李文鳳， 李 龍

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院動(dòng)物工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上將用戶端延伸和擴(kuò)展到任何物體從而進(jìn)行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡(luò)，通過傳感器、射頻識(shí)別及定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，以及信息傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化跟蹤、識(shí)別、監(jiān)控和管理的智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1-2]。隨著我國畜牧業(yè)的快速轉(zhuǎn)型，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)逐漸滲透到畜牧業(yè)各個(gè)階段，智慧畜牧業(yè)已成為智慧農(nóng)業(yè)的重要組成部分[3]。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在畜牧業(yè)中的應(yīng)用也逐漸增多，以感知為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過智能傳輸技術(shù)和信息處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)畜禽飼養(yǎng)生長周期的智能化控制和管理，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖過程中繁育、環(huán)境、飼喂、疫病和畜產(chǎn)品追溯等環(huán)節(jié)的健康、生態(tài)、高效的集約化養(yǎng)殖方式，從而完成傳統(tǒng)畜牧業(yè)到數(shù)字畜牧業(yè)的有效轉(zhuǎn)換。

物聯(lián)網(wǎng)的加入使畜牧業(yè)能有效地縮減成本、增加效益，實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理的同時(shí)保證生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)為現(xiàn)代畜牧業(yè)打造了相對(duì)獨(dú)立的養(yǎng)殖環(huán)境，擺脫了傳統(tǒng)畜牧業(yè)對(duì)人工養(yǎng)殖的依賴[4-5]。目前畜牧物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要應(yīng)用于畜禽個(gè)體信息采集、畜禽養(yǎng)殖監(jiān)測、精準(zhǔn)飼喂、育種繁育和畜產(chǎn)品安全追溯等環(huán)節(jié)[6-8]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用多集中在農(nóng)田監(jiān)測、農(nóng)作物生長、中草藥生長及攜帶式牧場環(huán)境信息上。而集團(tuán)化、規(guī)?；男笄葜悄莛B(yǎng)殖更多是實(shí)現(xiàn)綜合管理系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)，環(huán)境監(jiān)測體現(xiàn)在部分功能模塊中，對(duì)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境信息監(jiān)測進(jìn)行設(shè)計(jì)也以傳感器技術(shù)和5G 技術(shù)相結(jié)合簡單實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)和氣體參數(shù)的監(jiān)測。

本研究設(shè)計(jì)的生豬養(yǎng)殖環(huán)境信息采集系統(tǒng)采用傳感器技術(shù)、RFID、音視頻采集設(shè)備等感知技術(shù)，結(jié)合5G移動(dòng)通信、藍(lán)牙和ZigBee 等先進(jìn)的信息傳輸技術(shù)，通過牧場信息管理技術(shù)進(jìn)行處理、分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生豬個(gè)體標(biāo)識(shí)、養(yǎng)殖環(huán)境實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測、生豬生理和行為信息采集，以及疾病預(yù)警的智能化管理和遠(yuǎn)程控制，為現(xiàn)代畜牧業(yè)的數(shù)字化發(fā)展提供可靠、有效的數(shù)據(jù)支撐[9-11]。本研究設(shè)計(jì)的生豬養(yǎng)殖環(huán)境信息采集系統(tǒng)不止簡單地進(jìn)行養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測，而是把采集到的有效數(shù)據(jù)作為生豬養(yǎng)殖整個(gè)過程的參考依據(jù)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行環(huán)境要素調(diào)整，保證豬生長過程的適宜條件，同時(shí)把監(jiān)測的數(shù)據(jù)作為動(dòng)態(tài)參數(shù)對(duì)養(yǎng)殖過程中的飼喂、繁育、疫病防控等過程及豬生長狀態(tài)的數(shù)據(jù)變化進(jìn)行分析，為更優(yōu)化的數(shù)據(jù)模型提供可靠而有效的數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)需求分析

生長環(huán)境嚴(yán)重影響畜禽的生長、育肥、健康狀況和畜產(chǎn)品品質(zhì)等，貫穿整個(gè)養(yǎng)殖過程，并且畜禽養(yǎng)殖也對(duì)環(huán)境的依賴程度較高[3]。在養(yǎng)殖環(huán)境中空氣的溫度、濕度及舍內(nèi)有害氣體濃度和粉塵顆粒等都對(duì)畜禽的健康和畜產(chǎn)品的品質(zhì)產(chǎn)生直接影響[4-5]。畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的控制對(duì)減少疾病傳播和發(fā)生也非常重要，養(yǎng)殖環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化是影響畜禽精準(zhǔn)飼喂和育種繁育的重要參數(shù)。養(yǎng)殖環(huán)境已成為畜禽養(yǎng)殖過程首要考慮的因素。

隨著畜禽養(yǎng)殖規(guī)?；⒓s化發(fā)展，養(yǎng)殖方式也發(fā)生改變，對(duì)環(huán)境的管控要求也逐漸提高。本系統(tǒng)以數(shù)字化和自動(dòng)化平臺(tái)建立良好的養(yǎng)殖單元環(huán)境，主要從溫度、濕度、光照、氣體、風(fēng)速、生長密度和廢棄物處理等方面構(gòu)建最適宜生長的環(huán)境因子，對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行高效、精準(zhǔn)的管理，建立適合生豬養(yǎng)殖的環(huán)境模型，為畜禽智能化發(fā)展提供基礎(chǔ)依據(jù)。生豬養(yǎng)殖環(huán)境信息采集系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，將傳感器布控在豬舍內(nèi)，對(duì)不同區(qū)域的基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)和氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理，從而調(diào)整適合豬生長的環(huán)境，以保證豬群健康、品質(zhì)良好。對(duì)于生豬養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的廢棄物也要做到有效處理，變廢為寶，以促進(jìn)養(yǎng)殖生產(chǎn)過程的良性循環(huán)，為養(yǎng)殖戶帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

生豬養(yǎng)殖環(huán)境信息采集系統(tǒng)是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)豬舍小環(huán)境和養(yǎng)殖過程廢棄物的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。系統(tǒng)采取3 層構(gòu)架體系：數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用管理層。數(shù)據(jù)采集層以傳感器技術(shù)、音視頻采集、GPS 和RFID 技術(shù)為主；網(wǎng)絡(luò)傳輸層以藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee 技術(shù)和有線傳輸技術(shù)完成數(shù)據(jù)的可靠、有效傳輸；應(yīng)用管理層實(shí)現(xiàn)了對(duì)豬舍環(huán)境監(jiān)測、信息處理、自動(dòng)控制等功能。系統(tǒng)框架如圖1 所示，系統(tǒng)功能如圖2 所示。數(shù)據(jù)采集內(nèi)容主要包括5 類：①豬舍主要環(huán)境參數(shù)，如溫濕度、噪聲、光照度和有害氣體等；②豬個(gè)體基礎(chǔ)信息，包括豬每日進(jìn)食量、排泄量等；③廢棄物運(yùn)輸、處理等信息；④病死豬處理信息；⑤豬舍實(shí)時(shí)監(jiān)控和廢棄物處理點(diǎn)監(jiān)控等信息。畜牧物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過無線數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控、信息傳輸、自動(dòng)控制、預(yù)警報(bào)警等操作，實(shí)現(xiàn)生豬養(yǎng)殖環(huán)境的數(shù)字化、智能化管理，完成傳統(tǒng)畜牧業(yè)到現(xiàn)代畜牧業(yè)的轉(zhuǎn)化。

圖1 系統(tǒng)框架Fig. 1 System framework

圖2 系統(tǒng)功能Fig. 2 System function

3 主要功能設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸

通過調(diào)節(jié)蓄電池供電電壓，給各傳感器、多媒體攝像機(jī)控制器、無線傳輸模塊供電，使各種設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)?？刂破魍ㄟ^I/O 接口按順序向各類傳感器發(fā)送“采集信息”指令。傳感器獲取模擬信號(hào)后，由其內(nèi)部的A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并通過I/O 接口將信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)處理芯片，ZigBee 或藍(lán)牙模塊通過無線信號(hào)將處理后的傳感器信息顯示到LED 屏，即可實(shí)時(shí)監(jiān)測到相關(guān)數(shù)據(jù)內(nèi)容。傳感器將采集到的數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)在控制器內(nèi)存中，可通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，多媒體攝像機(jī)和紅外相機(jī)與5G 數(shù)據(jù)無線傳輸或有線傳輸模塊連接，將采集到的視頻和圖片信息傳送至服務(wù)器。

在控制模塊中，每個(gè)養(yǎng)殖舍會(huì)設(shè)置一個(gè)可編程邏輯控制器模塊（PLC）對(duì)該養(yǎng)殖舍進(jìn)行自動(dòng)控制，可以保證某一個(gè)PLC 系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響其他養(yǎng)殖舍的信息傳輸。各PLC 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換模塊傳輸?shù)胶笈_(tái)系統(tǒng)，通過智能決策模塊處理后將信息回傳至執(zhí)行組件，從而實(shí)現(xiàn)各類操作并顯示到終端平臺(tái)上。

針對(duì)豬場廢棄物運(yùn)輸和處理可以以GPS、監(jiān)控設(shè)備和RFID 技術(shù)為主，結(jié)合豬個(gè)體數(shù)據(jù)能有效掌握針對(duì)病死豬和糞尿、污水的處理路徑和處理狀況。

3.2 豬舍環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)

通過在豬舍布控傳感器和視頻監(jiān)測設(shè)備，對(duì)豬舍氣候環(huán)境和氣體環(huán)境參數(shù)進(jìn)行管理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)豬舍各個(gè)區(qū)域的環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)控和可視化管理，及時(shí)了解豬群生長狀況。監(jiān)測信息要素如表1 所示。

表1 監(jiān)測信息要素Tab. 1 Monitoring information elements

豬舍環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)主要設(shè)備包括傳感器、有線/無線網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控?cái)z像頭等。搭建并安裝相應(yīng)傳感器等設(shè)備，通過有線或無線的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式將采集的數(shù)據(jù)傳送到管理軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、監(jiān)控和管理。

3.3 豬信息管理子系統(tǒng)

利用RFID 技術(shù)、跟蹤視頻技術(shù)等建立豬身份識(shí)別模塊，采用“一畜一標(biāo)”的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)生豬的出生日期、品種、體質(zhì)量、防疫、豬舍位置等基本資料，以及采食情況、疾病、個(gè)體行為等進(jìn)行日常記錄和管理。

行為視頻采集與信息傳輸主要是利用紅外相機(jī)和多媒體攝像頭拍攝或錄制豬舍內(nèi)豬行為視頻，由于視頻數(shù)據(jù)量較大，且多為MPG 或者AVI 格式存儲(chǔ)，為保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，可采取有線網(wǎng)絡(luò)或5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)和監(jiān)控。

豬信息變化受環(huán)境因素影響，因此對(duì)豬信息管理要考慮其環(huán)境影響，通過給生豬佩戴智能耳標(biāo)、智能脖環(huán)并內(nèi)置RFID 和無線傳感器，具有豬的身份識(shí)別、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析、定位、快速尋找等功能，通過智能脖環(huán)也可以實(shí)時(shí)了解豬的運(yùn)動(dòng)軌跡、疫病特征、生理異常、位置范圍等，這些參數(shù)都可作為其養(yǎng)殖環(huán)境信息參考的一部分。

3.4 智能控制子系統(tǒng)

智能控制子系統(tǒng)以采集到的各類環(huán)境參數(shù)為依據(jù)，由生豬不同生長階段不同品種的控制模型、可編程邏輯控制器、執(zhí)行模塊（風(fēng)機(jī)、加熱、噴淋裝置等）和上位機(jī)監(jiān)控模塊組成。通過模擬量輸入模塊把傳感器采集的環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在可編程邏輯控制器；根據(jù)計(jì)算模型得出控制量，依據(jù)閾值參數(shù)和控制預(yù)案，通過控制器和養(yǎng)殖環(huán)境的控制系統(tǒng)如風(fēng)扇、濕簾、自動(dòng)清糞除臭等實(shí)現(xiàn)對(duì)接，從而控制各種環(huán)境設(shè)備。智能控制單元框架如圖3 所示。

圖3 智能控制單元框架Fig. 3 Frame of intelligent control unit

3.5 豬舍廢棄物處理子系統(tǒng)

豬舍廢棄物處理主要包括糞尿、污水處理、病死豬處理和豬場環(huán)境綠化。①豬場的環(huán)境重點(diǎn)在于糞便、污水的無害化處理和合理利用，可采用農(nóng)牧良性循環(huán)、制作沼氣用作燃料或開展能源循環(huán)利用等方法，其中制作有機(jī)肥用于蔬菜、牧草等農(nóng)作物生長是目前最為有效、經(jīng)濟(jì)的處理方式。②病死豬的無害化處理是有效防止疫病傳播的重要途徑，根據(jù)豬電子標(biāo)簽、攝像頭和聲音傳感器可以獲取豬的具體信息，根據(jù)畜禽疾病數(shù)據(jù)庫信息、豬的行為視頻和聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比可以檢測出生豬是否生病，并及時(shí)進(jìn)行治療和防控，一旦豬病死也可以及時(shí)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，防止疫病擴(kuò)散。目前對(duì)病死豬采用較多的處理方法是窖化法，可以使病死豬在密閉窖中發(fā)酵分解。③合理的綠化環(huán)境對(duì)豬場生態(tài)平衡和生產(chǎn)都有較大作用，可以改善豬場小氣候環(huán)境，創(chuàng)造良好的生長環(huán)境，有利于提高生產(chǎn)效益。

3.6 預(yù)警系統(tǒng)

根據(jù)豬舍環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)照預(yù)警預(yù)案設(shè)定的數(shù)據(jù)參數(shù)分析對(duì)比進(jìn)行異常報(bào)警；同時(shí)可利用RFID 技術(shù)、聲音傳感器和攝像頭等設(shè)備及時(shí)獲取生豬生理數(shù)據(jù)，并與知識(shí)信息庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，方便管理者和養(yǎng)殖戶發(fā)現(xiàn)異樣情況，可以在第一時(shí)間收到報(bào)警信息，并通過終端平臺(tái)了解具體預(yù)警內(nèi)容。預(yù)警系統(tǒng)不但可以根據(jù)各種設(shè)備收集到的數(shù)據(jù)信息對(duì)比預(yù)警預(yù)案和知識(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)報(bào)警，也可通過軟件算法對(duì)具體設(shè)備硬件故障進(jìn)行報(bào)警。

4 結(jié)論

生豬生長環(huán)境是養(yǎng)殖過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生豬養(yǎng)殖環(huán)境信息采集系統(tǒng)是利用傳感器、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制、射頻識(shí)別等現(xiàn)代信息技術(shù)，對(duì)生豬養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)和豬個(gè)體行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)豬生長需求對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)進(jìn)行科學(xué)、合理的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)生豬環(huán)境的自動(dòng)控制和高效管理。該系統(tǒng)目前處于測試階段，主要是在實(shí)驗(yàn)室機(jī)房完成系統(tǒng)的運(yùn)行測試并進(jìn)行模塊的安全性和優(yōu)化性調(diào)整，在測試過程中盡可能地模擬實(shí)際運(yùn)行環(huán)境對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，以實(shí)際數(shù)據(jù)參數(shù)作為系統(tǒng)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，待各項(xiàng)基礎(chǔ)性能和模塊運(yùn)行測試達(dá)標(biāo)后，會(huì)在學(xué)校的養(yǎng)殖實(shí)習(xí)基地進(jìn)行實(shí)地安裝測試，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行最后的完善和驗(yàn)證。

本系統(tǒng)可為生豬養(yǎng)殖經(jīng)營者和管理者提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，對(duì)其在生產(chǎn)管理中有積極的指導(dǎo)作用，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用深入可以有效降低養(yǎng)殖成本、減少病害和污染的發(fā)生，促進(jìn)畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)化、信息化、智能化的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)健康養(yǎng)殖和綠色養(yǎng)殖，同時(shí)為搭建基礎(chǔ)性畜禽信息平臺(tái)提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和支撐。