肉牛自動化無應激動態稱重系統的設計與試驗

趙慧兵，馬 娟，張 杰，李 浩，郭 磊，馮 斌,

(1.新疆農業大學機電工程學院，烏魯木齊 830052；2.新疆農業科學院農業機械化研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】精準飼喂技術是肉牛精細化養殖的關鍵技術之一。實現精準飼喂技術的核心是實時掌握牛只體重信息的變化情況，定期對肉牛進行稱重。根據肉牛體重最佳生長發育曲線制定合理的飼料配方和精確的采食量，以達到最佳育肥效果[1]。目前國內肉牛稱重方式大多采用靜態稱重方式。而對于大型肉牛養殖牧場，牛體型過大以及牛的流動性和隨意性，若采取傳統靜態稱重方法，費力、費時[2]。根據牛的生產周期(月齡或日齡)或目測來估算肉牛體重，既不準確又容易遺漏。在誤差允許的范圍內快速測得肉牛體重尤為重要[3]。【前人研究進展】采用智能控制門的方式，電子稱重計算機采集肉牛重量信息和RFID無線射頻識別技術讀取牛只個體耳標信息。平均稱重4頭牛/min。智能稱重及電子識別數據收集系統采用側面圍欄、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。平均每頭牛稱重時間為18 s左右。SCS系列電子地上衡是專為畜牧業設計的專用電子秤。該公司采用圍欄地磅式的稱重方式，圍欄尺寸較大，可以實現1～5頭牛稱重。前期對牛稱重訓練，牛只稱重時，電子耳標識別器讀取牛只耳標信息，稱重控制器記錄體重信息；稱重控制器測得群體稱重數據與牛只耳標信息一起存儲到控制器中。缺點是牛只耳標信息不能與牛只個體稱重數據一一對應保存；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，平均每頭牛稱重時間為15 s左右。若前期沒有對肉牛稱重訓練，都存在稱重效率不高并且有肉牛會產生應激反應[4]。【本研究切入點】靜態稱重不僅消耗大量的勞動力，而且頻繁稱重會使肉牛產生應激反應。對肉牛稱重提高稱重效率，避免肉牛在稱重過程中產生應激反應。結合肉牛行為特點及生活習性，在肉牛自然行走過程中獲取牛只個體稱重數據，實現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[5]、數字式稱重傳感器以及智能稱重顯示儀表等設備為基礎實施監測肉牛體重數據。需研發一種能夠快速、準確自動監測肉牛體重的動態稱重系統用以配合肉牛智能精細化養殖，對于提高我國肉牛養殖現代化水平尤為重要[3]。【擬解決的關鍵問題】研究一種以數據為核心、設備為基礎、人工輔助決策的自動化肉牛動態稱重系統。安裝在肉牛必經道上，改善肉牛稱重管理數據人工錄入工作量大、誤差大以及肉牛刺激大等諸多弊端，提高稱重效率，加快肉牛養殖現代化進程[6]。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 稱重設備

牛只動態稱重設備一套。在牛只自然行走過稱重平臺過程中獲取肉牛體重信息。以已知質量的砝碼對稱重設備進行靜態稱重校訂；以肉牛為稱重對象進行動態稱重測試。試驗測試100頭牛，其中對具有代表性的18頭牛分析試驗結果。

1.1.2 稱重平臺

稱重平臺機械結構設計采用稱重臺面長度可調節方式。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軌調節。移動臺面與輔助斜面采用死連接。在稱重臺面的前后端設有輔助肉牛上下稱重平臺的斜面。當1頭牛的4蹄完全處于稱重臺面上時，其他肉牛身體的任何部位都不在稱臺上。在此刻第三組耳標讀卡板采集肉牛電子耳標信息，采用高精度數字式稱重傳感器和動態稱重控制器采集肉牛體重數據[7]。肉牛自動化動態稱重系統主要參數總體尺寸(mm×mm×mm)：(1 500～2 250)×750×1 400，稱體材料：結構件：熱鍍鋅鐵管，壁厚2.5 mm 控制柜：304不銹鋼，總體質量：650 kg，稱重量程：0～1 500 kg，稱重效率：6～10(頭/min)，動態稱重誤差：0.5%，電子耳標讀卡率：100%，稱重臺面長度調節范圍：1 500～2 250 mm。圖1

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

牛只稱重排隊通道一端連接牛圈，另一端連接牛只稱重設備。根據牛圈養殖場地的結構，該稱重設備安裝在牛圈兩欄之間，采用換欄稱重方式。牛只排隊依次進入通道，經過稱重平臺再進入對面的肉牛養殖欄中。

1.2.2 稱重系統

打開前后擋門，對牛只進行靜態稱重，等牛只完全在稱重平臺上時，關閉前后擋門，獲取牛只靜態稱重數據；再對牛只進行動態稱重，根據肉牛的體長調節稱重臺面的長度，牛只進入通道依次排隊通過稱重平臺，第一組耳標讀卡板天線監測到肉牛的進入，第三組耳標讀卡板天線監測到肉牛處于稱重平臺最佳位置。信號發送至稱重控制器并采集肉牛體重信息；上位機程序采集到的牛只動態稱重數據進行處理[19-20]。并且結合電子耳標讀卡板采集肉牛耳標信息。最后將牛只稱重信息和耳標信息一一對應保存到稱重顯示儀表。依次稱重獲取一個圈的肉牛牛只體重信息。

包括數字式稱重傳感器、智能動態稱重儀表、通訊模塊。智能動態稱重儀表與RFID耳標讀卡板主機連接配合工作；智能動態稱重儀表上有電源模塊、時鐘模塊、存儲模塊、數據處理模塊、信號轉化模塊和數據傳輸模塊[8]。3組RFID耳標讀卡板天線采集肉牛耳標信息，并且定位肉牛在稱重平臺上的具體位置；通訊模塊與RFID讀卡器主機及PC上位機連接，供電裝置用于為稱重傳感器、動態稱重儀表、通訊模塊和RFID耳標讀卡板主機供電；控制器通過無線通信模塊與后臺服務器和移動終端連接。RFID讀卡器與佩帶于肉牛身上的RFID電子耳標配合使用。稱重傳感器安裝于稱重臺面的4個角。動態稱重儀表、通訊模塊安裝于稱臺的側面；3組RFID耳標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牛只月齡體長體尺特征調節；通過稱重傳感器與RFID耳標讀卡板主機結合，信號發送至智能動態稱重儀表，經過數據處理，將數據發送至稱重顯示儀表[9]。實現肉牛在自然行走狀態下體重的監測稱量。將稱重平臺安裝在牛必經的道路上，測得牛的體重信息。

當牛進入稱重平臺，第一組RFID耳標讀卡板天線感應到牛的進入。肉牛繼續向前行走，直到第三組RFID耳標讀卡板天線采集到肉牛耳標信息時，即牛的4只蹄全部進入稱臺上。稱重控制器接收信號并開始采集肉牛體重數據。控制器將牛的重量和編號進行關聯存儲至存儲器中；則第一頭牛稱重結束。稱重顯示儀表通過無線通信模塊將數據遠程傳輸至后臺服務器或移動終端，通過這些數據可以及時掌握牛體的生長及健康狀況。圖2

圖2 肉牛自動化動態稱重系統

1.2.3 軟件和動態稱重算法設計

1.2.3.1 下位機軟件

下位機軟件的編寫采用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C語言軟件開發系統。Keil提供了C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境將這些分組合在一起[14]。下位機程序主要使用2個定時和2個串口及22個I/O接口。

1.2.3.2 動態稱重算法選擇

該系統的設計目標是保證在肉牛自然行走的過程中監測肉牛耳標信息和重量信息。由于全程肉牛無障礙通過稱重平臺，肉牛的行走特點根據速度的不同可以分為3種情況：第一，平穩行走狀態；第二，行走-停頓狀態；第三，速度較快通過稱重平臺。常用的動態稱重方法有：ADV法、DV法、搜索法、位移積分法、動態補償、建模和參數估計[15]、神經網絡、加速度傳感器與稱重臺配合法[16]、EMD經驗模態分解法等。通過對比分析研究得出，EMD算法更適合肉牛動態稱重。EMD算法作用是將弱信號分解為一組強的IMF信號。分解過程為：第一，尋找出原始數據Xt的極大值點和極小值點，使用3次樣條函數分別擬合為原序列的上下包絡線。最終得到第一個本征模函數分量C1，表示信號數據列中最高頻率的成分；第二，用Xt-C1，得到一個去掉高頻新數據系列R1，對R1再進行數據分解，得到第二個本征模分量C2；重復直到數據系列不可再分解。最后Rn數據序列代表Xt的趨勢[17]。

1.2.3.3 上位機軟件

該系統主要使用軟件的串口接收、數據保存和數據顯示功能。顯示界面主要有牛只編號、月齡、體重、稱重時間；操作功能包括清零、保存、設置、查詢、注銷等[18]。圖3

圖3 系統軟件顯示操作界面

2 結果與分析

2.1 稱重裝置機械結構設計

研究表明，肉牛的4只蹄完全在稱重平臺上時第三組RFID耳標讀卡板天線采集到肉牛耳標信息，信息發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節范圍是1 500～2 250 mm，滿足新疆各地區肉牛稱重要求。稱重臺面長度的調節方式設置有手動和自動調節2種方式。根據肉牛體長特點，自動模式下系統把加長臺面的長度分為6等分，每等分的調節長度設置為100 mm。單片機控制器發送信息驅動電機運作，電機驅動皮帶運轉實現稱重臺面的加長。

2.2 牛只識別定位監測稱重技術

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為矩形磁場分布，其3組磁場分布高均為1 400 mm,寬為100 mm的窄條矩形形狀。磁場分布的強度和長度可以根據讀卡板主機能量按鈕進行調節。肉牛進入稱重平臺時頭部不管處于低頭、平頭還是昂起狀態，耳標讀卡板天線都能采集到肉牛耳標信息。第一組耳標讀卡板放置稱重平臺前端位置，第二組耳標讀卡板放置稱重平臺中間位置，第三組耳標讀卡板放置稱重平臺末端位置。第二組和第三組耳標讀卡板安裝位置可以根據肉牛的體長進行調節，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 牛只識別定位監測示意

在稱重平臺前段設置單行通道，肉牛有序排隊。當第一頭肉牛的頭部經過稱重平臺前端時，第一組讀卡板天線采集到肉牛耳標信息，表示有肉牛進入稱重平臺。同時信息反饋給稱重控制器。重量呈上升趨勢；肉牛繼續行走，第二組耳標讀卡板天線識別到肉牛耳標信息，表示肉牛處于稱重平臺中間位置。當肉牛行走到稱重平臺末端時，第三組耳標讀卡板天線識別到肉牛耳標信息，表示肉牛4蹄完全處于稱重平臺上面。第一頭牛稱重結束。

當第二頭肉牛開始進入稱重平臺，狀態分為3種情況。第二頭肉牛頭部與第一頭肉牛尾部有一段距離，則稱重數據不會產生干擾情況；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，第一頭牛的稱重數據已經被獲取到，不影響稱重數據的干擾；第二頭肉牛的頭部處于第一頭肉牛尾部的上面，出現交錯現象。若第一頭肉牛的頭部還沒到達第三組耳標讀卡板的位置，此時第一組耳標讀卡板處于不工作狀態(失效狀態)，直到第三組耳標讀卡板識別到肉牛體重信息時，稱重數據獲取之后，第一組耳標讀卡板才能正常工作。此時第二頭肉牛頭部已經過了第一組耳標讀卡板的識別位置，隨著第一頭肉牛的離開，第二頭肉牛頭部到達第二組耳標讀卡板位置，表示第二頭肉牛已經到達稱重平臺中間位置。第二頭肉牛繼續向前行走，第三組耳標讀卡板識別到肉牛耳標信息，采集肉牛體重數據。依次稱重。

2.3 以不同月齡的肉牛進行動態稱重試驗并計算動態稱重系統誤差

研究表明，其月齡包括6個月、8個月、10個月、12個月、16個月、20個月。稱重研究發現，表2數據匯總后，前6頭牛為平穩行走通過稱重平臺；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。系統輸出動態稱重數據。

肉牛動態稱重誤差在0.5%以下，可以達到實用要求。具有代表性的18頭肉牛進行計算系統稱重誤差。稱重誤差從大到小依次排序為：速度較快運動狀態≥行走—停頓運動狀態≥平穩行走運動狀態≥靜態稱重狀態。但是通過系統程序對動態稱重的補償之后，其誤差相差降低，數據應用可行性強。表1

表1 肉牛稱重變化Table 1 Weighting data

3 討 論

3.1由于肉牛養殖地域差異、環境設施差異、肉牛品種及肉牛習性的差異都會導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]。本系統稱重臺面采用長度可調節方式與靜態稱重相比較，導致稱重精度降低，后期對肉牛自動化無應激動態稱重系統的稱重精度需要進一步研究。

3.2系統采用電子耳標讀卡板天線識別肉牛耳標信息，判斷肉牛處于稱重平臺的位置，若信息延時反饋，對位置的判斷存在一定的誤差性，后期需進一步改進。

3.3數據處理以MS為單位采集50個數據，對50個數據進行數據處理分析。得到接近肉牛體重的真實值[13]。若數據量再增大，則數據處理結果會更加可靠。

4 結 論

4.1研發出了一種適合肉牛生活習性和行走特征的自動化動態稱重系統。該稱重設備采用防抖動模式，稱重過程完全自動化，有效數據實時上傳后臺服務設備。在肉牛自然行走的過程中較準確監測出肉牛體重信息，肉牛稱重過程中全程無障礙通過，避免肉牛稱重時產生應激反應，提高肉牛養殖場養殖生產效益。

4.2肉牛在行走—停頓運動狀態和平穩運動狀態通過稱重平臺時，誤差在0.2%以下；肉牛速度較快通過稱重平臺時，誤差在0.5%以下。平均每頭牛稱重時間為7.33 s，平均每小時稱重480頭牛左右。在相同稱重條件下，稱重效率提高了40%。由于牛經過稱重平臺時有沖擊作用，誤差均為正。在稱重過程中，肉牛沒有產生應激反應，提高了稱重效率。