申请/专利权人：上海大学

申请日：2017-04-12

公开（公告）日：2021-02-23

公开（公告）号：CN107155916B

主分类号：A01K5/02(20060101)

分类号：A01K5/02(20060101);A01K11/00(20060101);G05B19/042(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.02.23#授权;2017.10.17#实质审查的生效;2017.09.15#公开

摘要：本发明涉一种自动化监控奶牛采食装置。该装置包括饲喂站、下位机称重仪表和远程中央管理计算机，远程中央管理计算机中存储有奶牛的身份编码信息、饲养料槽信息、饲料配方信息、加料剩料信息、数理统计数据库和实时监控界面。饲喂站包括：易于拆卸的料槽；其安装底座处设置两组平衡梁式称重传感器；用于检索奶牛位置的光电开光信号；分辨奶牛信息的射频识别器；由气动阀自动控制进食闸门。该发明用以开拓国内奶牛养殖领域在自动化控制及分配奶牛进食信息方面的工作，提出一种奶牛进食信息的控制方法，对进行奶牛饲料营养学的工作做出帮助。

主权项：1.一种自动化监控奶牛采食装置，包括饲喂站（I）、下位机称重仪表（Ⅱ）和远程中央管理计算机（Ⅲ），其特征在于：所述饲喂站（I）电气连接下位机称重仪表（Ⅱ），远程中央管理计算机（Ⅲ）通过通讯网络连接下位机称重仪表（Ⅱ）和饲喂站（I）；饲喂站（I）为被控制对象，由机械机构、控制元件、信息采集元件构成；下位机称重仪表（Ⅱ）为控制媒介，每个下位机称重仪表（Ⅱ）控制两个饲喂站（I）的工作，收集饲喂站（I）中的数字量、开关量及模拟量信息，利用通讯模块与远程中央管理计算机（Ⅲ）进行信息交互；远程中央管理计算机（Ⅲ）为控制中心，具备存储奶牛的身份编码信息、饲养料槽信息、饲料配方信息、加料剩料信息、数理统计数据库和实时监控的能力，通过和下位机称重仪表（Ⅱ）的信息传输来控制饲喂站（I）的工作；所述的饲喂站（I）包括：采食槽（1）、牛颈架（2）、闸门轨道（3）、闸门（4）、穿线槽立柱（5）、光电传感器（6）、射频感应器（7）、反光镜（8）、尾部轴销式气缸（9）、连接立柱（10）、F型连接板（11）、称重传感器（12）、称重底座（13）和安装槽型件（14）；根据现有散栏或栓系式结构安装与采食槽（1）固连的牛颈架（2），并在牛颈架（2）上焊接闸门轨道（3）；每隔两组牛颈架（2）设立两个连接立柱（10），两组牛颈架（2）之间设立穿线槽立柱（5），都通过焊接固定；在牛颈架（2）一侧利用插销和弹性挡圈来安装固定尾部轴销式气缸（9），利用尾部轴销式气缸（9）的行程的可靠性和控制的稳定性来联接推动闸门（4）；在尾部轴销式气缸（9）靠近闸门轨道（3）侧，根据奶牛脖颈的宽度来安装两组反光镜（8），其作用是用来检测奶牛的进食状态；尾部轴销式气缸（9）的活塞杆一端与闸门（4）底部之间通过F型连接板（11）利用螺栓连接；在牛颈架（2）对应尾部轴销式气缸（9）的另一侧通过焊接来安装光电传感器（6），光电传感器（6）与反光镜（8）位置相平行相对，保证对射无干扰，通过上下两组对射光电的反馈信号可以准确地判断奶牛进槽后的位置和进食状态；在闸门（4）正上方将射频感应器（7）通过螺栓固定在牛颈架（2）顶部，安装在牛颈架（2）顶部有利于射频信号感应奶牛耳标内的信息，同时合适的高度可以防止奶牛在整个进食过程触碰和损坏射频感应器（7）；在每组牛颈架（2）前，根据采食槽（1）的安放尺寸，在地面上固定两组称重底座（13），在每组称重底座（13）上放置称重传感器（12），平面接触保证受力均匀；采食槽（1）与称重底座（13）之间通过安装槽型件（14）连接，安装槽型件（14）的结构既可以固定采食槽（1）又可以通过手动移动位置来翻转采食槽（1），便于清理剩料。

全文数据：自动化监控奶牛采食装置技术领域[0001]本发明涉及动物养殖技术领域，尤其涉及一种自动化监控奶牛采食装置。背景技术[0002]近年来，我国畜牧养殖业得到迅速的发展，以奶牛养殖为例，目前我国奶牛存栏量己达到1500万头，占全球的8%左右，牛奶产量跃居世界第三。但由于我国人口基数大，人均占有量仅为世界平均水平的13,每年需要进口大量的乳制品。[0003]我国虽然是个奶牛养殖大国，但不是奶牛养殖强国，与世界水平相比，奶牛的养殖水平还比较低，主要表现在:总体规模小，养殖观念落后;饲料的营养配比不合理，饲料成本高;奶产量低，乳品质量有待提高等，造成上述不足的主要原因在于设施落后及饲养管理等因素，如现在奶牛场用于奶牛群养的设施较落后，在喂养时，牛场的养殖方式都是开放式养殖，即在整条的料槽中倒入喂料，牛可以在任意时间，任意位置进食，采食量无法进行统计，导致奶牛食量不均，有的吃得多，有的吃的少，造成肥瘦不均，群体的一致性差，影响奶牛的产奶量，在个体出现进食问题后，无法及时将信息反馈给饲养人员，做出响应的保护措施。同时在做饲料研宄时，需要将牛群分组做实验，如果不能对奶牛进食行为进行控制，则无法进行实验研究的开展工作。发明内容[0004]本发明的目的在于针对已有技术存在的问题，提供一种自动化监控奶牛采食装置，以开拓国内奶牛养殖领域在自动化控制及分配奶牛进食信息方面的工作，提出一种奶牛进食信息的控制方法，对进行奶牛饲料营养学的工作做出帮助。[0005]为达到上述目的，本发明的构思是:一种自动化监控奶牛采食装置，该装置包括饲喂站、数字耳标、下位机仪表和远程中央管理计算机，远程中央管理计算机中存储有奶牛的身份编码信息、词养料槽信息、饲料配方信息、加料剩料信息、数理统计数据库和实时监控界面。饲喂站包括：易于拆卸的料槽;其安装底座处设置两组平衡梁式称重传感器；用于检索奶牛位置的光电开光信号;分辨奶牛信息的射频识别器；由气动阀自动控制进食闸门。奶牛耳标为无源电子耳标载有奶牛身份编码信息，用于安装在奶牛的耳朵上。下位机仪表采集饲喂站信息并与上位机计算机进行信息交互，根据设置的奶牛-料槽-草料控制信息自动控制闸门的启闭，并实时记录奶牛的采食信息，并将数据保存与计算机数据库中。[0006]在使用上述自动化监控奶牛采食装置时，奶牛在每次挤奶过后，处于饥饿状态自动走向饲喂站，在当奶牛走近颈夹采食时，奶牛头部与颈部阻断上光电对射开关的光路，此时触发射频读卡器读取牛号，检索牛号对应的喂养饲料号是否一致，信息一致则仪表控制发出记录指令，记录下吃料前饲料重量值及牛号保存至上位机数据库中；控制器使电磁气动阀得电，喂料槽闸门打开。在奶牛进食过程中，下光电得电，则表明奶牛开始进食，在上下光路未恢复前，控制器不做任何处理处于待机状态，当上下光电开关的光路导通，说明奶牛离开，上位机发出指令控制闸门关闭，并记录下吃料后饲料重，完成一次完整进食数据记录后，清空该控制模块中数据，等待下头牛继续触发命令。[0007]通过上述描述可知，自动化监控奶牛采食装置实现对牛群中每个个体定义并分配各自的进食草料，能做到对奶牛信息与进食信息的控制，在定义好分配信息后，系统全自动控制各路饲喂站的工作，节省大量的人力物力，同时计算机能实时监控各个料槽的工作情况，将奶牛信息、草料重量等重要信息保存下来，方便实验人员的分析与处理。[0008]根据上述发明构思，本发明自动化监控奶牛采食装置采用如下技术方案：一种自动化监控奶牛采食装置包括:饲喂站I、下位机称重仪表n和远程中央管理计算机m，其特征在于:所述词喂站I电气连接下位机称重仪表n，远程中央管理计算机m通过通讯网络连接下位机称重仪表n和饲喂站I。饲喂站I为被控制对象，由机械机构、控制元件、信息采集元件构成。下位机称重仪表n为控制媒介，每个下位机称重仪表n控制两个饲喂站I的工作，收集饲喂站I中的数字量、开关量及模拟量信息，利用通讯模块与远程中央管理计算机m进行信息交互。远程中央管理计算机m为控制中心，具备存储有奶牛的身份编码信息、饲养料槽信息、饲料配方信息、加料剩料信息、数理统计数据库和实时监控的能力，通过和下位机称重伩表n的信息传输来控制饲喂站I的工作。[0009]所述饲喂站I包括:采食槽1、牛颈架2、闸门轨道3、闸门4、穿线槽立柱5、光电器6、射频感应器7、反光镜8、气缸9、连接立柱10、F型连接板11、称重传感器12、称重底座13和安装槽型件14。[0010]所述的下位机称重仪表n，饲喂站I与远程中央管理计算机m之间的媒介，其控制对象包括射频读卡器RS-232通讯、气阀的开关量控制、光电传感器的信号、称重传感器的模拟量信号及与远程中央管理计算机m之间的通讯协议;按照被控制对象的信号设计出下位机称重仪表II:基于ARM7的LPC2378为核心微处理器设计开发各组件接口，GF-12ZH型称重传感器通过高速光电隔离后经过24位高精度的AD转换器，实现对称重数据的采集;饲喂站I中的光电器由开关量输入电路采集；继电器输出由开关量输出电路控制；射频读卡器为RS-232信号，通过MAX3232芯片实现采集；与远程中央管理计算机HI之间通过DP通讯芯片SPC3实现数据的交互;FRAM为掉电保护寄存器储存设定的参数;键盘和显示对下位机称重仪表II进行参数设置;其设计性能指标有:支持模拟称台最多支持8个3500hm模拟传感器、150000显示分度精度、5V激励，0-20mV输入信号范围，支持2mVV和3mVV传感器、6位LED段码、一路RS2：32串口、多路输入输出选件板、PROFIBUS-DP选件板。[0011]所述的远程中央管理计算机m软件采用labview软件编写，包括前面板布局设计和后面板程序编程;前面板设计功能包括:登陆界面、控制模式选择、剩料加料统计、实时监控界面、奶牛分配草料、料槽分配草料、奶牛入库信息、历史数据查询；后面板程序编程包括:基于DataSocket技术实现与OPCServer的通讯模块、实时重量处理模块、主控制逻辑模块、ACCESS数据库模块及辅助功能模块。[0012]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：1、将常规耳标改为数字耳标，利用射频技术对数字耳标内奶牛的身份信息进行定义和识别，优于传统手工记录和录像识别的方式。[0013]2、下位机称重仪表的开发，将饲喂站中的控制元件、采集元件的功能集成一体，使得整个装置有极好的控制性能和强大的数据采集功能，实现的全自动化控制。[0014]3、上位机计算机软件将下位机称重仪表的功能进一步放大，实现实验室与牛舍间信息的统一，并能将采集的数据进行处理分析，彻底脱离人力记录的繁琐和提高了数据的可靠性。附图说明[0015]下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。[0016]图1是自动化监控奶牛采食装置整体结构示意图。[0017]图2是自动化监控奶牛采食装置饲喂站正视图。[0018]图3是自动化监控奶牛采食装置饲喂站左视图。[0019]图4是下位机称重仪表工作程序框图。[0020]图5是下位机称重仪表软件结构框图。[0021]图6是上位机软件Labview面板构架框图。[0022]图7是自动化监控奶牛采食装置控制程序框图。具体实施方式[0023]本发明的优选实施例结合附图详述如下：实施例一:参见图1，本自动化监控奶牛采食装置包括:饲喂站I、下位机称重仪表n和远程中央管理计算机m，其特征在于:所述饲喂站I电气连接下位机称重仪表n，远程中央管理计算机in通过通讯网络连接下位机称重仪表n和饲喂站I。饲喂站I为被控制对象，由机械机构、控制元件、信息采集元件构成。下位机称重仪表n为控制媒介，每个下位机称重仪表n控制两个饲喂站I的工作，收集饲喂站I中的数字量、开关量及模拟量信息，利用通讯模块与远程中央管理计算机m进行信息交互。远程中央管理计算机m为控制中心，具备存储有奶牛的身份编码信息、饲养料槽信息、饲料配方信息、加料剩料信息、数理统计数据库和实时监控的能力，通过和下位机称重仪表n的信息传输来控制饲喂站I的工作。[0024]实施例二:参见图2〜图3,本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下:所述饲喂站I包括:采食槽1、牛颈架2、闸门轨道3、闸门4、穿线槽立柱5、光电器6、射频感应器7、反光镜8、气缸9、连接立柱10、F型连接板11、称重传感器12、称重底座13和安装槽型件14。[0025]根据现有散栏或栓系式结构安装与采食槽1固连的牛颈架2,并在牛颈架2上焊接闸门轨道3;每隔两组牛颈架2设立两个连接立柱10，两组牛颈架2之间设立穿线槽立柱5，都通过焊接固定;在牛颈架2—侧利用插销和弹性挡圈来安装固定尾部轴销式气缸9,利用气缸9的行程的可靠性和控制的稳定性来联接推动闸门4;在气缸9靠近闸门轨道3侧，根据奶牛脖颈的宽度来安装两组反光镜8,其作用是用来检测奶牛的进食状态;气缸9的活塞杆一端与闸门4底部之间通过F型连接板11利用螺栓连接;在牛颈架2对应气缸9的另一侧通过焊接来安装光电器6,光电器6与反光镜8位置相平行相对，保证对射无干扰，通过上下两组对射光电的反馈信号可以准确地判断奶牛进槽后的位置和进食状态;在闸门4正上方将射频感应器7通过螺栓固定在牛颈架2顶部，安装在牛颈架2顶部有利于射频信号感应奶牛耳标内的信息，同时合适的高度可以防止奶牛在整个进食过程触碰和损坏射频感应器7;在每组牛颈架2前，根据采食槽1的安放尺寸，在地面上固定两组称重底座13,在每组称重底座13上放置称重传感器12,平面接触保证受力均匀;采食槽1与称重底座13之间通过安装槽型件14连接，安装槽型件14的结构既可以固定采食槽1又可以通过手动移动位置来翻转采食槽1，便于清理剩料。[0026]实施例三:参见图4〜图5,所述下位机称重仪表n的硬件组成包括:接收射频读卡器的RS-232通讯模块、Profibus-DP通讯模块、掉电保护FRAM寄存器模块、称重信号AD转换模块、开关量输入输出模块、控制电源模块、键盘及显示模块，通过电路将各个功能模块连接;称重仪表II软件工作流程:利用UC0S多任务操作系统编写LPC2378芯片的内部代码，实现各个模块的正常调用，包括:射频通讯任务、称重处理任务、总线通讯任务、输入输出逻辑控制任务、显示及键盘处理任务。射频通讯任务的作用是:实现射频读写器与仪表之间的数据的交互，完成射频读写器的控制；称重处理的作用是：称重信号数字滤波处理后，转换为32位浮点数存储在内存地址中；总线通讯任务的作用是:将各个饲喂站的信息采集通过DP网络协议与上位机远程中央管理计算机m的通讯;输入输出逻辑控制任务的作用是:检索下位机称重仪表n内部信号与外部信号，实现对开关量信号进行控制；显示及键盘处理任务的作用是:设置下位机称重仪表n参数及显示各类参数功能;设计性能指标为:支持模拟称台最多支持8个3500hm模拟传感器、150000显示分度精度、5V激励，0-20mV输入信号范围，支持2mVV和3mVV传感器、7位LED段码、一路RS232串口、多路输入输出选件板、PR0FIBUS-DP选件板。[0027]实施例四：参见图6〜图7,所述上位机远程中央管理计算机HI采用labview软件编写，包括前面板布局设计和后面板程序编程;前面板设计如图6所示，包括:登陆界面、控制模式选择、剩料加料统计、实时监控界面、奶牛分配草料、料槽分配草料、奶牛入库信息、历史数据查询;登陆界面的作用是:设置登陆密码及管理员设置;控制模式选择的作用是:可切换下位机称重仪表手动控制及上位机自动控制两种模式，手动模式便于操作人员对牛群的前期培训，自动模式为采集状态，系统自动控制;剩料加料统计的作用是:可以选择任意的草料组，生成统计表;实时监控界面的作用是:可以监控奶牛信息、采食状态及草料的实时重量;奶牛分配草料、料槽分配草料、奶牛入库信息这三个设计界面的作用是:完成奶牛信息、草料信息、料槽信息的录入及匹配，实现奶牛与草料组之间多对多的匹配方式；历史数据查询的作用是:将ACCESS数据库中的数据通过不同的指令输出各类报表，包括:综合数据检索、奶牛编号检索、料槽编号检索及年月日消耗；后面板程序编程包括：基于DataSocket技术实现与OPCServer的通讯编程模块、实时重量处理模块、主控制逻辑模块、ACCESS数据库模块及辅助功能模块;通讯模块的作用是:实现下位机称重仪表n与远程中央管理计算机m之间的数据的解码，将仪表信息解析为为对应的控制指令;实时重量处理模块的作用是:将采集的单片机内表示重量的32位浮点数处理为10进制数，从而实时显示各饲喂站的草料重量信息;主控制逻辑模块的控制逻辑如图7所示，当奶牛进入采食区遮住上光电后，下位机称重仪表n得到信号发送至上位机远程中央管理计算机m，上位机远程中央管理计算机in触发射频读写器的读功能，在规定时间内，未得到数字耳标信息，则程序重新发送读命令，直至读到卡号，判断卡号信息是否与设置奶牛-草料-料槽三者信息一致，信息符合则打开闸门，并将试验数据保存与上位机远程中央管理计算机m的access数据库中，通过上下光电的指示来判断奶牛的进食情况。奶牛离开采食区后，进食结束保存终止采食数据。各个子系统采用巡检模式，一次完整采集结束后，系统等待，直至下一次信号的触发;ACCESS数据库模块的作用是:存储每个饲喂站触发主逻辑模块后数据的读写指令;辅助功能模块的作用是:完善前面板的按键，选项、保存、删除等指令功能，使得系统能正常运行。

权利要求：1.一种自动化监控奶牛采食装置，包括饲喂站（I、下位机称重仪表（n和远程中央管理计算机no，其特征在于:所述饲喂站a电气连接下位机称重仪表（n，远程中央管理计算机（m通过通讯网络连接下位机称重仪表（n和饲喂站a，饲喂站⑴为被控制对象，由机械机构、控制元件、信息采集元件构成，下位机称重仪表（n为控制媒介，每个下位机称重仪表（n控制两个饲喂站（I的工作，收集饲喂站a中的数字量、开关量及模拟量信息，利用通讯模块与远程中央管理计算机（m进行信息交互，远程中央管理计算机（no为控制中心，具备存储有奶牛的身份编码信息、饲养料槽信息、饲料配方信息、加料剩料信息、数理统计数据库和实时监控的能力，通过和下位机称重仪表（n的信息传输来控制饲喂站D的工作。2.根据权利要求1所述的自动化监控奶牛采食装置，其特征在于所述的饲喂站（I包括:采食槽a、牛颈架2、闸门轨道3、闸门（4、穿线槽立柱5、光电器6、射频感应器7、反光镜8、气缸9、连接立柱（10、F型连接板（11、称重传感器（12、称重底座（13和安装槽型件14，根据现有散栏或栓系式结构安装与采食槽1固连的牛颈架2，并在牛颈架（2上焊接闸门轨道3;每隔两组牛颈架（2设立两个连接立柱（1〇，两组牛颈架2之间设立穿线槽立柱5，都通过焊接固定;在牛颈架2—侧利用插销和弹性挡圈来安装固定尾部轴销式气缸9，利用气缸9的行程的可靠性和控制的稳定性来联接推动闸门4;在气缸9靠近闸门轨道3侧，根据奶牛脖颈的宽度来安装两组反光镜8，其作用是用来检测奶牛的进食状态;气缸9的活塞杆一端与闸门（4底部之间通过F型连接板（11利用螺栓连接;在牛颈架（2对应气缸9的另一侧通过焊接来安装光电器6，光电器6与反光镜8位置相平行相对，保证对射无干扰，通过上下两组对射光电的反馈信号可以准确地判断奶牛进槽后的位置和进食状态;在闸门（4正上方将射频感应器7通过螺栓固定在牛颈架2顶部，安装在牛颈架2顶部有利于射频信号感应奶牛耳标内的信息，同时合适的高度可以防止奶牛在整个进食过程触碰和损坏射频感应器7;在每组牛颈架2前，根据采食槽1的安放尺寸，在地面上固定两组称重底座（13，在每组称重底座（13上放置称重传感器12，平面接触保证受力均匀;采食槽1与称重底座（13之间通过安装槽型件14连接，安装槽型件（14的结构既可以固定采食槽（1又可以通过手动移动位置来翻转采食槽1，便于清理剩料。3.根据权利要求1所述的自动化监控奶牛采食装置，其特征在于所述的下位机称重仪表（n，饲喂站（I与远程中央管理计算机（m之间的媒介，其控制对象包括射频读卡器RS-232通讯、气阀的开关量控制、光电传感器的信号、称重传感器的模拟量信号及与远程中央管理计算机an之间的通讯协议;按照被控制对象的信号设计出下位机称重仪表（n:基于ARM7的LPC2378为核心微处理器设计开发各组件接口，GF-12ZH型称重传感器通过高速光电隔离后经过24位高精度的AD转换器，实现对称重数据的采集;饲喂站I中的光电器由开关量输入电路采集;继电器输出由开关量输出电路控制;射频读卡器为RS-232信号，通过MAX3232芯片实现采集；与远程中央管理计算机（m之间通过DP通讯芯片SPC3实现数据的交互;FRAM为掉电保护寄存器储存设定的参数;键盘和显示对下位机称重仪表（n进行参数设置;其设计性能指标有:支持模拟称台最多支持8个3500hm模拟传感器、150000显示分度精度、5V激励，0-20mV输入信号范围，支持2mVV和3mVV传感器、6位LED段码、一路RS232串口、多路输入输出选件板、profibuS-DP选件板。、4•根据权利€求1所述的自动化^控奶牛采食装置，其特征在于所述的远程中央管理计算fOH软件采用labviewf件编写，包括前面板布局设计和后面板程序编程;前面板设计功能包括:登陆界面、控制模式选择、剩料加料统计、实时监控界面、奶牛分配草料、料槽分配草料、奶牛入库气菅、、历史数据查询;后面板程序编程包括:基于技术实现与OPCServer的舰模块、实时重量处理模块、主控制逻辑模块、AXESS数据库模块及辅助功能模块。

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