近年来，消费者对牛肉的需求量增加，推动了牛肉养殖业稳步发展[1-2]。据国家统计局数据显示，2016—2021年，我国牛肉产量由616.9万t增长至698.0万t，增幅为13.15%；牛肉需求量由673.79万t增长至930.02万t，增幅为38.03%。但目前牛肉产量与需求量差额较大[3]，不能满足日益增长的牛肉消费需求。且随着肉牛养殖规模不断扩大，传统肉牛饲养方式逐渐呈现出饲料利用率低下、养殖技术智能化不足等问题[4-5]。研究发现，物联网技术凭借畜禽养殖信息感知[6]、疫病监测和舍内环境调控[7]、提升智能化作业水平[8]等技术优势，可增强畜牧业智能化应用，增加畜牧业领域经济效益[9]。本文设计以物联网技术为基础的肉牛饲养系统，并进行系统应用测试，为优化肉牛养殖业饲养流程、提升肉牛养殖业经济效益提供参考。1系统设计1.1系统整体设计构思1.1.1系统设计原则科学、合理的肉牛饲养系统能够准确监测肉牛性能，提升肉牛产肉质量。物联网技术凭借数据全覆盖、可视化优势，在饲养过程和质量安全溯源方面发挥重要作用[10-11]。基于物联网技术肉牛饲养系统设计需遵循4个原则。（1）科学性原则。科学性原则是肉牛饲养系统设计主要依据。设计者要从不同产业链角度作出思考，全面、翔实、丰富地进行运算和演练，确保肉牛饲养系统设计有效性和科学性。（2）安全性原则。安全性原则是肉牛饲养系统设计的重要前提和核心保障。在进行肉牛饲养系统设计时，设计者要考虑断电、负荷、病毒入侵等风险因素，做好全面安全防护措施；及时对连接系统内部的用户端和设备实施严密审核与认证，提升肉牛饲养系统接入流程安全性能；要对肉牛饲养系统中储存的重要数据、信息和程序等内容进行加密和备份，保障该系统稳定安全运作。（3）实用性原则。实用性原则是肉牛饲养系统运作的基础条件。在设计过程中，应遵循实用原则，设计明确、简洁、大方的人机交互界面，以便使用者快速理解和实践[12]。（4）开放性原则。开放性原则是系统数据扩展的有效保证，可为系统运行提供兼容性强、开放性广的基础性能[13-14]。设计者需要选取标准的数据接口，将多种设备、网络接口、大量数据进行共享与结合，也要考虑物联网技术后期更新需要及现实新要求，设计可拓展的数据接口，为后续系统优化提供可扩展性。1.1.2基于物联网技术的肉牛饲养系统整体结构（见图1）由图1可知，基于物联网技术的肉牛饲养系统整体结构由系统硬件设计与系统平台设计两部分构成。系统硬件设计包括主控模块、数据信息转换模块、环境感应模块、自动配料模块和自动补给模块。主控模块是统筹肉牛饲养系统各模块之间信息运作管理的主要控制中心；数据信息转换模块主要负责传输和转换肉牛饲养系统中的各项数据信息；环境感应模块主要负责对肉牛饲养场内环境，即温度、湿度、光照强度等因素，进行实时测度与感知；自动配料模块主要通过自动配料装置对肉牛定时自动配料控制；自动补给模块和自动配料模块作用相同，主要控制补水装置为肉牛进行自动补水。系统平台设计包括页面设计和功能设计。页面设计主要包含登录注册页面、起始页面、环境检测页面、参数设置页面、手动和自动控制页面；功能设计主要基于上述硬件设计具体功能展开研究。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.04.027.F001图1基于物联网技术的肉牛饲养系统整体结构1.2系统硬件设计1.2.1主控模块主控模块主要负责各个模块之间的运行和汇总，具有实现数据采集、故障判断和事项处理等功能[15]。在实际选型时，该模块应选择一款功耗低、结构简单、操作方便的单片机，以满足系统常规需求。MSP430系列单片机是一种16位处理器，与其他单片机相比，具有功耗极低、可靠性较高、处理功能强大和片内资源丰富等优势，在智能化仪表、自动控制设备等领域得到广泛应用[16-17]，具体见表1。结合本文设计以及MSP430系列单片机的特点发现，该系列单片机完全符合系统设计需求。因此，最终选取MSP430系列单片机作为基于物联网技术的肉牛饲养系统主控芯片。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.04.027.T001表1MSP430系列单片机特征特征强/弱作用功耗弱可用于极低电能消耗环境处理强具有高效率查表处理能力，可参与多种运算资源强具有多种资源定时器、同步串口等1.2.2数据信息转换模块数据信息转换模块是肉牛饲养数据传输中转站，负责本地ZigBee网络与互联网间的双向翻译，主要作用是对肉牛体重、耗料、环境等数据信息打包、发送、接收并解码。数据信息转换模块主要由WiFi模块与基础模块构成。WiFi模块主要选取ESP8266，其可以通过与其他设备连接，实现远程控制和交流[18]。数据信息转换模块的基础模块分为电源单元、处理控制单元、无线通信单元，每个单元均有各自的职能。该模块中电源单元为数据信息转换模块上所有芯片提供工作电能；处理控制单元是数据信息转换模块的大脑，负责处理全部肉牛饲养数据；无线通信单元涵盖ZigBee网络通信和互联网通信两个部分。ZigBee网络部分是通过自组网形式建立硬件终端内部通信，互联网通信部分则是借助无线路由器嵌入互联网与服务端进行通信。在具体安装过程中，数据信息转换模块通常安装在肉牛饲养场中央，距离地面约3 m位置，防止肉牛触碰，还可避免杂物遮挡镜头，进而对ZigBee网络构建造成影响。1.2.3环境感应模块环境感应模块是肉牛饲养场中不同环境调控装置的总感应器，由基础模块和各传感器模块构成。环境感应模块可检测饲养场二氧化碳含量、温度、光照强度、湿度、硫化氢、氧气和PM2.5含量等内容，等于肉牛饲养场的“灵敏鼻子”，具备精准的感知效应。在此模块程序设计中，需要着重考虑肉牛饲养场温湿度。本文选用DHT21数字输出传感器测量饲养场内的温度和相对湿度。DHT21是一款全部校准、性能卓越、稳定性强以及精度较高的检测设备，具备较高的性价比、精确度和广泛的测量面积，能够有效满足肉牛饲养场温湿度测量要求。1.2.4自动配料模块自动配料模块是肉牛饲养过程中的自动配料设备，主要通过内置自动配料算法软件的电脑实现自动配料控制。自动配料模块由基础模块和继电器模块组成，此模块与小型可编程控制器（PLC）功效相当，可实现自动下料控制，见图2。当肉牛在投饲区日常进食时，该模块可利用射频识别器设备对肉牛耳标信息进行读取，将读取后的信息传输至数据信息转换模块进行分析。数据信息转换模块按照肉牛传输信息分析配料需求，若肉牛符合配料条件，系统会自动下达饲料配比命令，不符合则返回饲料配比状态，步进电机会转动角度对符合命令的肉牛进行配料。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.04.027.F002图2自动配料控制流程1.2.5自动补给模块自动补给模块主要作用是依据设计者设定时长、时效、水位等内容，对自动补给装置加以控制，实现肉牛补给自动化。自动补给模块由基础模块和继电器模块构成，为肉牛提供饮水补给。自动补给模块可实时读取液位传感器信号，检测水位具体变化情况，并于饮水供给时间段作出开启或关闭补水电磁阀的判断。具体判断方法为：首先查看是否在既定时间内；其次若在既定时期内，查看水位是否低于最低补水位置，若低于最低补水位置则启动补水电磁阀；最后查看水位是否达到最高位置，当达到最高水位时需要关闭补水电磁阀。1.3系统平台设计1.3.1基于物联网的肉牛饲养系统页面设计（见图3）由图3可知，基于物联网的肉牛饲养系统主要包含6个页面，即登录注册页面、起始页面、环境检测页面、参数设置页面、手动和自动控制页面。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.04.027.F003图3基于物联网的肉牛饲养系统页面设计登录页面元素涵盖用户名、登录密码和注册按钮，起始页面主要包括字符控件和页面跳转按钮控件；环境检测页面由肉牛饲养场湿度检测、温度检测、日照程度构成；参数设置页面主要元素包括自动配料模块肉牛具体配料条件和自动补给模块具体补水时间段；手动控制页面由手动、自动转换按钮、肉牛饲养设备按钮构成；自动控制页面主要涵盖肉牛饲养场环境自动调控按钮、自动配料联动按钮、饮水补给启动按钮。1.3.2功能设计肉牛饲养系统功能设计主要根据肉牛饲养企业需求和要求进行配置，不同硬件配置实现的功能效果也不尽相同。主控模块主要功能是对接肉牛饲养系统中各个模块，使模块之间能够有效衔接；数据信息转换模块主要功能是对肉牛饲养系统中的数据进行转换；环境情况检测主要功能是检测肉牛饲养场二氧化碳含量、温度、光照强度、湿度、硫化氢、氧气和PM2.5含量等指数；自动配料主要通过内置自动配料算法软件的电脑实现对肉牛自主配料，进行统一自动化配料控制；自动补给主要功能是对自动补给装置实施手动、自动控制，以此定时或不定时对肉牛进行补给。2系统应用试验2.1试验设计将30头平均初重相近的肉牛随机分为2组，即试验组和对照组，每组5个重复，每个重复3头牛。试验组肉牛运用自动配料模块进行饲喂，对照组采用人工饲喂方式。基础日粮组成及营养水平见表2。试验期6个月。依托肉牛饲养系统收集记录30头肉牛具体饲养情况、生产信息和体重等数据。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.04.027.T002表2基础日粮组成及营养水平原料组成含量/%营养水平合计100.00玉米23.30消化能/(MJ/kg)8.3青贮玉米18.45干物质/%76.5豆粕15.30粗蛋白质/%16.5棉粕10.24粗脂肪/%12.0麸皮8.24粗纤维/%3.5鲜绿饲草5.30中性洗涤纤维/%34.5氨化秸秆3.14酸性洗涤纤维/%16.5酿酒酵母5.63钙/%0.4食盐3.55磷/%0.5石粉2.25磷酸氢钙2.30L-赖氨酸盐酸盐0.50预混料1.80注：1.预混料购自河北省张家口中博特生物技术有限公司。2.营养水平均为实测值。2.2饲养管理饲养人员可在试验牛舍安装不同饲养系统设备。肉牛安置在单栏环境中饲养，饲喂时间为早晚各1次。试验结束后根据测试要求对肉牛称重，记录。2.3测定指标及方法2.3.1生长性能分别在试验最后第1 d和最后1 d， 对试验肉牛空腹称重，计算平均日增重。平均日增重=(末重-初重)/试验天数(1)料重比=平均日采食量/平均日增重(2)2.3.2产肉性能指标屠宰率、净肉率、肉色、骨重、眼肌面积和背膘厚度[19]是衡量肉牛产肉性能的指标之一。本文主要探究肉牛饲养系统对于肉牛增重方面的影响，选取眼肌面积和背膘厚度作为主要测评指标。眼肌面积主要用于评定肉牛生产潜力和瘦肉含量。肉牛眼肌面积越大，表示瘦肉率越高。肉牛眼肌面积通常选取超声波扫描仪（V80）进行测量，具体位置在第12和第13根肋骨之间，距离脊椎约3~5 cm处。背膘厚度主要用于评定肉牛体内脂肪含量。肉牛背膘厚度越薄，表示瘦肉率越高。肉牛背膘厚度选取背膘仪测量，测量位置与眼肌面积相同。2.4数据统计与分析数据使用Excel软件进行初步处理，借助SPSS 24.0实施单因素方差分析，Duncan's法多重比较。P0.05表示差异显著。2.5肉牛饲养系统对肉牛产肉性能的影响（见表3）由表3可知，试验组肉牛平均日增重为3.245 kg，比对照组高12.9%。试验组肉牛每增重1 kg，会消耗2.31 kg日粮；对照组肉牛每增重1 kg，会消耗2.82 kg日粮，表明通过肉牛饲养系统对不同肉牛身体情况进行精准采食计算、精准补给后，相同环境测试组肉牛饲料转化程度要显著高于对照组，且饲料利用效果更佳。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.04.027.T003表3肉牛饲养系统对肉牛产肉性能的影响组别初重/kg末重/kg平均日增重/[kg/(头·d)]料重比眼肌面积/cm2背膘厚度/mm试验组497.561 081.723.2452.3175.2612.25对照组417.83935.502.8752.8271.1110.38试验组肉牛平均眼肌面积为75.26 cm2、背膘厚度为12.25 mm，对照组肉牛平均眼肌面积为71.11 cm2、背膘厚度为10.38 mm。结果表明，试验组肉牛瘦肉率较高，脂肪率相对偏低，肉牛产肉性能更高。研究表明，基于物联网技术的肉牛饲养系统所饲喂肉牛产肉性能和生长性能高于人工饲喂，能够在养殖过程中明显提升肉牛饲养效率，增加肉牛经济效益。3结论本试验结果显示，基于物联网技术的肉牛饲养系统可显著提高肉牛养殖效率，增加肉牛饲养场经济效益，具有极强的实用性和自主性。该系统有机融合了数字化管理、精准化饲养以及规模化养殖应用，符合现代肉牛饲养需要，能够提升肉牛养殖效益。