左右[11-12]。本系統(tǒng)稱重臺面采用長度可調(diào)節(jié)方式與靜態(tài)稱重相比較，導(dǎo)致稱重精度降低，后期對肉牛自動化無應(yīng)激動態(tài)稱重系統(tǒng)的稱重精度需要進(jìn)一步研究。

3.2系統(tǒng)采用電子耳標(biāo)讀卡板天線識別肉牛耳標(biāo)信息，判斷肉牛處于稱重平臺的位置，若信息延時(shí)反饋，對位置的判斷存在一定的誤差性，后期需進(jìn)一步改進(jìn)。

3.3數(shù)據(jù)處理以MS為單位采集50個(gè)數(shù)據(jù)，對50個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。得到接近肉牛體重的真實(shí)值[13]。若數(shù)據(jù)量再增大，則數(shù)據(jù)處理結(jié)果會更加可靠。

4 結(jié) 論

4.1研發(fā)出了一種適合肉牛生活習(xí)性和行走特征的自動化動態(tài)稱重系統(tǒng)。該稱重設(shè)備采用防抖動模式，稱重過程完全自動化，有效數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳后臺服務(wù)設(shè)備。在肉牛自然行走的過程中較準(zhǔn)確監(jiān)測出肉牛體重信息，肉牛稱重過程中全程無障礙通過，避免肉牛稱重時(shí)產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，提高肉牛養(yǎng)殖場養(yǎng)殖生產(chǎn)效益。

4.2肉牛在行走—停頓運(yùn)動狀態(tài)和平穩(wěn)運(yùn)動狀態(tài)通過稱重平臺時(shí)，誤差在0.2%以下；肉牛速度較快通過稱重平臺時(shí)，誤差在0.5%以下。平均每頭牛稱重時(shí)間為7.33 s，平均每小時(shí)稱重480頭牛左右。在相同稱重條件下，稱重效率提高了40%。由于牛經(jīng)過稱重平臺時(shí)有沖擊作用，誤差均為正。在稱重過程中，肉牛沒有產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，提高了稱重效率。