物聯(lián)牧場的研究進(jìn)展

熊露 張建華 韓書慶（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息服務(wù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 100081）

物聯(lián)牧場的研究進(jìn)展

熊露 張建華 韓書慶*（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息服務(wù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 100081）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展在很大程度上促進(jìn)了畜牧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)的現(xiàn)代化和信息化建設(shè)提供了強(qiáng)有力的支撐。物聯(lián)牧場即是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于畜牧養(yǎng)殖業(yè)。已有許多學(xué)者對物聯(lián)牧場的發(fā)展進(jìn)行了研究分析，本文從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的感知層、傳輸層、應(yīng)用層這三個方面出發(fā)，詳細(xì)闡述物聯(lián)牧場的研究進(jìn)展。

物聯(lián)牧場；感知層；傳輸層；應(yīng)用層；信息通訊技術(shù)；現(xiàn)代畜牧業(yè)；研究進(jìn)展

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用畜牧養(yǎng)殖業(yè)，即為物聯(lián)牧場。信息通訊技術(shù)（ICT）的發(fā)展使得對畜禽個體識別、畜禽養(yǎng)殖環(huán)境、畜禽體征、畜禽行為的實(shí)時監(jiān)控成為可能。物聯(lián)牧場的初級發(fā)展目標(biāo)是提供一個可以實(shí)時監(jiān)測和管理畜禽的系統(tǒng)，當(dāng)畜禽發(fā)生各種各樣的問題時，及時通知養(yǎng)殖戶采取相應(yīng)的措施，解決出現(xiàn)的問題。物聯(lián)牧場進(jìn)一步的發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全自動的監(jiān)測和改善畜禽的生長環(huán)境、健康狀態(tài)、動物福利、產(chǎn)品產(chǎn)量以及減輕畜禽養(yǎng)殖對環(huán)境的影響。本文從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的感知層、傳輸層、應(yīng)用層這三個方面出發(fā)，詳細(xì)闡述物聯(lián)網(wǎng)牧場的研究進(jìn)展。

1 物聯(lián)牧場主要研究內(nèi)容介紹

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分，物聯(lián)牧場的研究可分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層研究。在感知層，主要是研發(fā)不同類型的傳感器感知畜禽個體標(biāo)識、畜禽養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)、畜禽體型參數(shù)、畜禽生命體征和畜禽行為。畜禽個體標(biāo)識主要是指RFID電子標(biāo)簽。畜禽養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)主要包括氣象環(huán)境參數(shù)（如：溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、光照強(qiáng)度）和氣體環(huán)境參數(shù)（如：硫化氫、二氧化碳、氨氣、甲烷、氧氣、一氧化碳等）。畜禽體型參數(shù)主要是指體重、身體尺寸和體型得分等。畜禽生命體征主要包括體溫、呼吸頻率和瞳孔對光反射等。畜禽行為主要包括采食、飲水、排泄、叫聲、步態(tài)和攻擊行為等。

在數(shù)據(jù)傳輸層，采用無線通信技術(shù)（ZigBee）或無線公網(wǎng)（2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)）將感知層采集到的畜禽個體標(biāo)識、畜禽養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)、畜禽體型參數(shù)、畜禽生命體征和畜禽行為等數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)椒?wù)器。對于監(jiān)控視頻等數(shù)據(jù)量比較大的數(shù)據(jù)則通過以太網(wǎng)傳輸?shù)椒?wù)器。傳輸層的研究主要側(cè)重在無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在畜禽養(yǎng)殖中的推廣應(yīng)用。

在數(shù)據(jù)應(yīng)用層，典型的應(yīng)用包括通過開發(fā)手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)對畜禽環(huán)境和畜禽各參數(shù)隨時隨地的監(jiān)測，并遠(yuǎn)程對畜禽舍的設(shè)備（風(fēng)扇、照明燈、水泵、加熱器、電機(jī)和電磁閥等）進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。進(jìn)一步研究的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)畜禽舍環(huán)境的智能控制。研發(fā)自動與精確飼喂的設(shè)備，對畜禽養(yǎng)殖場積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步平衡飼料、能源消耗和收入之間的矛盾，提升畜禽養(yǎng)殖效率，改善動物福利。

2 物聯(lián)牧場感知層的研究進(jìn)展

物聯(lián)牧場感知層的研究主要包括畜禽個體標(biāo)識、畜禽養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)、畜禽體型參數(shù)、畜禽生命體征和畜禽行為的感知方法的改進(jìn)和拓展。

在畜禽個體標(biāo)識方面，由于基于射頻識別（RFID）技術(shù)的電子標(biāo)簽應(yīng)用成本依然比較高，目前牧場仍然采用肉眼可識讀的條碼耳標(biāo)。當(dāng)前研究主要側(cè)重于降低電子標(biāo)簽的成本，以及針對牧場實(shí)際環(huán)境，研發(fā)具備高魯棒性（Robust），高穩(wěn)定性和強(qiáng)抗干擾特性的識讀設(shè)備。

在畜禽養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)的感知方面，主要是對畜禽生產(chǎn)中產(chǎn)生的有害氣體氨氣、硫化氫、一氧化碳和甲烷氣體濃度的監(jiān)測。畜禽業(yè)產(chǎn)生的有害氣體是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染氣體的主要來源。這些有害氣體含量超標(biāo)會導(dǎo)致畜禽產(chǎn)生各種應(yīng)激反應(yīng)，造成畜禽體質(zhì)變?nèi)?，免疫力下降，?yán)重影響畜禽健康、生長發(fā)育、繁殖以及最終畜禽產(chǎn)品質(zhì)量。目前，主要是采用電化學(xué)傳感器和光學(xué)傳感器進(jìn)行有害氣體的在線監(jiān)測。電化學(xué)傳感器的分辨率比較低，長時間使用準(zhǔn)確度會降低；使用壽命比較短，一般在兩年左右。和電化學(xué)傳感器相比，光學(xué)傳感器的靈敏度和分辨率更高，工作更穩(wěn)定，但是成本比較高。目前研究主要側(cè)重于研發(fā)成本低、靈敏度高、分辨率高、響應(yīng)范圍大、穩(wěn)定性好、使用壽命長的新型氣體傳感器。

在畜禽體型參數(shù)的感知方面，主要是對畜禽體重、身體尺寸（體長、體寬、體高、臀寬、臀高等）和體型得分等進(jìn)行非接觸性估測方法的研究。在畜禽養(yǎng)殖過程中，體重是一項(xiàng)重要指標(biāo)。傳統(tǒng)稱量方式不但費(fèi)時費(fèi)力，而且稱量過程容易造成畜禽的應(yīng)激反應(yīng)，影響正常生長發(fā)育。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者都進(jìn)行了非接觸式估測畜禽體重的研究，主要方法是構(gòu)建機(jī)器視覺系統(tǒng)，采集畜禽頂視圖或側(cè)視圖；然后利用圖像處理技術(shù)提取和體重相關(guān)的畜禽關(guān)鍵體型參數(shù)（如：體長、體寬、體高、頂視圖面積等）；最后對關(guān)鍵體型參數(shù)和體重進(jìn)行線性或非線性的回歸分析，構(gòu)建測量體重的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對畜禽體重的非接觸性估測。相關(guān)研究已經(jīng)在奶牛[1]、豬[2]、肉雞[3]、羊[4]等畜禽上開展。這種方法具有無接觸，省時和省力的優(yōu)點(diǎn)。但是由于構(gòu)建機(jī)器視覺系統(tǒng)，要克服畜禽養(yǎng)殖環(huán)境粉塵，光照不均勻等客觀條件的影響，工程量比較大；而且畜禽體重估測模型往往通用性不佳，目前還沒有相關(guān)的非接觸體重測量產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室走向市場。近年來，能夠提供深度圖像的體感設(shè)備（Kinect等）的出現(xiàn)，使得對畜禽進(jìn)行三維立體信息獲取的成本越來越低，利用體感設(shè)備采集畜禽體尺參數(shù)和體重估測的可行性研究也正在展開[5,6]，有望進(jìn)一步提高畜禽體型參數(shù)的非接觸性測量方法的精度和實(shí)用化程度。

在畜禽生命體征的感知方面，主要是通過非接觸式的方法對畜禽體溫、呼吸頻率以及瞳孔對光反射進(jìn)行測量。體溫作為重要的臨床診斷依據(jù)，對于畜禽疾病的早期診斷具有重要的意義。朱偉興等[7]選定生豬耳部作為生豬體溫篩選的特征區(qū)域，同時采集可見光圖像和紅外熱圖像，然后進(jìn)行圖像的配準(zhǔn)和融合，準(zhǔn)確提取生豬耳部輪廓進(jìn)行體溫測量，為生豬規(guī)模養(yǎng)殖中非接觸式的體溫測量提供了一種可行性方法。呼吸疾病是畜禽養(yǎng)殖場的一種常見疾病，如不能及時發(fā)現(xiàn)可能會造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。對畜禽呼吸疾病的監(jiān)測主要技術(shù)包括利用視頻處理技術(shù)和聲音特征提取技術(shù)。紀(jì)濱等[8]利用機(jī)器視覺的方法，提取豬的脊腹線輪廓，計算脊腹線起伏的頻率，提取疑似呼吸急促的病豬，其算法脊腹線波動識別精度高于85%。Ferrari等[9]通過采集奶牛聲音，根據(jù)早期呼吸疾病的聲音特征，實(shí)現(xiàn)奶牛呼吸疾病的早期預(yù)警。瞳孔對光反射也是一種重要的生命體征，VA的嚴(yán)重缺乏會導(dǎo)致畜禽瞳孔對光反射的異常。韓書慶等[10]研發(fā)了牛眼圖像采集設(shè)備，并提出了一種瞳孔自動識別算法，實(shí)現(xiàn)了對異常瞳孔反射行為的檢測。

在畜禽行為的感知方面，主要是通過視頻、運(yùn)動傳感器數(shù)據(jù)、聲音等信息，判斷畜禽采食、飲水、排泄、活動量、叫聲、步態(tài)和攻擊行為等。隨著規(guī)模化養(yǎng)殖的發(fā)展，養(yǎng)殖戶需要管理的畜禽越來越多，分配到單只畜禽的時間就越來越少，對畜禽異常行為的發(fā)現(xiàn)變得更加困難。畜禽的異常行為，如：采食減少、飲水減少、排泄增多、活動量加大、嚎叫、跛足、攻擊同類等，很可能是動物疫病發(fā)生、爆發(fā)的前奏，將會給畜牧養(yǎng)殖造成經(jīng)濟(jì)損失。各國學(xué)者致力于開發(fā)各種感知方法，替代養(yǎng)殖戶完成對畜禽行為持續(xù)地觀測，確保畜禽生產(chǎn)安全和畜禽產(chǎn)品品質(zhì)。Aydin[11]等通過對肉雞啄食聲音進(jìn)行采集、處理和分析來估測采食量。單只肉雞和雞群的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法對采食量估測精度分別達(dá)到了90%和86%，實(shí)現(xiàn)了對肉雞采食量的全生長周期、全自動、非接觸式的持續(xù)監(jiān)測，允許養(yǎng)殖戶在把握肉雞采食狀況的同時，制定合理的飼喂計劃，進(jìn)一步提高飼料轉(zhuǎn)化率。Kashiha[12]等首先通過給豬噴涂不同的圖案，利用圖像處理技術(shù)對豬進(jìn)行個體識別，然后檢測豬訪問飲水區(qū)域的時長，估測飲水量，實(shí)現(xiàn)對豬飲水行為的實(shí)時監(jiān)控。朱偉興等[13]通過遠(yuǎn)程智能自動監(jiān)控豬的排泄行為，記錄豬訪問排泄區(qū)的時間和次數(shù)。通過異常頻繁的排泄行為，發(fā)現(xiàn)患腹瀉或腸胃炎的疑似病豬，及時診治，和人工觀察的方法相比大大提高了生產(chǎn)效率。Gonzalez等[14]給牛戴上裝有GPS和加速度傳感器的電子項(xiàng)圈，實(shí)時采集牛的運(yùn)動數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析可以得到牛的當(dāng)前狀態(tài)，如飲食、反芻、行走、休息等，實(shí)現(xiàn)了對牛個體行為的自動實(shí)時監(jiān)測。Vandermeulen等[15]采集豬的叫聲，提取豬受到驚嚇導(dǎo)致的尖叫的聲音特征，實(shí)現(xiàn)對豬精神狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控。提早發(fā)現(xiàn)畜禽的異常行為特征，實(shí)現(xiàn)對疾病的及早診斷與處理。畜禽行為的自動感知對提高動物福利，減少畜禽疫病發(fā)生，實(shí)現(xiàn)高效健康養(yǎng)殖具有重要意義。

3 物聯(lián)牧場傳輸層的研究進(jìn)展

傳輸層的研究主要是將傳輸技術(shù)應(yīng)用到畜禽養(yǎng)殖環(huán)境中，將感知層獲得的養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)、個體行為數(shù)據(jù)、視頻、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)等通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綉?yīng)用層。由于基于RS-485總線、CAN總線以及以太網(wǎng)的有線傳輸技術(shù)和基于GPRS技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊都已經(jīng)很成熟。當(dāng)前，物聯(lián)牧場傳輸層的研究重點(diǎn)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在畜禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用。

林惠強(qiáng)等[16]進(jìn)行了無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到動物監(jiān)測領(lǐng)域的探索，構(gòu)建了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的動物監(jiān)測平臺，提出了飼養(yǎng)場無線傳感網(wǎng)絡(luò)部署方法、無線傳感器集成節(jié)點(diǎn)的設(shè)計、動物的定位跟蹤和路由算法以及可視化預(yù)警平臺的構(gòu)想。該研究為解決畜禽個體行為特征和健康狀況無法實(shí)時獲取的問題提供了一種解決方案，為無線傳感網(wǎng)絡(luò)在畜牧業(yè)中的應(yīng)用提供了參考。尹令等[17]設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的奶牛行為特征監(jiān)測系統(tǒng)，通過在奶牛頸部安裝無線傳感器節(jié)點(diǎn)獲取奶牛的體溫、脈搏、呼吸頻率和運(yùn)動行為特征等參數(shù)，建立動物行為監(jiān)測系統(tǒng)，利用K-均值聚類算法能準(zhǔn)確區(qū)分奶牛靜止、慢走、爬跨、快走等行為特征，從而達(dá)到長期監(jiān)測奶牛活動狀態(tài)的目的。高云[18]研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于豬養(yǎng)殖綜合監(jiān)測系統(tǒng)中的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的覆蓋性能分析、部署方案問題、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)豬舍內(nèi)定位的問題、以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動行為監(jiān)測問題，并給出網(wǎng)絡(luò)化養(yǎng)豬綜合精準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)的整體框架。目前的無線傳感器節(jié)點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中遇到了很多問題，如安裝復(fù)雜、容易脫落、電池續(xù)航能力不足、數(shù)據(jù)傳輸距離有限、環(huán)境適應(yīng)性差等，需要各國學(xué)者的努力，進(jìn)一步提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)在畜牧養(yǎng)殖中的適用性。

4 物聯(lián)牧場應(yīng)用層的研究進(jìn)展

應(yīng)用層的研究是物聯(lián)牧場的最高層，是面向養(yǎng)殖戶的，可以根據(jù)養(yǎng)殖戶的需求搭建不同的應(yīng)用平臺。物聯(lián)牧場應(yīng)用研究的主要內(nèi)容包括：實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境的遠(yuǎn)程調(diào)控和智能調(diào)控，以確保適宜畜禽生長的養(yǎng)殖環(huán)境，保證畜禽健康，同時減輕養(yǎng)殖戶的工作負(fù)擔(dān)；實(shí)現(xiàn)精確飼喂，根據(jù)畜禽在各階段營養(yǎng)需求，模仿專家經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定飼料配方和飼喂量，合理飼喂，控制畜禽體況，減少飼料浪費(fèi)，提高飼料轉(zhuǎn)化率；實(shí)現(xiàn)育種繁育的智能管理，結(jié)合物聯(lián)牧場感知到的信息，科學(xué)判別畜禽發(fā)情期，預(yù)測最佳配種時期，提高種畜和母畜的繁殖效率；實(shí)現(xiàn)畜禽疾病的診斷和預(yù)警，對感知到的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，特征提取，智能判別等處理，對畜禽養(yǎng)殖疾病進(jìn)行診斷，同時根據(jù)流行病學(xué)、預(yù)警科學(xué)等知識確定預(yù)警警級，減少畜禽疾病給養(yǎng)殖戶造成的經(jīng)濟(jì)損失。

高萬林等[19]設(shè)計了一個豬場信息管理系統(tǒng)，包含用戶信息、豬場和生豬信息、飼料管理、環(huán)境監(jiān)測、疾病診斷、銷售管理6個模塊。環(huán)境監(jiān)測模塊可以監(jiān)測生豬的生長環(huán)境，包括溫度、濕度、氨氣、二氧化硫、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度。疾病診斷信息模塊可以記錄生豬疾病癥狀、診斷信息等。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)生豬豬場自動化管理，提高了生豬養(yǎng)殖戶的管理效率，并降低了生豬養(yǎng)殖戶的養(yǎng)殖成本，具有一定的實(shí)用價值。楊亮等[20]設(shè)計了一種妊娠母豬自動飼喂機(jī)電控制系統(tǒng)，采用RFID標(biāo)識及無線局域網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了母豬的個體識別與數(shù)據(jù)交換。在個體識別的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了針對不同妊娠期（前期、中期及后期）的母豬，有差異的精細(xì)飼喂，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示剩料比僅為2.1%，極大減少了飼料的浪費(fèi)，提高了養(yǎng)殖效率。隨著物聯(lián)網(wǎng)感知層研究的推進(jìn)，物聯(lián)牧場應(yīng)用層的研究也會日漸豐富，以滿足養(yǎng)殖戶個性化的需求。

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北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于多源數(shù)據(jù)融合的北京市豬肉市場監(jiān)測預(yù)警研究”（資助編號：9153023）。

熊露（1990-），女，湖南省岳陽市人，碩士，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)管理。

*通信作者：韓書慶（1986.03-），男，河北省衡水市人，助理研究員，博士，主要從事畜牧物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器視覺等相關(guān)研究。