熊露 張建華 韓書慶（中國農業(yè)科學院農業(yè)信息研究所/農業(yè)部農業(yè)信息服務技術重點實驗室 100081）

物聯(lián)牧場的研究進展

熊露 張建華 韓書慶*（中國農業(yè)科學院農業(yè)信息研究所/農業(yè)部農業(yè)信息服務技術重點實驗室 100081）

物聯(lián)網技術的快速發(fā)展在很大程度上促進了畜牧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，為實現(xiàn)畜牧業(yè)的現(xiàn)代化和信息化建設提供了強有力的支撐。物聯(lián)牧場即是將物聯(lián)網技術應用于畜牧養(yǎng)殖業(yè)。已有許多學者對物聯(lián)牧場的發(fā)展進行了研究分析，本文從物聯(lián)網系統(tǒng)結構的感知層、傳輸層、應用層這三個方面出發(fā)，詳細闡述物聯(lián)牧場的研究進展。

物聯(lián)牧場；感知層；傳輸層；應用層；信息通訊技術；現(xiàn)代畜牧業(yè)；研究進展

物聯(lián)網技術應用畜牧養(yǎng)殖業(yè)，即為物聯(lián)牧場。信息通訊技術（ICT）的發(fā)展使得對畜禽個體識別、畜禽養(yǎng)殖環(huán)境、畜禽體征、畜禽行為的實時監(jiān)控成為可能。物聯(lián)牧場的初級發(fā)展目標是提供一個可以實時監(jiān)測和管理畜禽的系統(tǒng)，當畜禽發(fā)生各種各樣的問題時，及時通知養(yǎng)殖戶采取相應的措施，解決出現(xiàn)的問題。物聯(lián)牧場進一步的發(fā)展目標是實現(xiàn)全自動的監(jiān)測和改善畜禽的生長環(huán)境、健康狀態(tài)、動物福利、產品產量以及減輕畜禽養(yǎng)殖對環(huán)境的影響。本文從物聯(lián)網系統(tǒng)結構的感知層、傳輸層、應用層這三個方面出發(fā)，詳細闡述物聯(lián)網牧場的研究進展。

1 物聯(lián)牧場主要研究內容介紹

根據物聯(lián)網的系統(tǒng)結構劃分，物聯(lián)牧場的研究可分為感知層、傳輸層和應用層研究。在感知層，主要是研發(fā)不同類型的傳感器感知畜禽個體標識、畜禽養(yǎng)殖環(huán)境參數、畜禽體型參數、畜禽生命體征和畜禽行為。畜禽個體標識主要是指RFID電子標簽。畜禽養(yǎng)殖環(huán)境參數主要包括氣象環(huán)境參數（如：溫濕度、風速、風向、降雨量、光照強度）和氣體環(huán)境參數（如：硫化氫、二氧化碳、氨氣、甲烷、氧氣、一氧化碳等）。畜禽體型參數主要是指體重、身體尺寸和體型得分等。畜禽生命體征主要包括體溫、呼吸頻率和瞳孔對光反射等。畜禽行為主要包括采食、飲水、排泄、叫聲、步態(tài)和攻擊行為等。

在數據傳輸層，采用無線通信技術（ZigBee）或無線公網（2G/3G/4G網絡）將感知層采集到的畜禽個體標識、畜禽養(yǎng)殖環(huán)境參數、畜禽體型參數、畜禽生命體征和畜禽行為等數據遠程傳輸到服務器。對于監(jiān)控視頻等數據量比較大的數據則通過以太網傳輸到服務器。傳輸層的研究主要側重在無線傳感網絡技術在畜禽養(yǎng)殖中的推廣應用。

在數據應用層，典型的應用包括通過開發(fā)手機APP，實現(xiàn)對畜禽環(huán)境和畜禽各參數隨時隨地的監(jiān)測，并遠程對畜禽舍的設備（風扇、照明燈、水泵、加熱器、電機和電磁閥等）進行遠程控制。進一步研究的目標是實現(xiàn)畜禽舍環(huán)境的智能控制。研發(fā)自動與精確飼喂的設備，對畜禽養(yǎng)殖場積累的數據進行大數據分析，進一步平衡飼料、能源消耗和收入之間的矛盾，提升畜禽養(yǎng)殖效率，改善動物福利。

2 物聯(lián)牧場感知層的研究進展

物聯(lián)牧場感知層的研究主要包括畜禽個體標識、畜禽養(yǎng)殖環(huán)境參數、畜禽體型參數、畜禽生命體征和畜禽行為的感知方法的改進和拓展。

在畜禽個體標識方面，由于基于射頻識別（RFID）技術的電子標簽應用成本依然比較高，目前牧場仍然采用肉眼可識讀的條碼耳標。當前研究主要側重于降低電子標簽的成本，以及針對牧場實際環(huán)境，研發(fā)具備高魯棒性（Robust），高穩(wěn)定性和強抗干擾特性的識讀設備。

在畜禽養(yǎng)殖環(huán)境參數的感知方面，主要是對畜禽生產中產生的有害氣體氨氣、硫化氫、一氧化碳和甲烷氣體濃度的監(jiān)測。畜禽業(yè)產生的有害氣體是農業(yè)生產污染氣體的主要來源。這些有害氣體含量超標會導致畜禽產生各種應激反應，造成畜禽體質變弱，免疫力下降，嚴重影響畜禽健康、生長發(fā)育、繁殖以及最終畜禽產品質量。目前，主要是采用電化學傳感器和光學傳感器進行有害氣體的在線監(jiān)測。電化學傳感器的分辨率比較低，長時間使用準確度會降低；使用壽命比較短，一般在兩年左右。和電化學傳感器相比，光學傳感器的靈敏度和分辨率更高，工作更穩(wěn)定，但是成本比較高。目前研究主要側重于研發(fā)成本低、靈敏度高、分辨率高、響應范圍大、穩(wěn)定性好、使用壽命長的新型氣體傳感器。

在畜禽體型參數的感知方面，主要是對畜禽體重、身體尺寸（體長、體寬、體高、臀寬、臀高等）和體型得分等進行非接觸性估測方法的研究。在畜禽養(yǎng)殖過程中，體重是一項重要指標。傳統(tǒng)稱量方式不但費時費力，而且稱量過程容易造成畜禽的應激反應，影響正常生長發(fā)育。國內外相關學者都進行了非接觸式估測畜禽體重的研究，主要方法是構建機器視覺系統(tǒng)，采集畜禽頂視圖或側視圖；然后利用圖像處理技術提取和體重相關的畜禽關鍵體型參數（如：體長、體寬、體高、頂視圖面積等）；最后對關鍵體型參數和體重進行線性或非線性的回歸分析，構建測量體重的數學模型，實現(xiàn)對畜禽體重的非接觸性估測。相關研究已經在奶牛[1]、豬[2]、肉雞[3]、羊[4]等畜禽上開展。這種方法具有無接觸，省時和省力的優(yōu)點。但是由于構建機器視覺系統(tǒng)，要克服畜禽養(yǎng)殖環(huán)境粉塵，光照不均勻等客觀條件的影響，工程量比較大；而且畜禽體重估測模型往往通用性不佳，目前還沒有相關的非接觸體重測量產品從實驗室走向市場。近年來，能夠提供深度圖像的體感設備（Kinect等）的出現(xiàn)，使得對畜禽進行三維立體信息獲取的成本越來越低，利用體感設備采集畜禽體尺參數和體重估測的可行性研究也正在展開[5,6]，有望進一步提高畜禽體型參數的非接觸性測量方法的精度和實用化程度。

在畜禽生命體征的感知方面，主要是通過非接觸式的方法對畜禽體溫、呼吸頻率以及瞳孔對光反射進行測量。體溫作為重要的臨床診斷依據，對于畜禽疾病的早期診斷具有重要的意義。朱偉興等[7]選定生豬耳部作為生豬體溫篩選的特征區(qū)域，同時采集可見光圖像和紅外熱圖像，然后進行圖像的配準和融合，準確提取生豬耳部輪廓進行體溫測量，為生豬規(guī)模養(yǎng)殖中非接觸式的體溫測量提供了一種可行性方法。呼吸疾病是畜禽養(yǎng)殖場的一種常見疾病，如不能及時發(fā)現(xiàn)可能會造成巨大經濟損失。對畜禽呼吸疾病的監(jiān)測主要技術包括利用視頻處理技術和聲音特征提取技術。紀濱等[8]利用機器視覺的方法，提取豬的脊腹線輪廓，計算脊腹線起伏的頻率，提取疑似呼吸急促的病豬，其算法脊腹線波動識別精度高于85%。Ferrari等[9]通過采集奶牛聲音，根據早期呼吸疾病的聲音特征，實現(xiàn)奶牛呼吸疾病的早期預警。瞳孔對光反射也是一種重要的生命體征，VA的嚴重缺乏會導致畜禽瞳孔對光反射的異常。韓書慶等[10]研發(fā)了牛眼圖像采集設備，并提出了一種瞳孔自動識別算法，實現(xiàn)了對異常瞳孔反射行為的檢測。

在畜禽行為的感知方面，主要是通過視頻、運動傳感器數據、聲音等信息，判斷畜禽采食、飲水、排泄、活動量、叫聲、步態(tài)和攻擊行為等。隨著規(guī)?；B(yǎng)殖的發(fā)展，養(yǎng)殖戶需要管理的畜禽越來越多，分配到單只畜禽的時間就越來越少，對畜禽異常行為的發(fā)現(xiàn)變得更加困難。畜禽的異常行為，如：采食減少、飲水減少、排泄增多、活動量加大、嚎叫、跛足、攻擊同類等，很可能是動物疫病發(fā)生、爆發(fā)的前奏，將會給畜牧養(yǎng)殖造成經濟損失。各國學者致力于開發(fā)各種感知方法，替代養(yǎng)殖戶完成對畜禽行為持續(xù)地觀測，確保畜禽生產安全和畜禽產品品質。Aydin[11]等通過對肉雞啄食聲音進行采集、處理和分析來估測采食量。單只肉雞和雞群的實驗結果顯示，該方法對采食量估測精度分別達到了90%和86%，實現(xiàn)了對肉雞采食量的全生長周期、全自動、非接觸式的持續(xù)監(jiān)測，允許養(yǎng)殖戶在把握肉雞采食狀況的同時，制定合理的飼喂計劃，進一步提高飼料轉化率。Kashiha[12]等首先通過給豬噴涂不同的圖案，利用圖像處理技術對豬進行個體識別，然后檢測豬訪問飲水區(qū)域的時長，估測飲水量，實現(xiàn)對豬飲水行為的實時監(jiān)控。朱偉興等[13]通過遠程智能自動監(jiān)控豬的排泄行為，記錄豬訪問排泄區(qū)的時間和次數。通過異常頻繁的排泄行為，發(fā)現(xiàn)患腹瀉或腸胃炎的疑似病豬，及時診治，和人工觀察的方法相比大大提高了生產效率。Gonzalez等[14]給牛戴上裝有GPS和加速度傳感器的電子項圈，實時采集牛的運動數據，進一步分析可以得到牛的當前狀態(tài)，如飲食、反芻、行走、休息等，實現(xiàn)了對牛個體行為的自動實時監(jiān)測。Vandermeulen等[15]采集豬的叫聲，提取豬受到驚嚇導致的尖叫的聲音特征，實現(xiàn)對豬精神狀態(tài)的實時監(jiān)控。提早發(fā)現(xiàn)畜禽的異常行為特征，實現(xiàn)對疾病的及早診斷與處理。畜禽行為的自動感知對提高動物福利，減少畜禽疫病發(fā)生，實現(xiàn)高效健康養(yǎng)殖具有重要意義。

3 物聯(lián)牧場傳輸層的研究進展

傳輸層的研究主要是將傳輸技術應用到畜禽養(yǎng)殖環(huán)境中，將感知層獲得的養(yǎng)殖環(huán)境數據、個體行為數據、視頻、生產過程數據等通過有線或無線網絡傳輸到應用層。由于基于RS-485總線、CAN總線以及以太網的有線傳輸技術和基于GPRS技術的無線數據傳輸模塊都已經很成熟。當前，物聯(lián)牧場傳輸層的研究重點是無線傳感網絡技術在畜禽養(yǎng)殖中的應用。

林惠強等[16]進行了無線傳感網絡技術應用到動物監(jiān)測領域的探索，構建了基于無線傳感網絡的動物監(jiān)測平臺，提出了飼養(yǎng)場無線傳感網絡部署方法、無線傳感器集成節(jié)點的設計、動物的定位跟蹤和路由算法以及可視化預警平臺的構想。該研究為解決畜禽個體行為特征和健康狀況無法實時獲取的問題提供了一種解決方案，為無線傳感網絡在畜牧業(yè)中的應用提供了參考。尹令等[17]設計了基于無線傳感器網絡的奶牛行為特征監(jiān)測系統(tǒng)，通過在奶牛頸部安裝無線傳感器節(jié)點獲取奶牛的體溫、脈搏、呼吸頻率和運動行為特征等參數，建立動物行為監(jiān)測系統(tǒng)，利用K-均值聚類算法能準確區(qū)分奶牛靜止、慢走、爬跨、快走等行為特征，從而達到長期監(jiān)測奶?；顒訝顟B(tài)的目的。高云[18]研究了無線傳感器網絡應用于豬養(yǎng)殖綜合監(jiān)測系統(tǒng)中的幾個關鍵技術問題，包括無線傳感器網絡節(jié)點的覆蓋性能分析、部署方案問題、無線傳感器網絡豬舍內定位的問題、以及無線傳感器網絡運動行為監(jiān)測問題，并給出網絡化養(yǎng)豬綜合精準監(jiān)測系統(tǒng)的整體框架。目前的無線傳感器節(jié)點在實際應用中遇到了很多問題，如安裝復雜、容易脫落、電池續(xù)航能力不足、數據傳輸距離有限、環(huán)境適應性差等，需要各國學者的努力，進一步提高無線傳感網絡在畜牧養(yǎng)殖中的適用性。

4 物聯(lián)牧場應用層的研究進展

應用層的研究是物聯(lián)牧場的最高層，是面向養(yǎng)殖戶的，可以根據養(yǎng)殖戶的需求搭建不同的應用平臺。物聯(lián)牧場應用研究的主要內容包括：實現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境的遠程調控和智能調控，以確保適宜畜禽生長的養(yǎng)殖環(huán)境，保證畜禽健康，同時減輕養(yǎng)殖戶的工作負擔；實現(xiàn)精確飼喂，根據畜禽在各階段營養(yǎng)需求，模仿專家經驗，設定飼料配方和飼喂量，合理飼喂，控制畜禽體況，減少飼料浪費，提高飼料轉化率；實現(xiàn)育種繁育的智能管理，結合物聯(lián)牧場感知到的信息，科學判別畜禽發(fā)情期，預測最佳配種時期，提高種畜和母畜的繁殖效率；實現(xiàn)畜禽疾病的診斷和預警，對感知到的傳感數據進行數據融合，特征提取，智能判別等處理，對畜禽養(yǎng)殖疾病進行診斷，同時根據流行病學、預警科學等知識確定預警警級，減少畜禽疾病給養(yǎng)殖戶造成的經濟損失。

高萬林等[19]設計了一個豬場信息管理系統(tǒng)，包含用戶信息、豬場和生豬信息、飼料管理、環(huán)境監(jiān)測、疾病診斷、銷售管理6個模塊。環(huán)境監(jiān)測模塊可以監(jiān)測生豬的生長環(huán)境，包括溫度、濕度、氨氣、二氧化硫、二氧化碳濃度和光照強度。疾病診斷信息模塊可以記錄生豬疾病癥狀、診斷信息等。該系統(tǒng)可實現(xiàn)生豬豬場自動化管理，提高了生豬養(yǎng)殖戶的管理效率，并降低了生豬養(yǎng)殖戶的養(yǎng)殖成本，具有一定的實用價值。楊亮等[20]設計了一種妊娠母豬自動飼喂機電控制系統(tǒng)，采用RFID標識及無線局域網技術，實現(xiàn)了母豬的個體識別與數據交換。在個體識別的基礎上，實現(xiàn)了針對不同妊娠期（前期、中期及后期）的母豬，有差異的精細飼喂，實驗結果顯示剩料比僅為2.1%，極大減少了飼料的浪費，提高了養(yǎng)殖效率。隨著物聯(lián)網感知層研究的推進，物聯(lián)牧場應用層的研究也會日漸豐富，以滿足養(yǎng)殖戶個性化的需求。

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北京市自然科學基金項目“基于多源數據融合的北京市豬肉市場監(jiān)測預警研究”（資助編號：9153023）。

熊露（1990-），女，湖南省岳陽市人，碩士，主要研究方向為農業(yè)經濟管理。

*通信作者：韓書慶（1986.03-），男，河北省衡水市人，助理研究員，博士，主要從事畜牧物聯(lián)網、機器視覺等相關研究。