基于物聯網的生豬精細飼喂系統設計

劉星橋 蔡研

[摘 要]為滿足生豬養殖產業智能化發展的要求，設計了一種基于物聯網的精細飼喂系統。在系統中引入了無線射頻識別技術，提出了在無人值守的情況下，自動識別豬身份并測量其體重值。設計了一種利用PLC控制的自動開關門，確保豬在測量時不受其他豬的影響。針對個體豬在不同生長期對飼料的不同需求，提出了生豬的數字化精細飼喂方式，采用模糊控制技術建立自動飼喂控制器的模型，實現對豬的精細飼喂。通過半年對豬只生長信息實時觀察，驗證了系統的穩定性，同時還驗證了自動稱重系統的準確性，其測量誤差小于0.1kg，相比于傳統的人工喂養方式，本系統通過物聯網技術，實現生豬養殖規模化、智能化。

[關鍵詞]RFID；精細飼養；開關門；體重

[中圖分類號]S828 [文獻標識碼]A

中國生豬養殖業近年來發展迅猛，豬肉產量占世界總產量的近一半但很多生豬養殖依靠人工，自動化水平不高，養殖效益低下，已經無法滿足當前家豬養殖業的需要。規模化、集約化、智能化的養殖方式已成為現代養豬業的一種趨勢。建立基于物聯網的家豬自動飼喂平臺，實時監控豬的相關信息，進行精細飼喂，是提高家豬養殖現代化的有效措施。國外的一些研究機構已經在養豬場應用了現代化的養豬設備，如德國的 Big Dutchman公司的CALLMATIC2系統，加拿大JYGA公司的格式塔智能化繁殖母豬飼養管理系統。國內對于現代化養豬設備的研發起步較晚，目前國內大多數養殖企業無力購買豬場智能化裝備，難以做到對每頭豬進行精準飼喂，立足于國內養豬業的生產水平，研制一套可用于現代化養豬業的智能化飼喂設備具有重大意義。本系統通過RFID技術對豬進行標識，利用GPRS遠程通信模塊實現數據的傳輸，服務器根據接收到的豬相關信息做出決策，控制下位機進行相應的投喂，實現對豬的精細飼喂。

1 系統的總體方案設計

本系統將射頻識別技術與PLC相結合，實現對豬的精細喂養。系統分為傳感控制層、網絡傳輸層和應用層。傳感應用層包括體重、飼料等傳感器和設備控制部分。網絡傳輸層是利用GPRS遠程通信模塊將采集的傳感器數據傳送至服務器。應用層則是由本地服務器、中心服務器構成。本地服務器主要負責現場管理，包括對豬的體重信息采集、開關門及投喂機的控制。中心服務器則負責統計分析多臺本地計算機的數據，并進行綜合管理。系統整體框圖如圖1所示：

電子地磅、稱重料槽、閱讀器等采集的傳感器信息，經過PLC處理后利用GPRS模塊發送至遠程服務器，實現體重、采食量、耳標等信息的采集，同時服務器可利用GPRS模塊將命令發送至PLC，實現執行機構的運轉。

2 開關門設計

為實現豬體重的獨立測量，設計了一種自動門。該裝置設計為單向，即只能從一端進，另一端出，如圖2所示：底座為電子秤，兩側豎立圍欄，限制豬的活動，在雙側圍欄距離后門30cm處懸掛著閱讀器，用于識別豬耳朵上佩戴的電子耳標，識別距離為40cm。豬從秤上走過時，系統可以自動獲取豬的耳標信息和體重數據。

自動門工作原理：自動門初始狀態為前門開、后門關。當豬站在電子秤上時，閱讀器識別到豬的耳標信息，將耳標信息發送至PLC，PLC以此為觸發信號控制前門關（防止其他豬進入秤重），后門開，讓豬測量完后進入采食區。當豬走下秤時，PLC監控到電子秤中體重值為0kg，控制前門開（讓下一頭豬進來），后門關。恢復到初始狀態。

測量裝置采用的是某公司生產電子秤，反應靈敏、讀取速度快，經測試可在0.5s內讀取豬的穩定的體重值。這種自動開關門設計的優勢在于，它集信息采集、身份識別于一體，以耳標信號作為觸發控制信號，相對于紅外識別豬體，進而控制門的開關，這種方案無疑價格更加低廉，而且能滿足實際測量需求。

3 精細飼喂系統設計

3.1 精細飼喂系統的基本組成

本精細飼喂系統根據豬的生長期及體重采食量等信息，實現對豬的精細飼喂。以100頭種豬作為研究對象，利用RFID技術進行標識，當豬從自動稱重系統中走過時，系統自動獲取豬的體重等相關信息，上位機根據接收到耳標序列編號，自動調用數據庫中該豬的相關信息，并根據其品種與生長期信息，與規則庫中的現有規則進行匹配，進而發出命令給下位機，進行相應的投喂。舍內安裝一套自動上料系統并配備多個自動飼喂設備，其工作原理如圖3所示。

該飼喂系統由上位機、下位機（PLC）、RFID系統、步進電機、食槽、稱重傳感器組成。PLC監控到傳感器的相關信息后，進行相應的計算并通過GPRS模塊發送至上位機，上位機計算出相應的投喂量后發送命令給執行機構進行投喂，當稱重傳感器測量到投喂量與計算值一致時，上位機發送停止命令，停止投料。由于飼料投放口距離食槽有一定的距離，導致實際投放量與計算值有一定的偏差。為解決落料的滯后誤差，避免傳統的控制方法的確定模型不能實現精確下料，這里提出利用模糊算法的思想，按照數據庫和規則庫中的信息進行邏輯推理，實現對豬的精準飼喂。

3.2 模糊控制器的設計

飼喂系統主要是控制投喂量來適應個體豬只的需要，將實時投喂量與預設模糊邏輯推理量進行比較，來獲得精確的料量。針對飼料的下落過程中存在滯后這一問題，設計了基于Mamdani型的精細飼喂模糊控制器如圖4所示，利用稱重傳感器獲取落料量的靜態實時值，通過與系統設定的料量值進行比較，得出實時的誤差百分量e和誤差變化率ec。在模糊控制算法中，將誤差百分量和誤差變化率作為模糊控制器的輸入，落料時間作為輸出量。

為系統實現的方便性，采用三角形隸屬度函數分別確定模糊變量e，ec，u的賦值表，將模糊變量尺度歸一化，根據知識庫建立系統所需的控制規則條件（if…then）形式，然后系統根據模糊規則做出相應的下料量命令，完成豬個體精細飼喂的要求。

4 系統軟件設計與實現

4.1 軟件系統基本組成

系統軟件主要分為豬只管理模塊、用戶管理模塊、數據分析決策模塊和系統維護模塊四個模塊，如圖5所示。家豬管理模塊主要記錄豬的采食記錄、進出欄記錄等；用戶管理模塊包括登錄、注冊、用戶權限等相關信息；數據分析決策模塊包括采食曲線繪制，體重變化曲線，系統預警、生產性能測定報告；數據維護模塊包括系統參數設定、數據備份以及恢復。

本系統軟件以Visual Studio 2013 為開發平臺，使用C#語言編寫。采用多線程技術同時處理體重和耳標數據，利用ADO.NET訪問技術將數據存儲到SQL Server數據庫中。傳感器采集的數據通過GPRS模塊發送到服務端，利用Socket通信技術實現數據在網絡中傳輸；考慮到數據從硬件層的采集到傳輸整個過程可能出現錯誤，在編寫上位機的時候，會過濾掉不正常的數據，然后提取正常的數據并進行計算，最終在Winform應用程序中顯示，同時存入數據庫中。

4.2 控制節點程序設計與實現

使用西門子S7-200PLC對開關門進行控制，在STEP 7-MicroWIN編程環境下以梯形圖方法在PC機上編制，經調試編輯后下載至PLC中。程序可實現對開關門進行自動開關，控制流程圖如下：

5 實驗分析與測試

本系統在江蘇省鎮江市某試驗基地進行了試驗，以100頭種豬作為研究對象，通過記錄其生長情況來評估系統的可靠性。結果顯示，系統運行穩定，豬體況得到很大改善，省去了人工飼喂、人工稱重等環節，經濟效益明顯。同時還進行了自動稱重系統的測試，測量誤差小于0.1kg，稱重效率更高。

5.1 精細投喂系統性能測試

經過半年對豬場100頭豬只的數據采集、記錄分析，本系統相對于傳統的限位欄模式，在節省飼料和豬肉品質等方面有明顯改善。其中無脂瘦肉率提高2.9%，料肉比提高3%，飼料浪費情況大幅改善，整體生產性能與限位欄模式比較如表1所示。

5.2 自動稱重系統性能測試

為驗證稱重系統的可靠性，選取50頭豬進行測試。將這50頭豬分別通過人工和自動稱重系統進行測量，測得部分數據如下：

表2的數據是2017年4月5日通過自動稱重系統測量部分的體重數據，經計算該組50頭豬的平均體重為85.92kg，為驗證自動稱重系統性能，在當日同一時間通過人工測量，強制將豬固定在秤中，以保證測量的準確性，計算后平均體重為85.94kg，誤差小于0.1kg。

6 結論

基于物聯網的家豬精細飼喂系統設計實驗表明，豬生長狀況良好，飼料利用率提高了7.92%，自動開關門運行穩定，自動稱重系統測量誤差小于0.1kg，省去了人工稱重手動記錄環節，節省了人力成本。相對于傳統的人工喂養，本系統可以大大推進家豬養殖發展。

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