自走式奶牛精確飼喂機的單片機控制系統(tǒng)設(shè)計

李亞萍，蒙賀偉，高振江，李　輝，坎　雜

(1.石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832000;2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京　100083)

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自走式奶牛精確飼喂機的單片機控制系統(tǒng)設(shè)計

李亞萍1，蒙賀偉1，高振江2，李輝2，坎雜1

(1.石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000;2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京100083)

摘要：為了提高奶牛精確飼喂技術(shù)水平、降低成本、減少工作量、提高個體奶牛產(chǎn)奶量，在前期完成自走式奶牛精確飼喂機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和牛場信息管理系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)奶牛飼喂數(shù)據(jù)的接收、牛只的個體精確識別、裝備的行進及精確投料，實現(xiàn)了個體奶牛的自動化及智能化飼喂。試驗調(diào)試驗證表明：飼喂機的最佳行進速度為0.6m/s，識別距離達65cm，系統(tǒng)響應(yīng)時間為0.4s；個體奶牛識別率96%，個體牛只識別正確率100%，給料誤差小于2%。

關(guān)鍵詞：個體奶牛；精確飼喂；單片機；控制系統(tǒng)；自走式

0引言

縱觀21世紀初期我國奶牛業(yè)的發(fā)展，牛奶總產(chǎn)量得到了迅速增長，但人均牛奶占有量和消費量仍低于世界平均水平 。我國牛奶產(chǎn)量的增加主要由奶牛存欄量的增加引起，牛奶單產(chǎn)量的增加并不顯著，仍有較大的上升空間。影響我國奶牛單產(chǎn)水平的主要因素是奶牛飼養(yǎng)管理[1]，而飼養(yǎng)管理中飼料條件對奶牛的產(chǎn)奶量和牛奶品質(zhì)起著重要作用[2-3]。精細養(yǎng)殖是精細農(nóng)業(yè)的重要組成部分，實現(xiàn)奶牛的精細飼養(yǎng)將是未來的一個發(fā)展方向[4]，而以個體體況信息為基礎(chǔ)的精細養(yǎng)殖也將是現(xiàn)代奶牛科學(xué)飼養(yǎng)的主要研究方向[5]。如何利用現(xiàn)代化技術(shù)手段通過提高奶牛單產(chǎn)來提高牛奶產(chǎn)量成為一個亟待解決的問題。

奶牛飼喂技術(shù)從傳統(tǒng)飼喂技術(shù)、TMR飼喂技術(shù)、固定式精飼料補飼技術(shù)到飼喂機器人技術(shù)的發(fā)展，各自有其優(yōu)點和不足[6-8]。綜合考慮投入成本、工作量、勞動生產(chǎn)效率、飼喂的靈活性，以及考慮到奶牛個體生理特征的不同、對精飼料需求不同，本文采用自走式奶牛精確飼喂機[9]，實現(xiàn)奶牛的單體精確飼喂，飼料的按需配給，以奶定量，激發(fā)奶牛產(chǎn)奶潛能，降低生產(chǎn)成本，提高奶牛產(chǎn)奶量，實現(xiàn)奶牛的自動化及智能化飼喂。

1自走式奶牛精確飼喂機的工作原理

自走式奶牛精確飼喂機的工作流程如圖1所示。

圖1　自走式奶牛精確飼喂機的工作流程圖

飼喂前，首先在上位機上運行奶牛信息管理軟件，通過軟件調(diào)用個體牛只生理特征信息，并對其飼喂量進行精確計算；個體牛只飼喂量信息與其ID號通過無線數(shù)傳模塊無線傳輸至裝備控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)，并將其保存在單片機外擴存儲器中，從而完成牛只個體信息的精確計算與數(shù)據(jù)傳輸。

飼喂過程中，首先啟動飼喂機行進開關(guān)，通過人工操縱模式將裝備行進至牛場精飼料場進行加料；完成后人工駕駛行進至待飼牛舍，繼而將飼喂機由人工操縱模式調(diào)整至自動控制模式。

自動控制模式下，飼喂機在控制系統(tǒng)控制下自動行駛，當裝備行進至個體牛只前時，識別系統(tǒng)通過佩戴在奶牛耳朵上的耳標對牛只進行精確識別，并將識別到的牛只信息發(fā)送至裝備控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)控制裝備停止行進并定位，同時調(diào)用該牛只飼喂信息、啟動給料裝置及精確投料，從而完成個體牛只精飼料的精確飼喂。該牛只飼喂結(jié)束后，飼喂機繼續(xù)前進并對下一頭奶牛進行飼喂。

整個圈舍飼喂結(jié)束后，飼喂機在人工控制狀態(tài)，由工作人員將飼喂機停至停放室。

2控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1總體結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)由MCU控制系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)、數(shù)據(jù)無線傳輸裝置、個體牛只信息管理系統(tǒng)、雙模行進機構(gòu)、料位監(jiān)控系統(tǒng)及精確給料裝置組成。

2.2工作原理

系統(tǒng)采用PC機作為飼喂管理平臺，通過該軟件完成個體牛只數(shù)據(jù)的采集和調(diào)用，經(jīng)數(shù)據(jù)分析、計算后，將處理后數(shù)據(jù)經(jīng)無線傳輸裝置傳送至MCU控制系統(tǒng)。單片機控制系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲在外擴存儲器中。

工作時，單片機控制系統(tǒng)控制裝備在人工與自動行進兩種行進模式下進行運行。飼喂時，裝備在自動行進模式下進行行進；行進過程中，當飼喂機識別系統(tǒng)識別到個體牛只所佩戴耳標后，單片機控制系統(tǒng)接收牛只信息并控制裝備停止行進。單片機控制系統(tǒng)對識別到的信息進行分析并確定是否投料：如果接收到的信息為有效信息，則控制步進電機驅(qū)動投料裝置對牛只進行精確飼喂；否則，不進行投飼。當料倉精飼料不足時，料位監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出警報信息并提醒工作人員進行加料。

3單片機控制系統(tǒng)設(shè)計

單片機控制系統(tǒng)的功能為：有接收信息管理系統(tǒng)發(fā)送的牛只信息數(shù)據(jù)；將牛只信息數(shù)據(jù)存儲在外擴存儲器；顯示單片機運行狀態(tài)；接收識別系統(tǒng)識別到的卡號并與存儲器中數(shù)據(jù)進行對比；控制給料裝置進行精確給料；控制飼喂機行進。

3.1單片機的選擇

本研究采用宏晶科技開發(fā)生產(chǎn)的STC89C52單片機。STC89C52 是一款單片封裝的微控制器，雙列直插式封裝，共40個引腳，其引腳配置如圖3所示。

圖3　STC89C52引腳配置圖

由于牛場環(huán)境復(fù)雜、干擾源多，因此STC89C52以其高可靠性、超強抗干擾能力、低功耗、高性價比、開發(fā)簡便等突出優(yōu)勢成為控制系統(tǒng)主要元器件。其具有512字節(jié)RAM、32 位輸入輸出口線、看門狗定時器、3個16 位定時器/計數(shù)器、6向量2級中斷、全雙工串行口、片內(nèi)晶振及時鐘電路等標準功能。

3.2單片機數(shù)據(jù)存儲模塊電路設(shè)計

存儲器模塊的主要功能為接收存儲上位機發(fā)送過來的牛只信息。本文所研究存儲模塊采用鐵電存儲器FM1808，存儲容量32kbyte。單片機地址鎖存信號引腳和三態(tài)輸出鎖存器74HC373N的鎖存允許端相連。

FM1808采用先進的鐵電技術(shù)制造，其存儲容量可達32kbyte，讀寫壽命100億次，寫數(shù)據(jù)無延時，存取時間短、功耗低，工作電流25mA，工作電壓5V，工作溫度范圍-40～+85℃；同時，具有特別優(yōu)良的防潮濕及抗震性能，適于牛場惡劣環(huán)境因素和裝備工作振動環(huán)境。

FM1808使用28腳DIP，封裝形式采用SOIC封裝。各引腳功能說明如表1所示。

表1　FM1808引腳電器特性

存儲器模塊硬件連線原理圖如圖4所示。

圖4存儲器模塊原理圖

其中，AD0～AD7為單片機P0端口，A8～A15為單片機P2端口，ALE地址鎖存信號引腳，RD為讀信號引腳，WR為寫信號引腳。

3.3LCD模塊的設(shè)計

LCD液晶顯示模塊用于顯示單片機控制器的運行狀態(tài)。當上位機向單片機發(fā)送信息時，顯示數(shù)據(jù)發(fā)送的卡號和飼喂量信息；當單片機接收來自讀卡器的數(shù)據(jù)時，顯示接受到的卡號信息及卡號所對應(yīng)的奶牛飼喂狀態(tài)。LCD模塊硬件原理圖如圖5所示。

圖5　 LCD模塊原理圖

3.4上位機與單片機的通訊設(shè)計

無線傳輸裝置實現(xiàn)裝備上位機與單片機的通訊，本文所采用無線傳輸裝置為RFD5800嵌入式無線數(shù)傳模塊，傳輸距離為1 000m，工作頻率為470～510MHz，有UART/TTL、RS485、RS232等3種接口。無線傳輸裝置與PC機及無線傳輸裝置與MCU的連接圖分別如圖6、圖7所示。

圖6　無線識別裝置與上位機的連接

圖7　無線識別裝置與單片機的連接

3.5RFID與單片機的通信設(shè)計

本文RFID和單片機通訊采用串口進行通訊，其與無線傳輸模塊共用1個串口，主要通過CD4052芯片對單片機串口進行分時復(fù)用，從而同時實現(xiàn)單片機與上位機、單片機與讀卡器的通訊。串口原理如圖8所示。

CD4052是差分4通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，具有2個二進制控制輸入端、1個INH輸入，峰值為20V的模擬信號可通過幅值為4.5～20V的數(shù)字信號進行控制。CD4502引腳說明如表2所示。

圖8　串口模塊原理圖

引腳號符號功能124512131415IN/OUT輸入/輸出端91011ABC地址端3OUT/IN公共輸出/輸入端6INH禁止端7VEE模擬信號接地端8Vss數(shù)字信號接地端16VDD電源+

3.6料位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

料位監(jiān)測系統(tǒng)用于實時監(jiān)測裝備料倉物料情況，當精飼料不足時，檢測系統(tǒng)發(fā)出警報，提醒工作人員進行加料。本文所述系統(tǒng)主要由超聲波料位測量模塊、報警電路及報警指示燈組成。該系統(tǒng)采用自動測量模式，自動測量時間間隔為25ms，測量模塊采用URM37V3.2超聲波傳感器。

系統(tǒng)測量距離4～500cm，靈敏度1cm，誤差不超過1%。工作時，將測量值與設(shè)定值進行對比：當測量值小于或等于設(shè)定值時，超聲波傳感模塊輸出低電平，報警器不動作；當測量值大于設(shè)定值時，輸出高電平，報警器動作，從而實現(xiàn)料位的檢測報警。超聲波模塊各引腳功能如表3所示。

表3　超聲波模塊引腳功能說明

3.7試驗驗證

該飼喂行進機構(gòu)采取雙模行進方式，人工控制速度為0～6m/s，自動控制速度為0.4～1.2m/s。裝備行進采用直流電動機，調(diào)速采用脈寬調(diào)制調(diào)速，電機帶有制動裝置；當飼喂機停機時，通過單片機控制制動器使飼喂機迅速降速并停止在固定位置。試驗結(jié)果表明：自動控制模式下裝備最佳行進速度0.6m/s，最佳識別距離65cm，系統(tǒng)響應(yīng)時間0.4s，個體牛只識別率96%，識別正確率100%。

給料裝置采用步進電機驅(qū)動螺旋給料裝置進行給料，主軸轉(zhuǎn)速采用60r/min，分別設(shè)定投料值為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0kg，每個目標值進行10次試驗，得到的精度試驗結(jié)果統(tǒng)計如表4所示。由試驗數(shù)據(jù)分析可知：給料精度誤差不高于2%，符合奶牛精確飼喂要求。

表4　不同量程下投料量測量值

4結(jié)論

1)自走式奶牛精確飼喂機單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計，有效實現(xiàn)了個體牛只飼喂數(shù)據(jù)接收、個體牛只精確識別、裝備的自動行進及精確給料。

2)試驗結(jié)果表明：單片機控制系統(tǒng)自動控制模式下裝備最佳行進速度0.6m/s，最佳識別距離65cm，系統(tǒng)響應(yīng)時間0.4s，個體牛只識別率96%，識別正確率100%，給料精度誤差不高于2%，各項指標符合奶牛精確飼喂要求。

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Design of MCU Control System on Self-propelled Precise Feeding Machine for Cows

Li Yaping1, Meng Hewei1, Gao Zhenjiang2, Li Hui2, Kan Za1

(1.College of Mechanical and Electronical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China; 2.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Abstract：In order to improve precise feeding technology for cows, cut down cost, decrease workload, and improve milk production of single dairy cow. On the basis of design of the mechanical structure and for self-propelled precise feeding machine and the information management system for dairy farm, the design of MCU control system was completed in this paper. The cow feeding data receiving and the recognition of the cows individual accurately were achieved, the travel of the equipment and precise feeding were realized. Automation and intellectualization were implementation. The experimental results showed that the best rate of the precise feeding machine was 0.6m/s. The recognition distance of card reader was 65 cm. The response time of machine was 0.4s. The control system can identify 96% of the single dairy cow correctly. The feeding error was controlled at below 2%.

Key words：single dairy cow； precise feeding； MCU； control system； self-propelled

文章編號：1003-188X(2016)02-0179-05

中圖分類號：S818.5

文獻標識碼：A

作者簡介：李亞萍(1980-)，女，黑龍江虎林人，講師，碩士，(E-mail)lyp_mac@shzu.edu.cn。通訊作者：蒙賀偉(1982-)，男，新疆伊犁人，副教授，碩士，(E-mail)mhw_mac@shzu.edu.cn。

基金項目：國家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目(2010GB2G410603)；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團科技支疆項目(2013AB005)

收稿日期：2015-02-02