文|梅國(guó)濤 邱慶舉 熊福焰

1.青島上合航天科技有限公司

2.煙臺(tái)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院

一、前言

物聯(lián)網(wǎng)很大程度上受制于通信基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，目前的三種通信方式為地面有線網(wǎng)、地面無線網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)。地面通信網(wǎng)在覆蓋能力上有一定受限：我國(guó)80%以上的陸地和95%以上的海洋無地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋。我國(guó)天通一號(hào)衛(wèi)星在2016 年首發(fā)01 星，目前已完成3 顆衛(wèi)星發(fā)射，可覆蓋中國(guó)及周邊、西太平洋、東南亞地區(qū)，具有語(yǔ)音、短信、數(shù)據(jù)服務(wù)能力。2021 年11 月12 日，天通衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商中國(guó)電信衛(wèi)星公司發(fā)布天通物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，天通物聯(lián)網(wǎng)開啟試運(yùn)行。北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已于2020 年7 月31 日全面建成開通。北斗三號(hào)系統(tǒng)相比北斗二號(hào)系統(tǒng)，在覆蓋范圍、定位精度、授時(shí)精度、短報(bào)文容量方面有較大升級(jí)，區(qū)域短報(bào)文容量從120 個(gè)漢字/次升級(jí)到1000 個(gè)漢字/次，通信容量大幅提升，覆蓋范圍也從亞太地區(qū)提升到全球。

一直以來，牧場(chǎng)管理因牲畜移動(dòng)性受到很多管理技術(shù)的限制。發(fā)展牧場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，特別是牧場(chǎng)牛羊監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)，對(duì)牧場(chǎng)的管理水平提升有重要意義。我國(guó)重要的畜牧基地有新疆、西藏、內(nèi)蒙古、青海等，在這些偏遠(yuǎn)地區(qū)，放養(yǎng)牲畜的數(shù)量一般比較龐大，上千只羊群、牛群和馬群在草原上放牧隨處可見。傳統(tǒng)放牧存在牲畜盜竊難防范、牲畜丟失難找回等問題，以及牛羊進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域或者莊稼地、森林等造成財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)勞動(dòng)力的需求是剛性的，同時(shí)過度放牧導(dǎo)致生態(tài)惡化，也影響畜牧業(yè)的發(fā)展。因此，通過智能設(shè)備獲取牲畜所處環(huán)境、位置、健康和生理信息等數(shù)據(jù)，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)酱髷?shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，再將結(jié)果可視化后呈現(xiàn)給用戶端，一方面實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的科學(xué)準(zhǔn)確采集，為政府及養(yǎng)殖基地管理、決策提供科學(xué)依據(jù)，另一方面牧民可通過手機(jī)APP 輕松實(shí)現(xiàn)智能化、信息化養(yǎng)殖。國(guó)內(nèi)外已有如瑞典Sveaverken、澳大利亞Moovement、國(guó)內(nèi)幾米物聯(lián)等多個(gè)企業(yè)推出基于地面蜂窩通信的牛羊監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)終端，但這些畜牧基地地處偏遠(yuǎn)，存在無移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋地區(qū)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸問題，所以通過衛(wèi)星通信終端來實(shí)現(xiàn)牧場(chǎng)牛羊監(jiān)控，如北斗短報(bào)文通信，可實(shí)現(xiàn)感知信息的全天候、全天時(shí)及無縫傳遞，可有效支持牧場(chǎng)的智能化管理，特別是牛馬羊定位與監(jiān)控管理。

二、國(guó)內(nèi)外基于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的牧場(chǎng)管理應(yīng)用

1.國(guó)外基于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的牧場(chǎng)管理應(yīng)用

2019 年，蒙古國(guó)Spotter 應(yīng)用Globalstar 的SmartOne C IoT 進(jìn)行馬匹監(jiān)控。該地區(qū)馬匹有時(shí)會(huì)跋涉數(shù)百千米尋找好草，也可能會(huì)在暴風(fēng)雨中迷路，從而增加了失蹤和被盜的風(fēng)險(xiǎn)，目前現(xiàn)場(chǎng)部署了5000個(gè)Spotter 項(xiàng)圈。

2021 年，美國(guó)Global Satellite Engineering 基于低軌衛(wèi)星星座Globalstar 資源開發(fā)了一款GSatSolar太陽(yáng)能衛(wèi)星監(jiān)控終端，并于2021 年2 季度上市。產(chǎn)品僅有22g，以耳標(biāo)方式安裝，與衛(wèi)星直連。澳大利亞Ceres 同樣基于低軌衛(wèi)星星座Globalstar 開發(fā)了Ceres Tag 太陽(yáng)能衛(wèi)星監(jiān)控終端，與GSatSolar 產(chǎn)品相近，于2021 年12 月開始陸續(xù)應(yīng)用。

荷蘭Hiber 基于Inmarsat 衛(wèi)星星座開發(fā)了一款集成LoRa WAN 的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，通過安裝在牛羊身上的LoRa 終端，將牛羊定位數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)，然后網(wǎng)關(guān)與衛(wèi)星直連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳。

通過對(duì)國(guó)外基于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的牧場(chǎng)管理終端進(jìn)行分析（表1），其實(shí)現(xiàn)方式分為兩類，一類是與衛(wèi)星直連的衛(wèi)星終端，一類是借助衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳的LoRa 終端。

表1 國(guó)外牧場(chǎng)管理衛(wèi)星終端對(duì)比分析

2.國(guó)內(nèi)基于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的牧場(chǎng)管理應(yīng)用

在新疆、西藏、內(nèi)蒙古、青海等主要畜牧基地，牧民通常每天都要騎著摩托車追趕六十到八十千米外的牛群。早在“十二五”期間，牧民就已經(jīng)開始通過給牛羊安裝北斗項(xiàng)圈，用手機(jī)準(zhǔn)確定位牛羊位置，從而一定程度上降低了牧民的勞動(dòng)強(qiáng)度。除了國(guó)內(nèi)，該應(yīng)用也在蒙古、哈薩克斯坦、塔吉克斯坦等“一帶一路”國(guó)家落地。2017 年，對(duì)于無地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，出現(xiàn)了通過北斗短報(bào)文進(jìn)行牛羊監(jiān)控的牧場(chǎng)管理應(yīng)用，采用的是類似于GSatSolar 和Ceres，即與衛(wèi)星直連的衛(wèi)星終端的方式，但受限于成本較高，基于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控終端未大規(guī)模應(yīng)用，目前牧場(chǎng)牛羊監(jiān)控管理還是以地面蜂窩通信為主（圖1）。

圖1 地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)與無地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星直連方式網(wǎng)絡(luò)鏈路示意圖

三、基于衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)+LoRa 終端的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)牧場(chǎng)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用主要有北斗衛(wèi)星和天通衛(wèi)星資源，北斗衛(wèi)星已有產(chǎn)品應(yīng)用于牧場(chǎng)牛羊監(jiān)控管理，天通衛(wèi)星具有更高的通信速率，但終端尺寸要大于北斗，因此結(jié)合牧場(chǎng)牛羊管理場(chǎng)景特點(diǎn)，結(jié)合LoRa 無線通信模塊具有低功耗、低成本、相對(duì)長(zhǎng)距離通信的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)性提出天通衛(wèi)星+LoRa 結(jié)合的通信方式，實(shí)現(xiàn)高通信速率的應(yīng)用與低成本、小型化LoRa 終端的集合，滿足牧場(chǎng)牛羊監(jiān)控大批量、小型化、低成本的需求。

1.系統(tǒng)架構(gòu)

本方案采用天通衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)+LoRa 終端方式（圖2）。通過開發(fā)一款具備衛(wèi)星通信和LoRaWAN 通信功能的網(wǎng)關(guān)終端，和一款具備LoRa 通信和GNSS 定位功能的節(jié)點(diǎn)終端，以區(qū)域組網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)大批量終端應(yīng)用場(chǎng)景下的低成本應(yīng)用。

圖2 衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)+LoRa 終端方式與衛(wèi)星直連方式網(wǎng)絡(luò)鏈路示意圖

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）天通物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)硬件原理框圖設(shè)計(jì)采用MCU 模塊+天通通信模塊+4G 的架構(gòu)，外圍配合LoRa、WiFi、ETH、FLASH、DDR3、電源管理等模塊來實(shí)現(xiàn)功能要求。終端軟件功能包含天通衛(wèi)星通信、地面4G 通信、北斗/GPS 定位、網(wǎng)關(guān)狀態(tài)顯示/上報(bào)、手機(jī)APP 訪問、網(wǎng)頁(yè)訪問、數(shù)據(jù)文件收發(fā)、遠(yuǎn)程/本地固件升級(jí)、遠(yuǎn)程/本地終端配置、LoRa 網(wǎng)關(guān)、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。圖3 為網(wǎng)關(guān)終端與安裝示意圖。

（2）帶有溫度、運(yùn)動(dòng)量監(jiān)測(cè)傳感器的LoRa 節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)硬件原理框圖設(shè)計(jì)采用MCU 模塊+LoRa通信模塊+定位的架構(gòu)，外圍配合FLASH、溫度傳感器、運(yùn)動(dòng)量監(jiān)測(cè)芯片、電源管理等模塊來實(shí)現(xiàn)功能要求。軟件功能包含北斗/GPS 定位、溫度監(jiān)控、運(yùn)動(dòng)量監(jiān)控、數(shù)據(jù)文件收發(fā)頻率可調(diào)、遠(yuǎn)程固件升級(jí)、LoRa 網(wǎng)關(guān)通信、本地終端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3.系統(tǒng)應(yīng)用——以東北某牧場(chǎng)應(yīng)用為例

（1）應(yīng)用場(chǎng)景情況

圖3 網(wǎng)關(guān)終端與安裝示意圖

以偏遠(yuǎn)的東北某牧場(chǎng)為例進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用闡釋。牧場(chǎng)所在區(qū)域，僅村鎮(zhèn)所在地有地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，放牧區(qū)域無網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋。整個(gè)牧場(chǎng)區(qū)域共有7 萬～8 萬頭牛。牧場(chǎng)內(nèi)平均每個(gè)養(yǎng)牛戶有80 ～120頭牛，不需要全部監(jiān)控，只需重點(diǎn)監(jiān)控其中10 ～20 頭領(lǐng)頭牛。每年6—9 月牛群會(huì)散養(yǎng)在牧場(chǎng)，每個(gè)農(nóng)戶100多頭牛的牛群分布在方圓10km范圍內(nèi)。

（2）應(yīng)用測(cè)試情況

經(jīng)過上千次點(diǎn)位測(cè)試，數(shù)據(jù)回傳成功率100%，未出現(xiàn)丟點(diǎn)現(xiàn)象。位置、溫度、加速度數(shù)據(jù)回傳正常。展示平臺(tái)直觀、易操作，滿足用戶監(jiān)管需求。

（3）應(yīng)用價(jià)值

1）降低失蹤和被盜的風(fēng)險(xiǎn)。主要通過兩方面控制：一是可以設(shè)置電子圍欄，一旦牛群跑出電子圍欄，可以短信或電話方式向農(nóng)戶報(bào)警，農(nóng)戶可基于位置信息及時(shí)采取措施；二是終端具有拆卸報(bào)警功能，防止惡意拆除和偷盜。

2）降低勞動(dòng)力成本。每年6—9 月份放牧期間，養(yǎng)牛戶會(huì)雇傭工人現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管放牧，每個(gè)工人每月工資4000 ～5000 元，放牧?xí)r間4 個(gè)月左右。通過監(jiān)控終端的應(yīng)用，可以取代或者減少放牧工人。

3）降低病死風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)牛的運(yùn)動(dòng)和溫度的監(jiān)測(cè)，可以監(jiān)控牛的健康狀況，對(duì)出現(xiàn)問題的牛及時(shí)進(jìn)行治療和管理，可有效降低病死損失。

4）提高繁殖效率。通過對(duì)牛的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行行為分析，及時(shí)提醒發(fā)情期進(jìn)行人工干預(yù)，提高繁殖效率。

5）增加產(chǎn)量。通過對(duì)食草區(qū)域分析，結(jié)合后期牛的增重情況，可以識(shí)別優(yōu)質(zhì)食草區(qū)域，實(shí)施針對(duì)性放牧，從而增加產(chǎn)量。

（4）牧場(chǎng)監(jiān)管成本

牧場(chǎng)現(xiàn)有的監(jiān)管成本主要有顯性的監(jiān)管工人工資，以及隱性的牛失蹤、被盜、生病等風(fēng)險(xiǎn)成本。

根據(jù)與牧場(chǎng)主的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，監(jiān)管工人工資按4000 元/月計(jì)算，每年放牧?xí)r間預(yù)計(jì)4 個(gè)月，合計(jì)每年1.6 萬元。牛失蹤、被盜、生病等風(fēng)險(xiǎn)成本按照3 年損失一頭牛計(jì)算，一頭牛成本預(yù)估1.5 萬元，平均每年損失為0.5 萬元。公式如下：

式中：CS 是牧場(chǎng)監(jiān)管年投入成本，CH 是年工人工資，CR 是年牛失蹤、被盜、生病等風(fēng)險(xiǎn)成本。

未安裝衛(wèi)星監(jiān)控終端情況下，合計(jì)年監(jiān)管成本CS=1.6 萬元+0.5 萬元=2.1 萬元。

安裝衛(wèi)星監(jiān)控終端后，仍需要一部分工人監(jiān)管，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，按減少3 個(gè)月的工人監(jiān)管進(jìn)行計(jì)算，可減少人工成本1.2 萬元，失蹤、被盜、生病等風(fēng)險(xiǎn)成本0.5 萬元，合計(jì)每年可減少監(jiān)管成本約1.7 萬元。

四、國(guó)內(nèi)外系統(tǒng)方案成本分析

目前，主要有衛(wèi)星終端直連、衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)+LoRa終端兩種方式。首先對(duì)兩種方式中不同衛(wèi)星星座應(yīng)用的使用成本進(jìn)行對(duì)比分析，使用成本主要由終端硬件成本和終端流量成本組成，衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)+LoRa 終端的方式5 年使用成本較低，為800 ～870 元/終端。

采用衛(wèi)星終端直連的方式，GSatSolar 終端成本最低，但使用壽命短，第4 年需更換新終端，會(huì)造成成本增加；澳大利亞Ceres累計(jì)5年使用成本最低，為1040 元；北斗終端采用北斗二號(hào)RDSS 方案進(jìn)行計(jì)算，累計(jì)5 年使用成本最高，為3500 元。

采用衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)+LoRa 的方式，按照多個(gè)農(nóng)戶共用一個(gè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行計(jì)算，將網(wǎng)關(guān)成本平均分?jǐn)偟浇K端成本中，Inmarsat 網(wǎng)關(guān)成本按照2.5 萬元計(jì)算，100個(gè)終端分?jǐn)偝杀緸?50 元/終端，LoRa 終端成本按照500 元計(jì)算，Inmarsat 年流量費(fèi)為24 元/終端，因此第1 年每個(gè)終端使用成本為250+500+24=774元；天通網(wǎng)關(guān)成本預(yù)估1.5 萬元，100 個(gè)終端分?jǐn)偝杀緸?50元/終端，LoRa終端成本按照500元計(jì)算，天通年流量費(fèi)為30 元/終端（天通采用9.6kbps 流量年套餐進(jìn)行計(jì)算），因此第1 年每個(gè)終端使用成本為150+500+30=680 元。后續(xù)，每年使用費(fèi)用主要是流量費(fèi)用和終端更新費(fèi)用。

由以上計(jì)算，Inmarsat 第1 年終端使用成本為774 元，第5 年使用成本為870 元；天通第1 年終端使用成本最低為680 元，第5 年使用成本最低，為800 元。

計(jì)算依據(jù)：按照部署100 個(gè)終端，每天回傳4條小于42byte 數(shù)據(jù)，計(jì)算國(guó)內(nèi)外不同方案累計(jì)使用成本。公式如下：

式中：CI 為終端使用成本，C1 為終端硬件成本，C2 為終端流量成本。具體計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 國(guó)內(nèi)外典型牧場(chǎng)管理衛(wèi)星終端累計(jì)使用成本計(jì)算結(jié)果 元

五、國(guó)內(nèi)外系統(tǒng)方案應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性分析

1.100 頭牛安裝12 個(gè)終端的經(jīng)濟(jì)性分析

基于成本效益分析，以東北某牧場(chǎng)應(yīng)用為例，按100 頭牛計(jì)算，以最經(jīng)濟(jì)的方式，只在頭牛安裝衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)終端，預(yù)計(jì)安裝12 個(gè)終端。

采用衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)后每年可降低成本約1.7萬元，五年可降低成本8.5 萬元。

按照以下公式計(jì)算效益：

式中：CP 即是安裝衛(wèi)星監(jiān)控終端后效益，CI 為采用衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所增加的成本，CH 是年工人工資，CR 是年牛失蹤、被盜、生病等風(fēng)險(xiǎn)成本，X 為安裝終端數(shù)量，其中（CH×3/4+CR）=1.7 萬元/年。

由此計(jì)算，若采用衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，按照采用天通衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)+LoRa 終端方式，五年累計(jì)使用成本為0.96 萬元，五年累計(jì)可節(jié)約成本為8.5 萬元-0.96 萬元=7.54 萬元，節(jié)約成本最多。不同方案5年效益如表3 所示。根據(jù)表3 計(jì)算，除北斗終端需要約2.5 年投資回收期外，其余方案均小于1 年即可收回投資成本。

表3 按照12 個(gè)衛(wèi)星終端計(jì)算牧場(chǎng)年效益 元

2.100 頭牛全部安裝終端的經(jīng)濟(jì)性分析

但是如果為了達(dá)到更好的監(jiān)控效果，對(duì)首次投入成本不敏感，牧場(chǎng)主對(duì)每頭牛都進(jìn)行監(jiān)控，總計(jì)安裝100 個(gè)終端，五年可降低的成本仍是8.5 萬元，經(jīng)過計(jì)算，五年增加的成本為8萬元至35 萬元。按照成本最低的天通衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)+LoRa 終端方式，五年累計(jì)使用成本為8 萬元，五年累計(jì)可節(jié)約成本為8.5 萬元-8 萬元=0.5 萬元，與采用人工監(jiān)管方式成本基本相當(dāng)。不同方案5 年效益如表4 所示。據(jù)表4 計(jì)算，除天通終端能夠在5 年內(nèi)完成投資回收外，其余方案投資回收周期均大于5 年。

表4 按照100 個(gè)衛(wèi)星終端計(jì)算牧場(chǎng)年效益 元

3.小結(jié)

雖然衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)+LoRa 終端方式從效益上計(jì)算更經(jīng)濟(jì)，但也要認(rèn)識(shí)到，衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)安裝架設(shè)成本較高，且后期需要不斷維護(hù)，對(duì)于普通農(nóng)戶，難以接受前期的較大投入，并且衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)覆蓋區(qū)域有限，且容易受障礙物遮擋，對(duì)于部分有遮擋或者放牧區(qū)域較大的場(chǎng)景不適用。

整體來看，衛(wèi)星通信終端在牧場(chǎng)管理的應(yīng)用可以首先從小范圍頭牛安裝、衛(wèi)星終端直連的方式進(jìn)行，以降低前期成本投入，快速取得效益；在后期大批量應(yīng)用可以考慮衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)+LoRa 終端的方式進(jìn)行，以降低整體成本，提高監(jiān)管質(zhì)量，同時(shí)可以推動(dòng)衛(wèi)星通信應(yīng)用的快速發(fā)展。

六、結(jié)語(yǔ)

通過在偏遠(yuǎn)無地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋區(qū)域的牧場(chǎng)安裝應(yīng)用衛(wèi)星監(jiān)控終端，可以有效提高監(jiān)管效率，降低監(jiān)管成本，增加農(nóng)戶效益。同時(shí)也要看到，作為一項(xiàng)新技術(shù)，特別是衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)方式，如果有政策或者組織、企業(yè)推動(dòng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的安裝建設(shè)，從而帶動(dòng)農(nóng)戶的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)終端、系統(tǒng)應(yīng)用，將會(huì)對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)牧場(chǎng)管理起到較大的促進(jìn)作用，同時(shí)也會(huì)加快衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域拓展。