高勤學 ，張 偉

（1.江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學院，江蘇 泰州 225300；2.華為技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518116）

1 前言

2019—2022 年超級豬周期催生了許多新生事物，防控非洲豬瘟技術(shù)、生物安全、智慧養(yǎng)豬、樓房養(yǎng)豬都是這輪豬周期的標志性變革事件。樓房養(yǎng)豬不是新鮮事物，從20世紀70年代黑龍江肇東四方糧庫4層樓房養(yǎng)豬到2021年投產(chǎn)的牧原為代表的21棟6層樓房，樓房養(yǎng)豬已經(jīng)進行了至少4次技術(shù)迭代。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國樓房養(yǎng)豬在建和已經(jīng)投產(chǎn)的項目達200個之多，總投資近1 000 億元，產(chǎn)能約1億頭。樓房養(yǎng)豬爭議仍然很大，造價太高，環(huán)保處理難度大，缺乏成熟的模式，實際投產(chǎn)的案例較少等，需要時間的檢驗是樓房養(yǎng)豬面臨的主要問題。

隨著新周期的到來，樓房養(yǎng)豬逐漸降溫，新上項目大面積減少，樓房養(yǎng)豬大規(guī)模建設階段已經(jīng)接近尾聲，樓房養(yǎng)豬進入運營模式探索階段。經(jīng)過2年的籌備，湖北中新開維26層樓房豬場（中新開維綠色食品產(chǎn)業(yè)園）于2022年7月22日舉行了開工儀式，標志全球最大的樓房豬場項目進入了運營探索階段。

很多公司都在挑戰(zhàn)樓房養(yǎng)豬技術(shù)，希望取得先發(fā)優(yōu)勢。樓房養(yǎng)豬的顯著特點是占地面積減少、人員投入減少、投資增加、自動化和智能化設備增加。利用現(xiàn)代的ICT（信息與通信技術(shù)）技術(shù)尋求管理模式的突破，打造智慧樓房養(yǎng)豬模式是挑戰(zhàn)樓房養(yǎng)豬技術(shù)的主要路徑。由于生產(chǎn)線人員大量減少，樓房豬舍必須安裝大量的自動化設備，樓房養(yǎng)豬的管理移到線上，對通信產(chǎn)生了巨大需求，以5G為代表的WIFI6技術(shù)的發(fā)展為樓房養(yǎng)豬提供了巨大支持。樓房養(yǎng)豬不可能取代傳統(tǒng)單層豬舍，但樓房養(yǎng)豬對于實現(xiàn)“城郊豬場”的工廠化生產(chǎn)的場景，對實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)園就地生產(chǎn)豬肉的保障供應模式，提高城市豬肉自給能力和應急供應能力，適應國家對于豬肉從“調(diào)豬”向“調(diào)肉”模式轉(zhuǎn)變具有重要的探索意義。

2 智慧樓房養(yǎng)豬模式主要技術(shù)迭代方案

盡管每個公司的樓房設計差異很大，但是其差異主要體現(xiàn)在層數(shù)和功能布局上不同，同層同類豬舍內(nèi)部差異是不大的。主流設計基本上為每層飼養(yǎng)母豬1 000～1 200頭左右，每個單元飼養(yǎng)母豬240～260頭；每層飼養(yǎng)保育豬10 000頭，每個單元飼養(yǎng)保育豬540～600頭；每層飼養(yǎng)育肥豬5 000頭，每個單元飼養(yǎng)育肥豬 540～600頭。智慧樓房養(yǎng)豬模式主要體現(xiàn)在智慧環(huán)控、精準飼喂、機器人應用、智慧賣豬和智慧入場幾個主要場景。其中技術(shù)迭代較快的是精準飼喂、機器人兩個場景，具有規(guī)?；瘧玫膬r值。

2.1 精準飼喂場景技術(shù)迭代

智能精準飼喂是樓房養(yǎng)豬大規(guī)模應用的主要智能場景之一。智能精準飼喂器可以根據(jù)豬的不同生理階段生長所需的采食量不同，構(gòu)建智能化養(yǎng)殖平臺。整套系統(tǒng)包含了云管理平臺（豬場管理APP）、無線網(wǎng)關、網(wǎng)絡設備、智能飼喂器（觸碰桿、余料檢測器、電磁水閥等相關配件）等4部分組成。產(chǎn)品類型根據(jù)功能分為：產(chǎn)房型、妊娠母豬型、保育型和育肥型，基本實現(xiàn)了養(yǎng)殖過程的全覆蓋；根據(jù)驅(qū)動電機類型可以分為：關風器型、蛟龍型和步進電機型。目前國內(nèi)生產(chǎn)精準飼喂器的廠家有數(shù)十家，表1列舉了市場上主流智能飼喂器的組成和差異。

表1 主要精準飼喂器系統(tǒng)組成對比表

智能精準飼喂器可以模擬人工喂料，實現(xiàn)定時定量喂料，大大節(jié)省人工成本，飼養(yǎng)員可以把主要精力放在異常豬只的觀察處理上，避免重復勞動。智能精準飼喂器能根據(jù)預先制定的基礎飼喂策略（飼喂量曲線），實現(xiàn)每頭豬精準投喂；還能根據(jù)豬只個體差異，根據(jù)生長情況實現(xiàn)單獨加餐功能或減少飼喂量功能，從而避免傳統(tǒng)料線統(tǒng)一下料帶來的飼料浪費。

智能精準飼喂器出現(xiàn)的時間比較短，大部分基于種豬測定站和國外同型產(chǎn)品（如GESTAL）改進而來。早期的精準飼喂器沒有網(wǎng)絡通信功能，適用于家庭農(nóng)場。樓房養(yǎng)豬發(fā)展起來以后，由于裝機量比較大，對每臺設備設置和更改參數(shù)工作量比較大，匯總信息困難，因此網(wǎng)絡模塊成為必須的功能。20世紀90年代，以加拿大”佳飼達”母豬產(chǎn)房精準飼喂器為代表的精準飼喂器開始進入市場，經(jīng)過近30年的發(fā)展和完善，現(xiàn)在的精準飼喂器在功能要求、機械要求、產(chǎn)品穩(wěn)定性、電控要求和平臺通信要求等5個方面都進行了技術(shù)迭代。

精準飼喂器的功能比較強大，主要包括上報功能和下發(fā)功能。其中上報功能主要包括：飼喂器運行時間（設備編號/在線/離線/斷電/重啟/電機故障），下料數(shù)據(jù)（下料次數(shù)/時間/每日下料量/缺料），下水數(shù)據(jù)（下水次數(shù)/時間/每日下水量/缺水），探針數(shù)據(jù)（觸碰次數(shù)/時間），豬只數(shù)據(jù)（一鍵盤點/日齡）；下發(fā)主要功能包括：飼喂曲線（豬號、欄號、胎次、帶仔數(shù)、每日采食量、下料時間和下料次數(shù)等），飼料容重、每餐百分比，三餐飼喂時間，飼喂模式（自動/觸發(fā)）；可以通過網(wǎng)絡、手機APP和精準飼喂器操作面板設定喂料方案，水料比，分餐次數(shù)和百分比等功能。精準飼喂器原則上要通過國家3C認證，通過低溫、高溫、恒定濕熱試驗。有的公司通過的是醫(yī)療器械生產(chǎn)許可證，有的通過的農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)許可證。精準飼喂整機壽命不低于10年，防水等級為IP67。同一批次飼料單次下料精度誤差±1%以內(nèi)，單次下水誤差±5%以內(nèi)。電機使用直流有刷電機，也有使用交流無刷電機，但是造價會高昂很多。外殼一般采用ABS工程塑料，觸碰桿、下水管使用食品級304不銹鋼。精準飼喂器電源一般采用直流24 V，也有部分廠家采用220 V電壓，但是要做好隔離，實際使用中容易造成漏電。通信方式一般采用485有線串聯(lián)通信方式，同時支持LORA、藍牙、433、WIFI， Zigbee等無線組網(wǎng)方式。網(wǎng)關至少支持百兆以太網(wǎng)，建議使用4G網(wǎng)絡作為通訊異常的備份方案。網(wǎng)關要支持MQTTS協(xié)議，能接入相關行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理平臺（如華為IoTDA）,基于物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)產(chǎn)品管理、設備連接、數(shù)據(jù)收發(fā)、命令下發(fā)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和遠程升級等功能。

根據(jù)智能程度，精準飼喂器分為3種：定時定量、定時不定量和不定時定量。定時定量是指一次進餐的飼喂量在指定的時間完成，一次性將本餐設計的料量下完；定時不定量是到一次進餐開始時間后豬觸碰桿多次下料，但是本餐料量吃完后，豬只再觸碰觸碰桿也不下料；不定時定量是指完全自由采食，根據(jù)豬只觸碰觸碰桿的行為由電腦決定是否下料，下多少料。

2.2 機器人場景技術(shù)迭代

機器人在樓房養(yǎng)豬中具有應用價值的是兩個場景：巡舍和清糞，其中應用最多的是巡舍，清糞機器人尚未看到規(guī)模使用的報道。巡舍機器人又分為視覺軌道機器人和陸地巡航機器人，現(xiàn)在比較成熟的是視覺軌道機器人，牧原自研的保育舍和育肥舍軌道機器人已經(jīng)規(guī)?；褂?，其他公司研發(fā)的機器人也在向社會推廣，如北京小龍潛行科技有限公司守望者軌道機器人、南京天創(chuàng)電子技術(shù)有限公司全向微型機器人以及合肥拉塞特機器人科技有限公司巡檢機器人。

視覺軌道巡檢機器人系統(tǒng)（解決方案）主要由機器人、供電單元、通訊單元、軌道單元及附屬設備單元組成。整個系統(tǒng)以機器人為核心，結(jié)合智能附屬設備，可以兼容現(xiàn)場的各類傳感器以及監(jiān)控攝像頭，通過智能組網(wǎng)的形式接入到同一機器人運維平臺，形成完整的場景解決方案。機器人可以搭載的設備有：高清攝像機、環(huán)境監(jiān)測傳感器、四合一氣體檢測儀和高精度面陣避障雷達等，能夠精準收集豬舍的各類信息。后臺系統(tǒng)包括巡檢任務管理模塊、存儲模塊、圖像處理模塊、圖像顯示模塊、查詢模塊和報警模塊。

巡檢機器人物理指標主要有，重量約18～25 kg左右，尺寸約600 mm×300 mm×400 mm（長×寬×高），電池容量為24 V，15 Ah；行走速度1～20 m/min可調(diào)，續(xù)航里程大于5 km；通訊方式為無線WIFI、 4G或5G；轉(zhuǎn)彎半徑0.6 m，可自主充電，防護等級IP65。最大功率600 W，待機功率20 W，待機時間大于12 h，可自動返回充電倉充電。超聲波防碰撞，雙層阻燃，電池雙防護（見圖1）。

圖1 巡舍機器人主要部件

巡檢機器人的主要功能分為以下幾大類：一是機器視覺分析類；二是環(huán)境傳感器感知類；三是熱成像類。機器視覺類主要分為豬只盤點，豬只估重，豬只行為分析等應用場景，目前除了育肥舍豬只盤點應用價值比較大一點外，在其他幾個場景的應用都不是很成熟。如估重誤差太大，沒有應用價值，行為分析算法開發(fā)困難且對生產(chǎn)指導用處不大等等。環(huán)境感知類，可以感知溫度、濕度、煙霧和氨氣等有害氣體，但是從實用角度來說，一般安裝2～3個傳感器就夠了。熱成像可以用來進行豬只測溫，但是也存在誤差過大，采集信息有限，應用價值不大的問題。目前規(guī)模應用的巡檢機器人，考慮到造價和場景等因素，主要有2種，一種是完全版搭載4種設備：1個半球攝像頭+溫濕度傳感器+拾音器+紅外熱成像儀+3D攝像頭，用于母豬；另外一種簡化版搭載3種設備：1個半球攝像頭+溫濕度傳感器+3D攝像頭+拾音器，用于保育和育肥。

3 物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)構(gòu)建

隨著智慧養(yǎng)豬的推進，出現(xiàn)了大量的物聯(lián)網(wǎng)設備，豬場里常見的物聯(lián)網(wǎng)設備有環(huán)控器、水電表、飼喂器、機器人，視頻安防設備、豬只身份識別和可穿戴設備、溫濕度傳感器等感知設備等。這些設備使用的協(xié)議差異很大，對網(wǎng)速、帶寬和時延的要求也不盡相同。使用的APP也是獨立的，管理員手機上安裝了各種APP，相互切換十分不方便，構(gòu)建統(tǒng)一的基于物聯(lián)網(wǎng)設備管理平臺的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)成為挑戰(zhàn)樓房養(yǎng)豬技術(shù)的一個突破點。

3.1 系統(tǒng)組成

構(gòu)建一個完整的基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的物聯(lián)網(wǎng)解決方案主要包括3部分：物聯(lián)網(wǎng)平臺、業(yè)務應用和設備（如圖2）。物聯(lián)網(wǎng)平臺作為連接業(yè)務應用和設備的中間層，屏蔽了各種復雜的設備接口，實現(xiàn)設備的快速接入；同時提供強大的開放能力，支撐行業(yè)用戶快速構(gòu)建各種物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務應用。設備可以通過固網(wǎng)、2/3/4/5G、NB-IoT、WIFI等多種網(wǎng)絡接入物聯(lián)網(wǎng)平臺，平臺支持LWM2M/CoAP與MQTT協(xié)議，設備可通過上述協(xié)議將業(yè)務數(shù)據(jù)上報到平臺，平臺也可以將控制命令下發(fā)給設備。業(yè)務應用通過調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的API，實現(xiàn)設備管理、數(shù)據(jù)上報、命令下發(fā)等業(yè)務場景。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)管理平臺的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)（引自華為物聯(lián)網(wǎng)終端設備及信息系統(tǒng)接入規(guī)范）

物聯(lián)網(wǎng)平臺采用混合架構(gòu)，整體分為IOT管理平臺和IOT接入平臺兩部分。IOT管理平臺采用B/S架構(gòu)，IOT接入平臺按照功能劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)上報和運維管理四部分。IOT物聯(lián)網(wǎng)平臺提供兩大核心能力：

（1）IOT設備管理服務。主要負責設備管理，鑒權(quán)認證，故障診斷，聯(lián)動規(guī)則，告警過濾和分析?？蓪F(xiàn)場中采集到的智能設備或傳感器的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和經(jīng)過分析和過濾過的告警上報給業(yè)務平臺的各個應用。

（2）IOT設備接入服務。支持多網(wǎng)絡、多協(xié)議設備接入，提供多語言SDK支持，屏蔽物聯(lián)網(wǎng)設備碎片化，實現(xiàn)設備快速接入。

通過標準化的北向接口和南向接口可以快速實現(xiàn)各種設備、網(wǎng)絡、APP的互聯(lián)互通，提高管理的效能。北向接口（Northbound Interface）是為廠家或運營商進行接入和管理網(wǎng)絡的接口，即向上提供的接口。南向接口指為養(yǎng)豬各種場景APP提供的接口。南向接口（Southbound Interface）是管理其他廠家網(wǎng)管或設備的接口，即向下提供的接口。北向接口在這里指物聯(lián)網(wǎng)管理平臺提供的接口，南向接口指養(yǎng)豬設備制造商必須遵守的協(xié)議。

3.2 設備通信能力

平臺支持直連平臺、網(wǎng)關接入平臺以及邊緣接入平臺3種接入方式（圖3），此外，如果設備支持MQTT協(xié)議，可快速、穩(wěn)定地接入平臺。直連平臺，則要求設備自身需具備泛網(wǎng)絡接入能力。常見泛網(wǎng)絡接入方式有固定網(wǎng)絡、運營商 網(wǎng) 絡（2G/3G/4G/5G/NB-IoT）、WLAN等，用戶可根據(jù)實際物聯(lián)網(wǎng)應用場景選擇設備并約束具體接入方式。精準飼喂器適合平臺直連方式接入物聯(lián)網(wǎng)管理平臺。在實際應用場景，基于功耗、成本的考慮，如某些溫濕度傳感器、煙霧報警器等超低功耗、低帶寬要求的設備，不需要也不具備功耗相對較高泛網(wǎng)絡接入能力，而采用串口（RS485標準等）、藍牙、Zigbee等進場通信協(xié)議接入。此場景需要經(jīng)終端的網(wǎng)關做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換對接到物聯(lián)網(wǎng)平臺。邊緣網(wǎng)關較普通網(wǎng)關，更適用于外部網(wǎng)絡不穩(wěn)定、時延要求高以及復雜物聯(lián)網(wǎng)接入?yún)f(xié)議的場景，比如視頻安防設備比較適合此類邊緣接入方式。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)設備接入方式（引自華為物聯(lián)網(wǎng)終端設備及信息系統(tǒng)接入規(guī)范）

3.3 設備物模型

設備物模型用于描述設備具備的能力和特性。為統(tǒng)一各設備廠家的設備模型，方便應用與設備解耦，要求設備都使用物模型的方式接入。設備物模型在物聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)建一款設備的抽象模型，使平臺理解該款設備支持的服務、屬性、命令等信息，如顏色、開關等。當定義完一款設備物模型后，在進行注冊設備時，就可以使用該模型。描述一款設備的基本信息，包括廠商ID、廠商名稱、設備類型、協(xié)議類型。例如：水表的廠商名稱為“HZYB”，廠商 ID 為“TestUtf8ManuId”，設備類型為“WaterMeter”，協(xié)議類型為“CoAP”。

4 結(jié)語

樓房養(yǎng)豬已經(jīng)逐漸降溫，在建或者已經(jīng)建成的樓房如何有效的投入生產(chǎn)，高效運營，探索樓房養(yǎng)豬的運營方案成為樓房養(yǎng)豬未來的主要課題。智能化管理模式是解決樓房養(yǎng)豬管理困境、挑戰(zhàn)樓房養(yǎng)豬模式的一個重要手段，本文著重從技術(shù)迭代較快的精準飼喂和機器人等關鍵場景介紹了最新的解決方案，同時介紹了消除信息孤島和協(xié)議差異，統(tǒng)一管理智慧養(yǎng)豬設備的物聯(lián)網(wǎng)平臺的基礎架構(gòu)，以期為從業(yè)者提供決策參考。