中国是世界猪肉生产与消费大国[1]。据国家统计局公布数据显示，2020年全国猪、牛、羊、禽肉产量约7 639万t，其中猪肉4 113万t，占总量的53.84%；全国农林牧渔业GDP为81 104亿元，猪肉消费贡献比例高达22.44%。中国生猪养殖产业长期保持快速增长态势，并向规模化、产业化发展[2-3]。生猪饲喂是生猪养殖流程中的关键环节，直接与生猪养殖效率及生猪产品质量相关[4]。随着生猪养殖规模不断扩大，传统生猪饲喂环节中出现饲喂环境不合格、饲喂管理无规模、饲喂智能化程度低等一系列现实问题[5-7]。本文基于物联网技术研制一套生猪精准投饲系统，以期为优化生猪养殖业饲喂流程、推动生猪养殖业现代化发展提供参考。1系统设计1.1系统整体方案1.1.1设计思路本研究基于物联网技术的生猪精准投饲系统采用模块式设计方式，系统运作流程见图1。首先，当生猪靠近饲喂区，射频识别模块的读卡器读取生猪射频识别卡信息，从精料投饲数据库中检索对应生猪投饲量、投饲次数和投饲时间等信息，进行饲喂条件判断。其次，当生猪满足饲喂条件时，管理模块向门禁电动机发布指令，打开门禁栏杆，生猪进入围栏。同时系统根据生猪饲喂量自动计算步进电动机转动步数，向自动配料模块发送信号控制步进电机转动，实现饲料精确投放。最后，待投饲结束后，猪栏门禁关闭，开始下一头生猪的饲喂。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.05.026.F001图1系统运作流程1.1.2系统整体结构基于物联网的生猪精准饲喂系统由数据中心、管理平台、本地控制中心以及各个饲喂节点组成，生猪精准投饲系统整体结构见图2。数据中心是存储生猪养殖全流程数据的基本载体。管理平台是实现远程饲喂控制的工具。通过管理平台，养殖人员能够远程操控生猪养殖场内部架设的各类物联网部件，实现生猪的精准投饲。饲喂节点是生猪投饲系统的基本单位，其内部包括生猪称重、料槽称重、耳标识别采集、饲喂管理决策、下料控制等功能模块。生猪养殖场内多个饲喂节点构成一个汇聚节点，由汇聚节点上的主机控制。多个汇聚节点构成生猪养殖场本地控制中心，负责统筹管理养殖场所有生猪的精准投饲。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.05.026.F002图2生猪精准投饲系统整体结构1.2系统硬件设计1.2.1主处理模块1.2.1.1单片机选取单片机是一种集成电路芯片，主要由随机存储器、只读存储器、中央处理器、I/O端口以及定时器等部件构成[8-9]。目前，市场上供选机型大致可分为ARM系列、MSP430系列以及51系列。与其他单片机系列相比，51系列单片机具有更高的兼容性和更好的基础性能[10]，能够较好地适配本次研究实际需求。考虑本系统射频识别等部件需要长时间运转，对单片机运算能力与稳定性能要求较高，最终选取STC公司生产的STC89C54RD+型单片机作为主处理器，STC89C54RD+型单片机主要参数见表1。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.05.026.T001表1STC89C54RD+型单片机主要参数项目产地控制回路数相数准确度等级触点类型参数中国43相0.2级1NO1.2.1.2主程序设计单片机的主程序需依据系统所需完成的功能设定，包括定时器设定、协议适配以及应用初始化等内容，其核心代码设定如下：Void main ( ){unsigned char DE1,DE2,DE3,DE4;unsigned char T=0;WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; //看门狗，将WDTPW+WDTHOLD赋值付给WDTCTL这个寄存器。Clock_ Initial( ); //初始化时钟Port_Initial( ); //初始化端口P0OUT=0XFF;P1SEL=BIT2;LCD_init( ); //TFT驱动CAP_init( ); //TFT驱动LCD_write_com(0X89) ; //发送命令LCD_write_data(0x30); //发送数据Init_ADXL345( );DE= Single_Read_ADXL345(0X00);LCD_write_com(0x80);LCD_write_data(0x30+DE2);LCD_write_data(0x30+DE1);LCD_write_data(0x30+DE3);_EINT( );While(0){RFID( ); //识别SENSOR( ); //传感ACTUATOR( ); //驱动display_data();}}1.2.2射频识别1.2.2.1电子标签目前，市场上存在项圈式、胶囊式以及电子耳标式等多类应用于识别和追踪动物的RFID电子标签[11]。电子耳标因其较强的抗冲击性、耐腐蚀性以及防水防尘特性，广泛应用于动物身份识别领域[12]。本研究中所采用的电子耳标以SMC4001芯片作为核心元器件，具有成本低、可靠性高等优点。该电子标签的基本参数为：直径31 mm、高7 mm、重10 g，工作温度为-40~90 ℃，识别距离最大可达100 mm。1.2.2.2射频识别模块实现过程射频识别流程见图3。一般情况下，读写器处于运行状态，可不间断地在探测范围内持续寻找有无耳标；若探测到耳标存在，即对耳标是否有效、能否读取信息进行判断；若能够读取耳标信息，且所读取的数据正确，则通过主模块将其传输至后台管理系统，实现射频模块功能。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.05.026.F003图3射频识别流程1.2.3称重传感模块1.2.3.1称重传感器的选取传感器是支撑物联网系统运转的基础器件[13]。称重传感器是将质量信号转换为可测电信号的设备[14]。称重传感器的工作原理是：弹性敏感元器件与电阻应变器组成特定形式电桥，当称重传感器弹性元件发生形变时，将改变电阻应变器阻值，进而将压力信息转化为电信号输出[15]。本研究过程中需称重的地方共有两处，分别为：在饲喂槽下方需要设置称重传感器，以便能够及时感应生猪吃料情况；在生猪称重区域设置称重传感器，以便即时获取生猪体重信息。两处所采用的称重传感器均为南京天光电器科技有限公司生产的NTJH-1型称重传感器，该型号传感器采用合金钢材质，适用于多种测力称重系统，具有精度高、耐用性好、输出对称性好等优点。称重传感器技术参数见表2。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.05.026.T002表2称重传感器技术参数参数类型范围额定载荷30 N~1.5 kN综合精度0.05%~0.10%F·S灵敏度2.0 mV/V蠕变±0.05%F·S/30 min安全过载150%F·S温度范围-20~65 ℃材质合金钢1.2.3.2称重传感模块实现过程称重传感模块实现流程见图4。当弹性敏感元器件发生变形时，称重传感器输出代表重力信息的电信号。该电信号经过放大器放大，进入V/F转换器，转化为能够被单片机识别的频率信号后，V/F转换器将频率信号传输至单片机中。单片机在接收到频率信号的同时，立刻计算出对应重量并将其传输至数据中心的数据库。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.05.026.F004图4称重传感实现流程1.2.4下料控制模块1.2.4.1步进电机的选择步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的机电执行元件[16]。本研究选取百格拉公司生产的三项混合式步进电机。该电机采用了与传统两相和五相电机完全不同的控制形式，在电机磁极、齿形及其排列方式、转子直径、气隙、磁通等方面更具优势，能够较好地匹配本研究的各项需求。1.2.4.2下料控制模块工作流程下料控制模块的具体控制流程见图5。当生猪进入投饲区准备进食时，预先置于投饲器件上方的射频识别器读取生猪电子耳标信息，将识别信息反馈到饲喂决策模块。饲喂决策模块依据生猪基本信息计算出该生猪采食条件，若该生猪符合采食条件，则系统发送下料命令，催动步进电机转动一定角度促使饲料仓下料。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.05.026.F005图5控制流程1.3系统软件设计1.3.1系统功能模块设计（见图6）由图6可知，基于物联网的生猪精准投饲系统主要包含用户基本管理、生猪基本管理、饲喂决策管理以及系统维护管理等4大功能模块。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.05.026.F006图6系统功能模块划分用户基本管理模块：主要功能是管理用户基本信息，包括用户信息管理与用户权限设定等两个子模块。生猪基本管理模块：主要功能是管理生猪信息，包括生猪体重管理、生猪饲料管理以及生猪饲喂管理等3个子模块。饲喂决策管理模块：依据传感器返回的生猪基本信息，对生猪采食情况、饲料下料情况进行分析。系统维护模块：负责生猪精准投饲系统的日常维护，包块系统数据备份恢复以及系统参数设定等内容。1.3.2数据库设计1.3.2.1数据种类需求分析对生猪养殖场的实际需求分析，设置如下数据项：传感器数据项：主要包括传感器识别编号、种类、使用时间、作用、参数、名称等字段信息。生猪数据项：生猪编号、记录信息、生猪所在猪舍、生猪品种、生猪体重以及生猪入栏时间等信息。报警控制数据项：开始信息、结束信息、报警等级等信息。饲料数据项：饲料编号、饲料日期、饲料库存、饲料配方以及饲料类型等信息。管理用户数据项：用户编号、用户账号、用户密码、用户权限等信息。1.3.2.2E-R图设计E-R图是将抽象需求转换为实体模型的一种设计工具。利用E-R图可在系统需求明确的基础上，将多种需求类型抽象为实体间的相互关系[17]。本研究中的数据实体包括生猪实体、饲料实体、用户实体、传感器实体，E-R关系见图7。图中矩形表示实体，椭圆形表示实体属性。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.05.026.F007图7E-R关系1.4抗干扰设计抗干扰设计是系统设计过程中不可忽视的一项环节，对提升系统稳定性和持续性具有重要意义[18]。为提高精准投饲系统的抗干扰能力，本研究主要采取以下措施：硬件方面利用光耦隔离方式削弱输入信号与控制系统之间以及输出信号与执行机构之间的相互干扰；使用屏蔽线作为信号线，减少传输线路之间的干扰。软件方面运用软件冗余技术，保证软件指令执行的可靠性；设置软件陷阱，拦截跑飞程序；设计程序监视器，确保程序能够及时跳出死循环。2试验设计与分析2.1试验材料2.1.1试验动物选取50头品种相同、生长周期相同的40~50 kg生猪进行试验研究。2.1.2试验日粮本试验所用生猪日粮为研究人员自行调配，日粮主要成分为：玉米、小麦麸、豆粕、鱼粉、棉籽粕、菜籽粕、植物油、石粉、磷酸氢钙、蛋氨酸、赖氨酸、预混料、盐。其营养水平为：消化能17.20 MJ/kg、粗蛋白质21.17%、钙1.83%、赖氨酸0.97%、总磷0.85%。2.2试验设计50头生猪随机分为2组（试验组和对照组），进行区别饲养：试验组生猪进行自动精准饲喂，对照组生猪进行人工饲喂。试验期90 d。通过生猪精准投饲系统采集与记录50头生猪的饲喂信息、体重信息以及生产信息数据，以进行试验分析。2.3饲养管理在试验场所安装研发的精准投饲设备若干套。试验猪舍采用单排猪笼。早、晚各饲喂1次，采用除菌过滤饮水，饲喂试验结束按要求称重并记录。2.4测定指标及方法2.4.1平均日增重生猪预试期结束后，对90日龄两组生猪空腹称重。正式试验期结束时，对180日龄生猪进行空腹称重，计算平均日增重。平均日增重=(末重-初重)/试验天数(1)2.4.2料重比料重比是指某一时期内育肥猪每增重1 kg所消耗的饲料量[19]。料重比反映了育肥猪对饲料的转化效率。料重比=平均日采食量/平均日增重(2)2.4.3背膘厚度背膘厚度可表示生猪的脂肪含量。生猪背膘厚度越薄则瘦肉率越高；相反，则瘦肉率越低[20-21]。该指标在养殖场景中一般采用背膘仪测量，膘厚和眼肌厚的测量点一般取肩胛后沿、最后肋处及腰荐接合处距背正中线4 cm处，3点的平均值即为背膘厚度。2.5结果与分析生猪精准投饲系统对生猪生长性能的影响见表3。由表3可知，试验周期内，试验组生猪平均日增重0.87 kg，而对照组生猪平均日增重为0.81 kg，试验组生猪平均日增重比对照组高7.41%。由此可见，在其他条件完全相同环境下，采用生猪精准投饲系统饲喂的生猪生长速度更快。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.05.026.T003表3生猪精准投饲系统对生猪生长性能的影响组别90日龄平均体重/kg180日龄平均体重/kg平均日增重/[kg/(头·d)]料重比背膘厚度/mm试验组42.86121.300.872.9110.22对照组41.77114.500.813.5310.36采用生猪精准投饲系统饲养的生猪每增重1 kg，消耗2.91 kg饲料；采用传统饲养方式饲喂的生猪每增重1 kg，消耗3.53 kg饲料。表明经过生猪精准投饲系统依据生猪个体状况对每只生猪采食进行精确计算、精准给料后，相同条件下试验组饲料转化率明显更高，饲料利用效果更好。试验组猪平均背膘厚度为10.22 mm，对照组猪平均背膘厚度为10.36 mm，试验组明显低于对照组，说明试验组生猪体脂肪较少、瘦肉率较高，生猪生长性能更好。综上所述，使用基于物联网技术的生猪精准投饲系统喂养的生猪，生长速度与生长性能均显著强于人工饲养的生猪。研究表明，基于物联网技术的生猪精准投饲系统能够应用于生猪养殖实践，且在后期持续使用过程中可显著提升生猪养殖效率，提高生猪养殖场效益。3结论为推动生猪饲喂自动化、智能化发展，本研究基于物联网技术设计开发生猪精准投饲系统，以期实现生猪身份智能识别、信息自动存储以及精确给料。系统试验结果显示，基于物联网技术的生猪精准投饲系统能够有效减轻养殖人员工作强度，减少生猪养殖成本，具有一定实用价值。综上所述，本系统有机融合了信息化管理、精准化投饲、规模化养殖，符合现代规模化猪场生产要求，对生猪养殖效率提升具有实质性作用。