郗風江，張 銳，郭洪飛

(1.內蒙古遙感中心有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010010；2.天津科技大學 電子信息與自動化學院，天津 300222；3.暨南大學 物聯網學院，廣東 廣州 510632)

隨著我國經濟的快速發(fā)展，我國的畜牧業(yè)得到了迅速的發(fā)展。但是傳統畜牧業(yè)模式下的牧場管理方式落后，生產效率相對低下，產品質量良莠不齊，不能切實地提高其養(yǎng)殖和畜牧的智能管理水平，嚴重影響到畜牧業(yè)整體發(fā)展。利用物聯網、大數據等新一代信息技術提高牧場的管理水平是亟待解決的現實問題。

1 國內外研究現狀

綜合國內外研究現狀，現有的研究在牲畜項圈、牲畜定位、電子圍欄、GIS信息平臺、手機App等領域取得了較多的成果，但是沒有針對綜合草原的牲畜、圈舍、氣象、草場信息因素進行牧場決策的大數據信息系統。尤其在當今“互聯網+”的熱潮中，畜牧業(yè)應該快速發(fā)展到“互聯網+”的前沿，充分利用互聯網、大數據、3S、物聯網、人工智能、無線通信技術、電子技術等新一代信息技術，提升畜牧業(yè)生產、經營、管理和服務水平，形成網絡化、便利化、實時化、感知化、物聯化、智能化、精細化的現代畜牧業(yè)新模式。

2 主要研究內容

針對目前草原牧場對牲畜的自動化放牧管理以及智慧決策研究不足的需求。對牲畜實時定位等信息采集處理設備，智能化牧場地理信息系統，面向自動化放牧的智慧牧場大數據信息平臺展開研究，主要研發(fā)內容，如圖1所示。

2.1 開發(fā)牲畜實時定位等信息采集處理設備

設計牲畜智能穿戴式項圈，通過內嵌定位、心跳等傳感器可實時對牲畜的追蹤定位、行為狀態(tài)以及生理體征進行監(jiān)測；研發(fā)圈舍、氣象智能網關，采集圈舍和草場環(huán)境參數和視頻數據，對視頻數據進行深度學習處理，分析識別牲畜異常行為(疾病防治、傷病報警等)，并與云服務器的大數據信息系統軟件交互；研究低功耗、高可靠性無線傳感網絡的通信協議，設計具有快速響應的通信時序以及較低通信數據量的數據格式，降低無線傳輸時間，實現低功耗網絡。

2.2 構建智能化牧場地理信息系統

研究草場高時空分辨率衛(wèi)星數據的獲取與處理，結合地面數據，預測與評估草原草場土壤水分時空分布變化規(guī)律，分析云服務器中草場遙感和牲畜位置數據，結合GIS系統中的空間實體數據，建立智能化牧場地理信息系統。

2.3 設計面向自動化放牧的智慧牧場大數據信息平臺

存儲牲畜、圈舍大數據，氣象大數據，草場大數據，具有以下功能：電子圍欄實時預警、定位監(jiān)控、草場管理、牲畜信息化管理、牲畜健康分析以及大數據管理。用人工智能技術對自動化放牧規(guī)劃，環(huán)境控制，對牲畜科學飼養(yǎng)、疾病防治、傷病報警、野外搶救進行決策分析，實現對草場牲畜的自動化放牧管理。

3 系統實現的技術路線

3.1 牲畜實時定位等信息采集處理設備的研發(fā)

3.1.1 牲畜智能穿戴式項圈研發(fā)。設計可佩戴牲畜身上的智能穿戴式項圈，通過內嵌定位、心跳、溫度、陀螺儀和加速度傳感器可實時對牲畜的追蹤定位、行為狀態(tài)以及生理體征進行監(jiān)測。頭羊/牛采用衛(wèi)星/NB-IoT/LoRa多模通信方式，其他牲畜采用NB-IoT/LoRa雙模通信方式，在無移動通信信號時，通過LoRa與頭羊/牛通信后再發(fā)送信息至低軌衛(wèi)星，在有移動通信信號時，所有牲畜自動切換至NB-IoT通信模式。

3.1.2 圈舍和氣象智能網關研發(fā)。研發(fā)圈舍智能網關，采集溫濕度、氨氣、光照數據等圈舍環(huán)境參數和視頻數據；研發(fā)氣象智能網關，采集空氣溫度、濕度、光照強度、氣壓、風速、風向、雨量等氣象環(huán)境參數、土壤信息和視頻數據。在智能網關的覆蓋范圍內牲畜通過LoRa技術可將項圈中的位置等信息上傳至圈舍或氣象網關。在網關上進行預處理特別是視頻信號的深度學習處理，對牲畜異常行為(疾病防治、傷病報警等)進行分析識別，利用大數據信息平臺或手機App軟件控制圈舍門等設施狀態(tài)。然后由網關通過4G或低軌通信衛(wèi)星方式實時與安裝在云服務器的大數據信息系統平臺軟件交互。

3.1.3 設備間低功耗無線通信協議研究。針對牲畜之間的無線通信，研究低功耗、高可靠性無線傳感網絡的通信協議，針對無線傳感網絡中多對一的情況設計了防碰撞處理算法，設計具有快速響應的通信時序以及較低通信數據量的數據格式，模塊間采用統一格式，減少程序解析時間，可以降低無線傳輸時間，實現低功耗網絡。

3.2 智能化牧場地理信息系統的研究

研究牧草生育期衛(wèi)星數據的獲取與處理方法，從相應區(qū)域的遙感影像上提取反演得到以下指標：植被指數(NDVI)、地表溫度(LST)，并運用Sandholt(2002)等提出的溫度植被干旱指數(TVDI)，反演得到研究區(qū)的溫度植被干旱指數。地面數據主要是分析區(qū)草場牧草的植被覆蓋度和土壤水分，定時生成實時圖。研究草場土壤傳感器的分布情況，通過設置氣象站和采用空間插值法，測量空氣溫度、濕度、光照強度、氣壓、風速、風向、雨量等環(huán)境參數。將反演得到的TVDI與測量數據進行相關性分析后，研究區(qū)旱災情況的等級劃分，預測與評估草原草場植被的土壤水分時空分布變化規(guī)律。利用牲畜項圈中安裝的GPS和北斗雙模技術定位裝置，在放牧中把采集的位置信息發(fā)送到云服務器。云服務器大數據信息平臺分析草場遙感和牲畜位置數據，結合GIS系統中的空間實體數據，設計出智能化牧場地理信息系統，做出智慧決策。

3.3 面向自動化放牧的智慧牧場大數據信息平臺的研究

大數據信息系統包括牲畜、圈舍大數據，氣象大數據，草場大數據，研究人工智能技術，對自動化放牧進行智慧決策分析，實現畜牧業(yè)的智能化管理。系統包括以下功能：電子圍欄實時預警、定位監(jiān)控、草場管理、牲畜信息化管理、牲畜健康分析以及大數據管理。

3.3.1 電子圍欄實時預警。智能項圈的定位功能和電子圍欄技術相結合，一旦牲畜活動范圍超出特定區(qū)域，則可以發(fā)出報警信息，使牧民能夠第一時間進行處理。

3.3.2 定位監(jiān)控。通過智能項圈的定位模塊可以采集牲畜的位置信息，采用物聯網技術發(fā)送到系統平臺使牧民能夠容易地了解到各個牲畜的位置信息，方便對它們進行管理。

3.3.3 草場管理。采集遙感和地理信息系統以及相關傳感器發(fā)送的數據，并進行實時分析牧場傳感器獲取的土壤和牲畜的信息，以及牧場外獲取的氣象信息。平臺采用B/S結構，實現通過網頁瀏覽器顯示數據的功能，牧民可觀察到牧場的地理信息，并可以觀測各個傳感器實時采集的數據，實現牧民對牧場的智能化管理。

3.3.4 牲畜信息化管理。通過對牲畜佩戴RFID電子耳牌可對其進行信息化管理，將牲畜的體重、年齡、發(fā)情期、配種信息以及種類等信息記錄到電子耳牌中，并對其進行實時更新，方便牧民對牲畜進行管理。

3.3.5 牲畜健康分析。智能項圈的傳感器采集牲畜的生理特征數據并通過物聯網發(fā)送到系統平臺。通過采集牲畜的心跳、體溫以及體重來判斷牲畜的健康狀況。智能項圈嵌有陀螺儀和加速度傳感器對牲畜的運動量和動作進行識別。研究特征提取以及濾波等算法對牲畜異常行為進行分析，目的是判斷牲畜的健康狀況以及是否處于發(fā)情期，使牧民能夠對其進行管理。

3.3.6 手機App軟件。設計牧民手機App軟件，具有查詢牲畜、圈舍、氣象、草場信息，控制圈舍門等設施的狀態(tài)以及實時獲取牲畜位置、歷史軌跡回看、電子圍欄、實時報警等功能。

3.3.7 大數據決策。將相關傳感器采集的數據發(fā)送至中央云服務器，使傳感數據與相關數字服務相結合，減少成本提高效率。用大數據等新技術來解決海量數據的存儲、分析和挖掘問題，增加對草原牧場傳感數據的應用，完成對突發(fā)事件的早期探測和監(jiān)控，用機器學習技術實現放牧規(guī)劃、科學飼養(yǎng)、疾病防治、傷病報警、野外搶救、環(huán)境控制、牧場可持續(xù)管理等功能，建立一套切實可行的智慧牧場大數據信息系統平臺。

4 結束語

智慧牧場大數據信息系統平臺已經在四子王旗查干補力格蘇木進行了測試，取得了階段性的成果。系統完成并產業(yè)化應用后，可實現畜牧企業(yè)對草原牧場的科學管理，提高管理工作效率，可以大大降低牧場管理成本，理想狀態(tài)下可降低單個牧場管理成本50%，提高牲畜質量，降低死亡率，保證牧場的經濟效益，可增加收入25%。同時也有助于草原牧場生態(tài)環(huán)境保護建設，可發(fā)揮對畜牧業(yè)經濟增長的支撐作用，實現牧場建設的高效、可持續(xù)發(fā)展，從而促進經濟的發(fā)展。