王 廣，張永濤，李德嫻，袁宇欣，陳 璐，余夢(mèng)琦，韓少卿，王 浩，李 廣*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，奶羊產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2.楊凌農(nóng)業(yè)云服務(wù)有限公司，陜西 楊凌 712100)

以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)及人工智能為代表的新一輪信息技術(shù)革命推動(dòng)粗放式傳統(tǒng)畜牧養(yǎng)殖向知識(shí)型、技術(shù)型、現(xiàn)代化的智慧畜牧養(yǎng)殖轉(zhuǎn)變，利用智能化技術(shù)優(yōu)勢已成為驅(qū)動(dòng)畜牧業(yè)快速發(fā)展的重要因素[1-9]。奶山羊是我國的特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一，羊奶以易消化好吸收，含有多種生物活性物質(zhì)，如上皮細(xì)胞生長因子(EGF)、類胰島素因子、涎酸(SA)、核甘酸、腦磷脂等，且不易發(fā)生乳糖不耐癥和乳蛋白(A1β-酪蛋白、αs-1酪蛋白)過敏反應(yīng)[10]，以及奶山羊養(yǎng)殖投資小，帶動(dòng)農(nóng)民增收量大面廣等優(yōu)勢，成為脫貧致富和鄉(xiāng)村振興優(yōu)勢特色產(chǎn)業(yè)。但長期以來，奶山羊產(chǎn)業(yè)存在著“繁殖效率低，改良效率差”等瓶頸問題，嚴(yán)重制約了我國奶山羊產(chǎn)業(yè)優(yōu)質(zhì)高質(zhì)量的快速發(fā)展。隨著傳感器、移動(dòng)通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，通過傳感器獲得相關(guān)繁育參數(shù)，將之傳輸?shù)皆贫?，并在手機(jī)、PDA(掌上電腦)、計(jì)算機(jī)等信息終端進(jìn)行顯示，已成為規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖場采用的信息化管理手段[9-14]。對(duì)獲取的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)如何科學(xué)有效地加以利用，進(jìn)一步指導(dǎo)奶山羊生產(chǎn)，是當(dāng)前亟待解決的突出問題。

在奶山羊的繁殖管理中，采用精準(zhǔn)的選配選育技術(shù)與相應(yīng)的繁殖裝備結(jié)合起來，應(yīng)符合奶山羊的繁育生理需求。選配選育技術(shù)狀況直接影響奶山羊的遺傳進(jìn)度和后裔的產(chǎn)奶性能，體型外貌和產(chǎn)奶性能是評(píng)價(jià)奶山羊高效繁育效果的基本指標(biāo)。目前，奶山羊的飼喂管理是按照產(chǎn)奶量進(jìn)行分群，頻繁分群對(duì)奶山羊造成一定的應(yīng)激，且各組群內(nèi)由于奶山羊的個(gè)體差異，致使高產(chǎn)奶山羊精準(zhǔn)的選配選育技術(shù)受到限制，針對(duì)該技術(shù)存在的問題，智能化精確智能化精準(zhǔn)繁育系統(tǒng)的應(yīng)用在一定程度上彌補(bǔ)了這方面的技術(shù)不足。

1 規(guī)?；躺窖驁龅淖詣?dòng)監(jiān)測及聯(lián)動(dòng)控制

對(duì)于奶山羊產(chǎn)業(yè)而言，開發(fā)奶山羊場監(jiān)控系統(tǒng)可以幫助管理人員在不到現(xiàn)場的情況下，實(shí)現(xiàn)羊場生產(chǎn)的監(jiān)督和管理。同時(shí)，根據(jù)需要還可以通過遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)邀請(qǐng)專家，向羊場提供遠(yuǎn)程指導(dǎo)和繁育信息。此外，一套監(jiān)控系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)羊場信息管理，大大減少人員數(shù)量，有效地提高養(yǎng)羊業(yè)的管理水平。但目前，市場上所使用的養(yǎng)羊場管理系統(tǒng)效果均不理想，這些系統(tǒng)還不能解決我國規(guī)?；躺窖驁霰O(jiān)控所面臨的關(guān)鍵問題。奶山羊的繁殖信息包括羊舍環(huán)境因素及體溫、行為等，由于規(guī)?；躺窖驁錾婕暗谋O(jiān)控參數(shù)較多，需要采取的措施較為復(fù)雜，導(dǎo)致信息采集困難。為此，我們自主研發(fā)了一個(gè)規(guī)?；躺窖驁龈咝Х敝彻芾硐到y(tǒng)，它可對(duì)奶山羊的養(yǎng)殖環(huán)境信息和生理信息進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測及相關(guān)聯(lián)動(dòng)控制。

2 奶山羊場監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件整體設(shè)計(jì)

2.1 奶山羊場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

通過巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)、奶山羊羊臉識(shí)別系統(tǒng)、奶山羊體溫感知和行為感知系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，各個(gè)羊舍中的各類傳感器和攝像頭可廣泛采集各種數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)窖驁霰O(jiān)控?cái)?shù)據(jù)服務(wù)中心，以對(duì)獲取的大量奶山羊養(yǎng)殖數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理及顯示。所建設(shè)的奶山羊場智能監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)奶山羊養(yǎng)殖的全過程監(jiān)控、科學(xué)管理和即時(shí)服務(wù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)奶山羊產(chǎn)業(yè)集約、高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)和安全的目標(biāo)。具體的系統(tǒng)功能包括視頻監(jiān)控功能、環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測功能、環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備遠(yuǎn)程控制功能、奶山羊生理信息采集功能和報(bào)警功能。視頻監(jiān)控功能可以實(shí)時(shí)地傳送活動(dòng)圖像信息到用戶客戶端。同時(shí)，客戶端還可以控制前端攝像機(jī)，改變攝像角度、方位、鏡頭焦距等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場大范圍的觀察和近距離的特寫；環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測設(shè)備，可對(duì)羊場設(shè)備如水簾、風(fēng)機(jī)、加熱器等進(jìn)行遠(yuǎn)程操作；奶山羊生理信息采集功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)奶山羊采食、飲水、體溫、運(yùn)動(dòng)、搖尾等信息的采集；報(bào)警功能可實(shí)現(xiàn)用戶可根據(jù)需求在智能平臺(tái)上設(shè)置閾值，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超過閾值的時(shí)候，系統(tǒng)可以進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。

2.2 規(guī)?；驁霰O(jiān)控系統(tǒng)的Web服務(wù)設(shè)計(jì)

規(guī)?；驁鲋悄芑芾砥脚_(tái)系統(tǒng)包括登錄管理、首頁顯示、公告中心、信息總覽、地理位置、特殊操作和用戶注冊(cè)等。其中，信息總覽是本系統(tǒng)的核心模塊，它包括用戶管理、配置管理、監(jiān)控管理、文章管理和智能管理。登錄管理模塊主要實(shí)現(xiàn)管理員登錄功能。成功登錄后，系統(tǒng)可發(fā)送短信及郵件提醒。公告中心模塊主要實(shí)現(xiàn)后臺(tái)編輯相關(guān)文章內(nèi)容的展示；信息總覽模塊的主要功能包括監(jiān)控管理、配置管理、用戶管理和智能管理；地理位置模塊主要實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖區(qū)域的百度地圖展示；監(jiān)控管理包括圖像監(jiān)控、視頻監(jiān)控、羊生理信息監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控和設(shè)備監(jiān)控，其中，圖像監(jiān)控主要實(shí)現(xiàn)以圖片形式對(duì)羊舍羊群情況進(jìn)行監(jiān)控；視頻監(jiān)控主要實(shí)現(xiàn)以視頻播放的形式對(duì)羊舍羊群進(jìn)行監(jiān)控；環(huán)境監(jiān)控主要實(shí)現(xiàn)綜合性監(jiān)控，包括設(shè)備控制及視頻、環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)控；設(shè)備監(jiān)控主要實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控管理，包括攝像頭、網(wǎng)關(guān)、節(jié)點(diǎn)、繼電器及其它水電氣設(shè)備(如燈、風(fēng)扇等)；配置管理是羊場智能監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)重要模塊，它主要實(shí)現(xiàn)區(qū)域配置和設(shè)備配置功能；用戶管理主要包括羊個(gè)體信息管理與用戶列表及操作管理；特殊操作模塊包括權(quán)限管理、角色管理、用戶管理和日志管理。權(quán)限管理主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)用戶的權(quán)限進(jìn)行查詢及編輯操作；角色管理主要負(fù)責(zé)對(duì)角色的增加刪除修改查找和為指定角色分配權(quán)限；用戶管理主要實(shí)現(xiàn)用戶角色授予的編輯及清空權(quán)限的操作；日志管理主要實(shí)現(xiàn)管理員有關(guān)寫操作的記錄。另外，用戶注冊(cè)模塊主要實(shí)現(xiàn)注冊(cè)新的管理員，但新管理員并沒有任何權(quán)限，需要超級(jí)管理員后臺(tái)授予相關(guān)權(quán)限。

2.3 奶山羊場管理平臺(tái)主要數(shù)據(jù)庫表格設(shè)計(jì)

奶山羊場實(shí)時(shí)監(jiān)控過程中，各種數(shù)據(jù)匯集到智能羊場監(jiān)控系統(tǒng)信息平臺(tái)所在的數(shù)據(jù)服務(wù)中心，該中心使用Oracle、MySQL及MS SQL Server等數(shù)據(jù)庫來管理及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)建立所涉及的主要數(shù)據(jù)表格包括用戶表(adminuser)、網(wǎng)關(guān)表(gateway)、傳感器表(sensor)、傳感器數(shù)據(jù)表(sensor_data)和控制命令表(controlorder)，各個(gè)表格之間用主鍵外鍵之間的關(guān)系進(jìn)行聯(lián)系；在奶山羊精準(zhǔn)繁育數(shù)據(jù)服務(wù)中心的主要數(shù)據(jù)庫內(nèi)容包括：表型數(shù)據(jù)(體征狀況數(shù)據(jù)、健康狀況數(shù)據(jù)、聲音狀況數(shù)據(jù))、行為數(shù)據(jù)(活動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)、采食狀況數(shù)據(jù)、產(chǎn)奶狀況數(shù)據(jù)、繁育狀況數(shù)據(jù))、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)(環(huán)境溫度數(shù)據(jù)、環(huán)境濕度數(shù)據(jù)、安全環(huán)保數(shù)據(jù))、基因組數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)、蛋白組數(shù)據(jù)、代謝組數(shù)據(jù)、微生物組數(shù)據(jù)等。

2.4 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

無線繼電器PC控制盒可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)對(duì)各路電器設(shè)備的電源的“開”或“關(guān)”進(jìn)行無線方式控制，它擺脫了有線繼電器需要拉很長電線的制約。PC智能控制盒通過使用RS232接口同網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。通過標(biāo)配的無線遙控模塊，可以發(fā)射無線信號(hào)來控制可視距離1 000 m范圍內(nèi)的無線繼電器設(shè)備。OT139氣體檢測儀可以檢測8種氣體檢測儀+溫濕度+粉塵，支持GPRS定位，4G數(shù)據(jù)傳輸，具備物聯(lián)、無線、藍(lán)牙、可連接無線藍(lán)牙打印機(jī)；軌道巡視機(jī)器人及多功能電子耳標(biāo)是基于養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn)體系、飼草飼料、生長環(huán)境、體征監(jiān)測等數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用，通過對(duì)奶山羊羊臉識(shí)別、個(gè)體信息、飼草料信息、羊舍環(huán)境信息、奶山羊生理感知信息(體溫、運(yùn)動(dòng)、行為等)、巡視機(jī)器人感知信息的采集、整合和管理，對(duì)羊場的奶山羊的生理體征以快速響應(yīng)模式獲得精準(zhǔn)、及時(shí)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行巡查監(jiān)測和預(yù)警，通過物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測及設(shè)施智能控制系統(tǒng)建設(shè)，對(duì)奶山羊生長環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，通過對(duì)羊舍通風(fēng)照明等設(shè)備的智能控制，滿足奶山羊養(yǎng)殖正常的環(huán)境需求；通過動(dòng)物體征監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測奶山羊生理體征、發(fā)情狀況及體征異常情況進(jìn)行預(yù)警。

3 規(guī)模化奶山羊場智能化精準(zhǔn)繁育功能的實(shí)現(xiàn)

規(guī)?；躺窖驁霰O(jiān)控?cái)?shù)據(jù)服務(wù)中心接收網(wǎng)關(guān)發(fā)來的傳感器及視頻數(shù)據(jù)，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后，通過Web服務(wù)器向用戶展示。同時(shí)，用戶可通過Android手機(jī)客戶端或者PC客戶端對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行控制，控制命令通過Web服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給安裝在奶山羊場羊舍中的網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過RS 232或者RS 485串口向繼電器設(shè)備發(fā)送控制命令來實(shí)現(xiàn)通電電路打開和關(guān)閉，進(jìn)而控制設(shè)備的運(yùn)行。

3.1 系統(tǒng)登錄界面

管理員需要輸入賬號(hào)、密碼及驗(yàn)證碼，經(jīng)后臺(tái)驗(yàn)證通過后才算登錄成功。成功登錄后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給管理員發(fā)送郵件提示。

3.2 靜態(tài)數(shù)據(jù)管理

靜態(tài)數(shù)據(jù)管理界面，通過區(qū)域管理模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶、養(yǎng)殖區(qū)、設(shè)備等靜態(tài)信息的基本管理，包括增加、刪除、修改和查詢等操作。

3.3 傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析處理及動(dòng)態(tài)顯示界面

通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊可對(duì)收集的各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過報(bào)表的方式顯示實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)控信息以及網(wǎng)關(guān)下屬傳感器組成比例等信息。報(bào)表方式有折線圖、時(shí)序分布圖和餅狀圖等。同時(shí)，用戶通過查看報(bào)表可更直觀地了解羊場的實(shí)時(shí)環(huán)境信息和個(gè)體生理、繁殖行為信息。

4 設(shè)備的手動(dòng)控制及智能化控制管理界面

通過羊場的手動(dòng)控制系統(tǒng)，用戶通過查看羊場不同區(qū)域的數(shù)據(jù)分析后，如發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境因素和個(gè)體生理、繁殖行為信息不在合適的范圍內(nèi)時(shí)，可主動(dòng)對(duì)遠(yuǎn)端的相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行控制，通過管理界面，實(shí)現(xiàn)溫濕度調(diào)節(jié)、光照調(diào)節(jié)及加強(qiáng)空氣流通性等；對(duì)于奶山羊個(gè)體生理、繁殖行為信息的異常變化，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)情母羊，并通過個(gè)體表型、系譜分析、基因組數(shù)據(jù)、蛋白組數(shù)據(jù)及代謝組數(shù)據(jù)等進(jìn)行最佳的配對(duì)組合，為了避免對(duì)羊舍環(huán)境調(diào)節(jié)和繁殖配對(duì)的不精確性，以及人工監(jiān)控的不足，可通過設(shè)置“智能模式”來實(shí)現(xiàn)對(duì)羊場環(huán)境和繁殖配對(duì)的智能化調(diào)節(jié)。通過設(shè)置傳感器的參數(shù)，并啟用該模式，服務(wù)器將會(huì)傳輸相關(guān)的配置參數(shù)到不同的網(wǎng)關(guān)，并將智能化控制參數(shù)存儲(chǔ)到網(wǎng)關(guān)的嵌入式數(shù)據(jù)庫中。網(wǎng)關(guān)根據(jù)嵌入式數(shù)據(jù)庫控制命令管理表格中的參數(shù)，對(duì)各自收集的數(shù)據(jù)做出分析處理，在無須人工干涉的情況下，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的智能控制，從而加速遺傳進(jìn)度和繁育效果。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)是運(yùn)用C編程技術(shù)、Java編程技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)信息化技術(shù)及數(shù)據(jù)融合技術(shù)，依據(jù)奶山羊個(gè)體生理信息、行為信息、個(gè)體表型、系譜分析、基因組數(shù)據(jù)、蛋白組數(shù)據(jù)及代謝組數(shù)據(jù)等進(jìn)行最佳的配對(duì)組合，開發(fā)了規(guī)?；躺窖驁鲋悄芑珳?zhǔn)繁育系統(tǒng)，主要包括Web服務(wù)器端及智能手機(jī)客戶端，本系統(tǒng)通過設(shè)置“智能模式”來實(shí)現(xiàn)對(duì)羊場環(huán)境和繁殖配對(duì)的智能化調(diào)節(jié)，在無須人工干涉的情況下，就可實(shí)現(xiàn)智能控制，從而加速遺傳進(jìn)度和繁育效果，在現(xiàn)代化奶山羊養(yǎng)殖領(lǐng)域必將得到快速推廣和應(yīng)用。