母豬精細(xì)養(yǎng)殖管理物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建立

引言

國(guó)內(nèi)養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)正朝向規(guī)?；?、現(xiàn)代化方向發(fā)展，以高效的生產(chǎn)來(lái)應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)成本和波動(dòng)的市場(chǎng)行情。與市場(chǎng)發(fā)展不相符的是大多數(shù)豬場(chǎng)的設(shè)施化、信息化水平亟待提高,影響整體養(yǎng)殖效益;養(yǎng)殖環(huán)境簡(jiǎn)陋，不能提供適宜生長(zhǎng)的環(huán)境,都對(duì)豬病預(yù)防不利；養(yǎng)殖設(shè)施水平落后，飼料配送主要是靠人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，飼喂量控制靠飼養(yǎng)人員主觀經(jīng)驗(yàn)判定,導(dǎo)致飼料浪費(fèi)；管理模式陳舊，總體管理水平低，大多利用人工記錄的方式，未建立信息化的管理模式。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理中的具體應(yīng)用，通過(guò)操作終端及傳感器采集各類農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集和測(cè)量、農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程診斷等方面的信息化需求。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)目前尚處于起步階段，已有一些探索和成功應(yīng)用案例，如農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)、溫室控制、節(jié)水灌溉、氣象監(jiān)測(cè)、產(chǎn)品安全與溯源、設(shè)備智能診斷管理等。

借鑒畜牧業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，將傳統(tǒng)養(yǎng)殖設(shè)施和技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，集成自動(dòng)飼喂器、發(fā)情監(jiān)測(cè)器、分離門(mén)等養(yǎng)殖設(shè)施與裝備，采集養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)和動(dòng)物生理參數(shù)的傳感器技術(shù)、電子標(biāo)簽與閱讀器等動(dòng)物標(biāo)識(shí)技術(shù)、移動(dòng)終端及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，所建立的母豬精細(xì)養(yǎng)殖管理物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)具備如下功能:

母豬耳標(biāo)識(shí)別、基于電子標(biāo)識(shí)的自動(dòng)稱重、分群管理技術(shù)；

母豬生理參數(shù)和行為方式的監(jiān)測(cè)技術(shù)；

母豬個(gè)體的養(yǎng)分精確供給與自動(dòng)飼喂技術(shù)。

1物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)

1.1養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控

通過(guò)豬場(chǎng)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)豬舍養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，采集豬場(chǎng)養(yǎng)殖環(huán)境(如溫濕度、光照強(qiáng)度、大氣壓、氨氣氣體濃度、硫化氫氣體濃度等)參數(shù)，自動(dòng)控制豬舍通風(fēng)設(shè)備、光照系統(tǒng)、濕簾系統(tǒng)和加熱設(shè)備。圖1所示是一種豬場(chǎng)環(huán)境參數(shù)采集與傳輸方案。

環(huán)境參數(shù)傳感節(jié)點(diǎn)中的環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測(cè)傳感器和無(wú)線傳輸模塊，可根據(jù)環(huán)境指標(biāo)的測(cè)定要求布置在豬舍內(nèi)部和豬場(chǎng)主要廢氣排放點(diǎn)。傳感節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織的方式構(gòu)成智能無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，把監(jiān)測(cè)到的相關(guān)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地沿著節(jié)點(diǎn)多跳式進(jìn)行傳輸發(fā)往基站。控制器通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路得到被控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)多跳的方式也發(fā)往基站。基站將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以表格和曲線的形式通過(guò)串口發(fā)往監(jiān)控站點(diǎn)，用戶通過(guò)監(jiān)控站點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)，以查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2母豬生理參數(shù)監(jiān)測(cè)

基于無(wú)線傳感網(wǎng)建立母豬生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用傳感器有測(cè)量體溫、脈搏、呼吸的傳感器，給母豬佩帶無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線路由將采集信息(如體溫、脈搏、位置信息)收集到匯聚節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器上，對(duì)其發(fā)情、健康狀況和疾病通過(guò)手機(jī)等移動(dòng)終端進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)、預(yù)警。

體溫是衡量動(dòng)物健康狀況的重要參數(shù)，采用傳統(tǒng)方式測(cè)量家畜體溫存在操作不便及產(chǎn)生應(yīng)激等困難。開(kāi)發(fā)無(wú)線動(dòng)物體溫測(cè)量系統(tǒng)，由溫度傳感器、溫度信號(hào)處理器和無(wú)線發(fā)射器構(gòu)成，可遠(yuǎn)程高精度獲得動(dòng)物體溫信息。初步獲得的體溫傳感器，測(cè)溫靈敏度為0.2°C。

正確識(shí)別母豬正常發(fā)情是獲得母豬適期配種時(shí)間和提高其受胎率的技術(shù)關(guān)鍵。目前，大部分種豬場(chǎng)識(shí)別母豬發(fā)情僅依靠人工觀察的手段來(lái)完成。開(kāi)發(fā)基于母豬行為方式的發(fā)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可有效減少母豬非生產(chǎn)繁殖的天數(shù)與投入的人工費(fèi)用。

1.3母豬標(biāo)識(shí)系統(tǒng)

母豬通過(guò)RFID耳標(biāo)進(jìn)行個(gè)體標(biāo)識(shí)，具有識(shí)讀距離遠(yuǎn),靈敏度高，在運(yùn)動(dòng)中可正確讀取和安全性高等特點(diǎn)。RFID耳標(biāo)可配合自動(dòng)飼喂設(shè)備、自動(dòng)稱重設(shè)備和其他設(shè)備，構(gòu)成自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讀取并記錄每頭生豬的電子標(biāo)識(shí)號(hào)碼+采食量+體重等，傳送到電腦數(shù)據(jù)庫(kù)中。

RFID專用識(shí)讀設(shè)備根據(jù)外形和功能的不同，可以分為固定式通道識(shí)讀器、棒形和掌上電腦型識(shí)讀器。其中，固定式通道識(shí)讀器采用大型天線和交流供電，發(fā)射功率大，可安裝在生豬通道中，識(shí)讀距離可達(dá)50cm；棒形識(shí)讀設(shè)備是國(guó)外養(yǎng)殖場(chǎng)使用最廣的識(shí)讀設(shè)備，外殼采用高強(qiáng)度材料，達(dá)到工業(yè)等級(jí)，可靠耐用，更有大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能和藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能，可以識(shí)讀符合國(guó)際動(dòng)物識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)的所有類型電子標(biāo)簽;掌上電腦型識(shí)讀器內(nèi)置RFID讀寫(xiě)模塊和GPRS通訊模塊,主要用于管理員巡視和獸醫(yī)操作。

2物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1平臺(tái)總體架構(gòu)

母豬精細(xì)養(yǎng)殖管理物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的總體架構(gòu)可基于層次化方案設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)層次之間設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)軟硬件接口，提供完整的整體解決方案和開(kāi)放性的事務(wù)性系統(tǒng)接口。圖2所示是豬場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的總體架構(gòu)。

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要面向養(yǎng)殖場(chǎng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，是集成有無(wú)線傳感網(wǎng)、RFID、有線監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境控制子系統(tǒng)等技術(shù)建立的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。平臺(tái)包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、采集傳感裝置及采集設(shè)備接口，可以自由組網(wǎng)，匯總網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各類相關(guān)傳感信息。

在數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)融合、前端處理和匯總,根據(jù)不同現(xiàn)場(chǎng)條件，采用以太網(wǎng)、藍(lán)牙、Wi-Fi、3G網(wǎng)絡(luò)等多種數(shù)據(jù)接入方式，通過(guò)遠(yuǎn)程方式來(lái)高速傳輸數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理中心是遠(yuǎn)端專門(mén)建立的數(shù)據(jù)處理中心，可接收各種海量傳感數(shù)據(jù)，并應(yīng)用云計(jì)算、專家系統(tǒng)等技術(shù)形成數(shù)據(jù)處理、顯示、使用系統(tǒng)平臺(tái)，并提供快速有效的反饋功能。數(shù)據(jù)處理中心采用核心加密數(shù)據(jù)庫(kù)及算法，對(duì)外提供通用型數(shù)據(jù)處理接口和應(yīng)用接口。

應(yīng)用系統(tǒng)模塊可提供各業(yè)務(wù)系統(tǒng)管理軟件，包括養(yǎng)殖場(chǎng)管理系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、獸醫(yī)監(jiān)測(cè)與治療系統(tǒng)等，是實(shí)現(xiàn)母豬精細(xì)養(yǎng)殖管理的綜合信息平臺(tái)。

2.2物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)技術(shù)

針對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)，無(wú)線傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)采用如圖3所示的ZigBee方案。其中，ZigBee協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)具有ZigBee路由器的通訊功能，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器通過(guò)GPRS/3G通訊部件接入互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器。ZigBee路由器負(fù)責(zé)通訊信息的中轉(zhuǎn)，在信息采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間起聯(lián)絡(luò)作用。ZigBee路由器同時(shí)具有接入傳感器的功能，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，可以有多個(gè)路由器。系統(tǒng)中的信息采集節(jié)點(diǎn)攜帶ZigBee通訊部件,能自動(dòng)尋找附近的ZigBee路由器，加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并定時(shí)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.3物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)軟件架構(gòu)

豬場(chǎng)管理物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的軟件基于SaaS架構(gòu)，它是RFID、傳感器等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云計(jì)算、SaaS軟件技術(shù)的集成。

SaaS的前身是ASP（ApplicationServiceProvider，應(yīng)用服務(wù)提供商）。在這種模式下，企業(yè)不需要購(gòu)買(mǎi)硬件服務(wù)器、軟件系統(tǒng)和帶寬，只需要支付租用費(fèi)，上網(wǎng)就可以享受到相應(yīng)的硬件、軟件和維護(hù)服務(wù)，享有軟件使用權(quán)和不斷升級(jí)的服務(wù)。設(shè)計(jì)出色的SaaS應(yīng)用具有可擴(kuò)展性、多用戶高效性，而且可配置。確?？蛻魬?yīng)用配置的簡(jiǎn)易性，同時(shí)還不必為每項(xiàng)配置支付額外的開(kāi)發(fā)或運(yùn)營(yíng)成本。SaaS平臺(tái)主要解決兩個(gè)方面的問(wèn)題：

一是節(jié)點(diǎn)設(shè)備的互聯(lián)互通。物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中存在大量終端節(jié)點(diǎn)，需要建立統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)連接規(guī)范。簡(jiǎn)單對(duì)象訪問(wèn)協(xié)議SOAP（SimpleObjectAccessProtocol）主要應(yīng)用于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，對(duì)于廉價(jià)、低功耗傳感器過(guò)于復(fù)雜。筆者選擇遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用RPC（RemoteProcedureCall）中間件技術(shù)，數(shù)據(jù)交換格式為JSON（JavascriptObjectNotation），在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)縫傳輸。

二是多租戶體系。多租戶技術(shù)在多用戶的環(huán)境下，共用相同的系統(tǒng)或程序組件，仍可確保各用戶間數(shù)據(jù)的隔離性，傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)未考慮多租戶應(yīng)用。筆者選擇一種非關(guān)系型（NOSQL）的數(shù)據(jù)庫(kù)MongoDB,特點(diǎn)是高性能、易部署、易使用，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)非常方便，并且是免費(fèi)開(kāi)源的。

2.4豬場(chǎng)管理信息軟件

在典型豬場(chǎng)業(yè)務(wù)分析的基礎(chǔ)上，可設(shè)計(jì)豬場(chǎng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)框架，稱為“網(wǎng)上牧場(chǎng)”平臺(tái)。平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和SaaS技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)母豬養(yǎng)殖數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集監(jiān)控和信息管理，為獸醫(yī)部門(mén)提供遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷手段，為管理者和投資者提供基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)，以便隨時(shí)掌握養(yǎng)殖狀況。

應(yīng)用系統(tǒng)包括生產(chǎn)管理、繁殖育種、獸醫(yī)防疫、溯源管理、物料管理、報(bào)表管理等模塊。每個(gè)模塊可作進(jìn)一步細(xì)分，如生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)可以細(xì)分為基礎(chǔ)母豬/哺乳仔豬管理、基礎(chǔ)公豬的管理和豬群管理。豬群管理又可以分為斷奶豬群管理、生長(zhǎng)豬群管理、育肥豬群管理等。圖4所示是該母豬精細(xì)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)示意圖。考慮到不同豬場(chǎng)生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)方式的差異，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用自頂向下的模塊化的設(shè)計(jì)，而在具體的編程中又采用了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法。

3系統(tǒng)實(shí)施實(shí)例

該母豬精細(xì)養(yǎng)殖管理物聯(lián)網(wǎng)已在常州市康樂(lè)農(nóng)牧有限公司實(shí)施。實(shí)際使用證明，應(yīng)用溫度、濕度、照度、風(fēng)速和氨氣濃度等傳感器建立的豬舍環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)，可以為生豬提供良好的生存環(huán)境；為母豬和后備豬佩戴電子耳標(biāo)，有利于快速識(shí)別豬群和豬只，實(shí)施數(shù)字化管理；基于嵌入式技術(shù)和無(wú)線局域網(wǎng)，開(kāi)發(fā)手機(jī)、PDA等移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)豬場(chǎng)信息采集和生產(chǎn)管理等各項(xiàng)功能。記錄種豬的完整譜系、繁殖育種生產(chǎn)記錄，以及免疫、檢疫、豬病和投入品記錄等，構(gòu)建母豬精細(xì)養(yǎng)殖數(shù)據(jù)庫(kù)。圖5所示是該母豬精細(xì)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)示意圖。

圖6所示是該母豬精細(xì)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的軟件界面。

4結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前我國(guó)養(yǎng)豬業(yè)信息化應(yīng)用水平低，信息化投入預(yù)算少，設(shè)施投資不足，數(shù)字化管理程度不高等實(shí)際情況，急需建立一個(gè)綜合性產(chǎn)業(yè)信息平臺(tái)。利用物聯(lián)網(wǎng)可自動(dòng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)物的行為和健康狀況，對(duì)動(dòng)物的發(fā)情、疾病、疫情等進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警，以便能對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境、動(dòng)物健康、養(yǎng)殖、繁殖情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、現(xiàn)代化、可監(jiān)控的數(shù)字化養(yǎng)殖系統(tǒng)。

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