基于单片机的奶牛精确饲喂装备设计与试验

２０１

１年１月

农业机械学报

第４２卷第１期

基于单片机的奶牛精确饲喂装备设计与试验

李继成１

木

高振江１肖红伟１蒙贺伟２坎杂２

（１．中国农业大学工学院，北京１０００８３；２．石河子大学机械电子学院，石河子８３２０００）

【摘要】

设计了以计算机为信息管理平台，以单片机为数据处理和控制平台，利用无线射频识别技术进行个

体识别的奶牛精确饲喂装备。建立了装备的工作参数并进行了精度验证。通过一个月的饲喂试验表明，该装备技术可显著提高奶牛产奶量及其品质，使奶牛平均日单产提高３．９ｋｇ，且牛奶平均脂肪含量为３．７４ｇ／（１００ｇ），平均蛋白含量为２．９８ｇ／（１００ｇ）。

关键词：奶牛精确饲喂单片机产奶性能中图分类号：ｓ８１７．３

文献标识码：Ａ

文章编号：１０００—１２９８（２０１１）０１—０１０１—０５

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ＫｅｙｗｏｒｄｓＣｏｗ，Ｐｒｅｃｉｓｅｆｅｅｄｉｎｇ，ＭＣＵ，Ｍｉｌｋｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

引言

奶牛瘤胃的发酵状况直接影响产奶量及其品质，瘤胃ｐＨ值是评价瘤胃发酵状况的基本指标，其理想的酸度为ｐＨ值６．４～６．８¨。。所以在奶牛的饲养管理中需要稳定瘤胃ｐＨ值。

我国奶牛传统的精、粗饲料分时分别饲喂法会导致瘤胃酸度波动较大，因此提出了将奶牛分群，精、粗饲料按一定配比进行饲喂的全混合日粮

（ＴＭＲ）的概念。ＴＭＲ饲喂虽然可以稳定奶牛瘤胃ｐＨ值，但奶牛所需精饲料量因奶牛个体差异明显，该饲喂方法不能满足每头奶牛所需的精饲料。倪志江等’２。设计了一种智能化个体奶牛精确饲喂机并且进行了一个月的验证试验，结果显示使用此饲喂机可以显著提升奶牛产奶量，但该饲喂机易堵料，在工作时须携带计算机，成本较高、不便操作，且只进行了产奶量试验未进行品质检测试验。本文是在倪志江研究的基础上对机械结构和软件控制系统进行

收稿日期：２０１０—０３—１９修回日期：２０１０—０３—３１

＋新疆建设兵团２００９年度师市科技计划资助项目（２００９ＧＹＩ１）

作者简介：李继成，硕士生，主要从事农业机电一体化研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｊｅ５２６３＠１２６．ｃｏｎ通讯作者：高振江，教授，主要从事农产品加工及农业装备研究，Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｊｇａｏ＠ｃａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

万方数据

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删和分析

ｌ总体结构与原理

１

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奶牛柚嘶州喂装箭简阿ｎ『Ｉ【目Ｉ所小．１：世…机

撤结构和软件控制最绕ｇＩ成

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１

２工作原理

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通过计抖机的佰息求＾系统ｆ々送片储盯刮啦片机巾ｔ：饲喂时．断肝｝１算机将夺制喂装箭住ｒ奶牛饲槽前．“｛饲喂裟箭淤州雠移动到奶牛ｉＩ舯斤时，ＲＦＩＤ系统ｒ｜功ｉ，ｑＮ奶牛Ｊ＃袋Ｌ的标镣，州喂袋箭停止前进．Ｒ¨１）将烈别纠的抓档呼通过。Ｊ竹片机的通信传谜到币片机，竹片机硼川Ｉ圯前存＾的十似姗牛甜旺数描．按』ｌｆ｛已有的州料锕喂模割’汁锋所需精制料艟椰｛５｝料时州Ｉ，鹏功蝶旋送料装惯．把缸头奶牛所需的特制料补觅料洒ｎ?蚺础料ｌ

投料纠．求后．

蜘喂装钎继续脯进．进行Ｆ头奶’ｒ的＃ｌ删和｛．ｄ喂，

２

机械结构殛动力

２．１机械结构

蜘喂装籍机械结掏包括３个部分料仓、蝶旋送料装嚣行止装件儿巾倪，占ｆｌ：蹬计的州喂机（原悄喂帆）螺旋送抖装博采川口ｊ！Ｉｉ分圳为４０ｍｎ，剌

７０舢?双螺旋ｊ！｝行逆料．水吐汁采用３撒坐螺＂，螺

旋进行送料以解决娘订等蜾目ｔ螺旋的堵抖ｎ４趔（嘲２），提尚Ｉ’送料帕连续悱．从机械机构１．佩ｌｄｌｒ

投料精度，铒撤３段蝶目一分别为２５，３５．４０

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ｌ作

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２２动力系统

删法钔喂装祷Ｉ怀过袱ｔｌ－需要拒牛禽一ｌ－进行移

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斋帕拄｝料谴崖该州喂帔簖迁Ｍ符ｒＰＷＭ喇“｛】ｉｃ脉宽捌逑器．他ＪＥ螺旋转速成为“ｆ埘

３软件控制系统

３

Ｉ

计算机信息录入系统界面设计

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’＿数据库的往接址小…奶牛个体衍也数辨；，）ｒＦ１动发送剖巾』Ｉ进｛Ｔ通衍拌州㈨【ｑ３所不，竣界『Ｉｆ『也插４十Ｋ域：个体奶牛ｆｉ息康人』ｘ数仲；传输状卷

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３

２计算机与单片机的通信

删喂装备ｎ－Ｉ作ｔｌ，利川ｆ片机代特ｉＩ算机进｛ｒ

奶牛信息的仔储和数据的处邢运讳，【Ｈ此要通吐计算机。ｊ廿片机的通信将奶牛信０数捕：ｆ々送外行睹Ｊ’

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３．２

１

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２址立通信端Ｉｌ

计算机‘ｏ竹Ｊ｝机的通信协泌为：束川Ｉ异步＾式

第ｌ期李继成等：基于单片机的奶牛精确饲喂装备设计与试验

１０３

传送数据，无奇偶校验，８位数据位，１位结束位，传输的数据传输速率为９６００ｂｉｔ／ｓ。在ＦｏｒｍＩ—Ｌｏａｄ事件程序区段中添加代码“ＢＳ２３２＝Ｎｅｗ建立通信端口。３．２．３发送数据

ＲＳ２３２．Ｗｒｉｔｅ（Ｄａｔａ，０，Ｃｏｕｎｔ），其中Ｄａｔａ为所传送的数据，类型为Ｂｙｔｅ；Ｃｏｕｎｔ为Ｄａｔａ的长度。

３．３

ＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ

通过计算机管理软件依据奶牛个体信息计算投料时间值，然后将时间值发送到单片机从而实现延时控制，因此该机器在饲喂过程中须携带计算机。

利用维根协议实现ＲＦＩＤ与单片机的直接通信，ＲＦＩＤ采用Ｐ２３１型远距离读卡器，搭配１３３４卡片工作，识别距离可达（５０±５）ｅｍ，使用维根

（ｗｉｅｇａｎｄ５０）格式输出；单片机采用ＳＴＣ８９Ｃ５２芯

（”ＣＯＭｌ”，９６００，Ｐａｒｉｔｙ．Ｎｏｎｅ，８，ＳｔｏｐＢｉｔｓ．Ｏｎｅ）”

片。利用外部中断读取数据直接通信，使该装备在工作过程中可动态识别，实现脱离计算机工作。程序框图如图４所示。

ＲＦＩＤ与单片机的通信

原饲喂机用ＲＦＩＤ与计算机通信来传递数据，

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图４外部中断程序框图

Ｆｒａｍｅｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｌｅｒｎａｌ

毒

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ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｐｒｏｇｒａｍ

３．４单片机延时控制

单片机经过计算得出投料时间，通过启动延时程序控制螺旋启停。该程序控制时间精度为０．１从软件上保证了饲喂装备的投料精度。３．５单片机主控程序设计

单片机通过串口中断接收并存储计算机传来的奶牛个体信息数据；通过外部中断与ＲＦＩＤ通信接收识别到的卡号信息；调用与识别到的卡号相对应的奶牛个体信息数据并进行处理运算，得出投料时间；通过延时函数控制电动机的启停。单片机程序框图如图５所示。

ｓ，

串ＩＩ初始化饲喂Ｉｉｉ『

Ｉ

饲喂时

串ｌＩ巾断接收信息数据

ｌ外部巾断接收卡号数据

［ｉｆ——（—ｒ—ｅ——ａ—ｄ——＿—，ｆｌ——ａ—ｇ——＝——＝１）Ｆ

调用对应信息

斗可赢丽押

Ｉ若符合规则ｌ

际ｄ盖司

４饲喂装备参数的确定

４．１转速的设定

分别测得螺旋转速在１００、１２０、１５０ｒ／ｍｉｎ时４、

５、６、７、８、９、１０

二二［二二［二二［

处理信息数据置ＰＩ．３低平启动电动机

延Ｈｔｔ鬻ＰＩ．３高平仔Ｉ卜电动机Ｉｏ控制结来

ｓ的投料量，各进行１０次重复试验，

Ｆｉｇ．５

３

图５单片机程序框图

ＦｒａｍｅｄｉａｇｒａｍｏｆＭＣＵｐｒｏｇｒａｍ

试验材料为西部牧业新疆泉牲牧业有限责任公司生产的５６１一Ｈ型泌乳期奶牛精料补充料。经计算：４

万方数据

农业机械学报

得１５０ｒ／ｍｉｎ转速下该装备投料稳定性最佳，故本装经计算得出该饲喂装备的投料模型为

Ｍ＝一０．４６＋０．６１丁

备螺旋的转速设定为１５０

４．２投料模型

ｒ／ｍｉｎ。

式中肘——投料量，ｋｇ

４．３精度验证

由于电动机的启动和停止有加速和减速的过程，因此需要确定投料量和投料时间的函数关系，拟合出１５０ｒ／ｍｉｎ转速下的投料模型，并写入单片机程序以计算螺旋运行时间。在转速设定试验中，得到投料量与时间关系曲线如图６所示。

卜投料时间，Ｓ

奶牛在精细饲养过程中，如果１ｄ按３～５次饲喂计算，则投料精度应小于量程５％时才能满足个体体况营养的需求‘４。。

在实际生产中，每头奶牛每次饲喂的精饲料量

在２～６ｋｇ之间。该饲喂装备在１５０ｒ／ｒａｉｎ转速下，

投放目标值为２、３、４、５、６ｋｇ的物料，各进行１０次重复试验，试验结果如表１所示。

投料时间／ｓ

经计算可知，在不同量程条件下均值对目标值的相对误差均小于５％，该投料模型符合精度要

求。

图６投料量与投料时间关系曲线

Ｆｉｇ．６

Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｆｅｅｄｉｎｇ

ａｍｏｕｎｔ

ａｎｄｔｉｍｅ

表１不同量程下质量测量值

Ｔａｂ．１

Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒａｎｇｅｓｏｆｗｅｉｇｈｔ

ｋｇ

５

试验设计与分析

为验证该饲喂方法对奶牛产奶量及产奶品质的

５＿娄？篙豢分别列出了产奶量试验组和对照组

的个体奶牛产奶量的变化情况。

表２试验组奶产量变化情况

Ｔａｂ．２

影响，于２００９年７月２５１３至２００９年８月２４１３在

新疆石河子西部牧业牛场进行了为期一个月的饲喂验证试验。

５．１

Ｍｉｌｋａｍｏｕｎｔｉｎｃｒｅａｓｅｄｔａｂｌｅｏｆｔｈｅ

ｔｅｓｔ

ｇｒｏｕｐ

ｋｇ

试验设计

从２号牛舍随机选择７０头试验奶牛进行单独饲喂。在所选７０头试验牛中，产奶量为２０～２４

ｋｇ，

２４～２８ｋｇ，２８～３２ｋｇ，３２～３６ｋｇ，３６ｋｇ以ｊ二的区ｆ司

内各选择一或两头奶牛做产奶量的样本，共１０头；在同样产奶区间内各选择一头奶牛做产奶品质的检测样本，共５头；仍从２号牛舍中选择１０头产奶量和产犊１３期与产奶量试验组样本大致相同的奶牛作为产奶量对照组。对照组按牛场原有的ＴＭＲ方式进行饲喂，饲喂和挤奶的次数与时间均同试验组相同。

试验组和对照组均每天饲喂３次，挤奶３次。

每２ｄ记录一次产奶量，对于试验组，前一次的奶产

量作为下一次精饲料投喂量计算的参数；每天中午测定并记录５头品质检测组奶牛的牛奶品质。

表４列出了检测组的个体奶牛牛奶品质的平均脂肪含量和蛋白含量。

万方数据

第１期李继成等：基于单片机的奶牛精确饲喂装备设计与试验

１０５

表３对照组奶产量变化情况

Ｔａｂ．３

组奶牛平均产奶量普遍大幅下降，只有Ｂｌ、Ｂ３、Ｂ７这３头奶牛产奶量略有提高，说明除了这３头牛外，其他奶牛所摄取的精饲料量均无法满足自身的生理及产奶需求，没有发挥奶牛个体的产奶潜力。

由此可见，试验组奶牛应用现有饲喂装备技术进行饲喂管理可提高泌乳高峰期奶牛的产奶峰值，也可提高泌乳后期奶牛的产奶量。对照组应用ＴＭＲ分群饲喂的处于泌乳中后期的奶牛产奶量既没有提高，也没有维持在高峰期水平，而呈逐步下降趋势，这不利于提高奶牛单产水平。经计算得，试验

组平均产奶量为３１．０ｋｇ／ｄ，对照组平均产奶量为

２７．１

ｋｇ

Ｍｉｌｋａｍｏｕｎｔｉｎｃｒｅａｓｅｄｔａｂｌｅｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｇｒｏｕｐ

ｋｇ／ｄ，试验组平均每头牛每天比对照组多产

３．９ｋｇ牛奶。

５．３．２牛奶品质分析

从表４可知，５头奶牛随着产奶量的递增，平均脂肪含量和蛋白质含量并没有随之增加或降低，而是无规律变化，原因是奶牛生理特征复杂，牛奶品质因个体差异而相差悬殊，此外还与饲料成分、挤奶方

霉善

产犊日期

／ｋｇ

产奶量平均脂肪含量平均蛋白含量

／ｇ?（１００ｇ）～／ｇ?（１００ｇ）一

式、挤奶时间、挤奶环境、气候等因素密切相关。

从检测组整体牛奶品质来看，５头奶牛本月所产牛奶的平均脂肪含量为３．７４ｇ／（１００ｇ），平均蛋白含量为２．９８ｇ／（１００ｇ），均高于国家规定的标准

（脂肪含量３．１０

２．８０ｇ／（１００ｇ））‘“。

ｇ／（１００ｇ），蛋白质含量

６

５．３试验分析５．３．１产奶量分析

从表２、表３可以看出，试验组奶牛除了Ａｌ、Ａ３、Ａ８这３头奶牛平均产奶量出现负增长外，其他奶牛平均产奶量均普遍提高，这说明奶牛摄取的精饲料普遍能够满足自身的生理及产奶的需求；对照

参

考

结论

（１）该饲喂装备以计算机为信息录入端口，以

单片机为数据处理和控制平台，利用无线射频识别技术进行识别，实现了奶牛精确饲喂的自动化。

（２）饲喂试验表明，采用该装备技术对奶牛进行饲养管理可有效提高奶牛产奶量，保证牛奶品质。

文

献

１蒋万，张巧娥，杨库．反刍动物的瘤胃消化生理及调控［Ｊ］．黑龙江畜牧兽医，２００５（９）：２６～２７．

２倪志江，高振江，蒙贺伟，等．智能化个体奶牛精确饲喂机设计与实验［Ｊ］．农业机械学报，２００９，４０（１２）：２０５～２０９．

Ｎｉ

Ｚｈｉｊｉａｎｇ，ＧａｏＺｈｅｎｊｉａｎｇ，ＭｅｎｇＨｅｗｅｉ，ｅｔａ１．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄ

ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ

ｏｎ

ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｐｒｅｃｉｓｅ

ｆｅｅｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｆｏｒｓｉｎｇｌｅｄａｉｒｙ

ＣＯＷ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＭａｃｈｉｎｅｒｙ，２００９，４０（１２）：２０５～２０９．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）

３高雪．奶牛精确饲喂控制系统的设计研究［Ｄ］．北京：中国农业大学，２００８．

ＧａｏＸｕｅ．Ｓｔｕｄｙ

ｏｎ

ａｎ

ａｕｔｏ—ｃｏｎｔｒｏｌ

ｓｙｓｔｅｍ

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４方小明．智能化移动式奶牛饲喂装置的设计及试验研究［Ｄ］．北京：中国农业大学，２００８．

Ｆａｎｇ

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ＣｈｉｎａＡｇｒｉｃｕｈｕｒａｌ５

ＧＢＧＢ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００８．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）

１９３０１－－２０１０食品安全国家标准生乳［ｓ］．１９３０１—２０１０

Ｎａｔｉｏｎａｌｆｏｏｄｓａｆｅｔｙｓｔａｎｄａｒｄ

ｒｏｗ

ｍｉｌｋ［Ｓ］．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）

万方数据