基于物聯(lián)網(wǎng)的畜禽智能化養(yǎng)殖系統(tǒng)研究與應(yīng)用成效分析

魏祥帥 朱筱華

摘要? ? 當(dāng)前，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用不斷加快，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋設(shè)施園藝、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、大田種植、農(nóng)產(chǎn)品加工等多個(gè)領(lǐng)域，特別是畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、設(shè)施園藝領(lǐng)域?qū)r(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的需求更為迫切，應(yīng)用效益也相對(duì)更好。在畜禽養(yǎng)殖領(lǐng)域，目前智能化水平較高的成套設(shè)備大都由西方發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口，應(yīng)用成本非常高。本文針對(duì)這一現(xiàn)狀，介紹了一種低成本、能推廣的畜禽智能化養(yǎng)殖系統(tǒng)解決方案，該系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，利用無(wú)線傳感器實(shí)時(shí)采集養(yǎng)殖環(huán)境因子數(shù)據(jù)，通過(guò)Wi-Fi、4G、互聯(lián)網(wǎng)等將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器，對(duì)管理人員提供可視化的操作控制界面;同時(shí)，它可以根據(jù)事先設(shè)定的畜禽養(yǎng)殖最適宜環(huán)境的參數(shù)閾值，自動(dòng)啟動(dòng)或關(guān)閉生長(zhǎng)環(huán)境調(diào)節(jié)自動(dòng)化控制設(shè)備，節(jié)約了勞動(dòng)用工，提高了畜禽規(guī)格、產(chǎn)量和養(yǎng)殖效益，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞? ? 物聯(lián)網(wǎng);畜禽智能化養(yǎng)殖系統(tǒng);應(yīng)用成效

中圖分類號(hào)? ? O6-3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A? ? ? ? 文章編號(hào)? ?1007-5739（2018）23-0286-03

智能農(nóng)業(yè)是在相對(duì)可控的環(huán)境條件下，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，包括物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、互聯(lián)互通技術(shù)和智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)集約、高效、可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理方式[1]。智能農(nóng)業(yè)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容已經(jīng)引起人們的重視，它以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，利用無(wú)線傳感器實(shí)時(shí)采集動(dòng)植物生產(chǎn)環(huán)境因子數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)、4G、互聯(lián)網(wǎng)等及時(shí)將畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的實(shí)時(shí)畫面?zhèn)鬏數(shù)竭h(yuǎn)程電腦屏幕、手機(jī)屏幕等終端，便于管理人員實(shí)時(shí)掌握畜禽的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)[2]。一方面，它可以根據(jù)事先設(shè)定的畜禽養(yǎng)殖最適宜環(huán)境的各類參數(shù)閾值，自動(dòng)啟動(dòng)或關(guān)閉生長(zhǎng)環(huán)境調(diào)節(jié)自動(dòng)化控制設(shè)備;同時(shí)，也為管理人員提供遠(yuǎn)程手動(dòng)調(diào)控環(huán)境因子功能，以營(yíng)造適宜畜禽生長(zhǎng)的外部環(huán)境，提高畜禽規(guī)格、產(chǎn)量和養(yǎng)殖效益。

1? ? 應(yīng)用背景

近年來(lái)，江蘇將農(nóng)業(yè)信息化作為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)，省政府出臺(tái)專門文件，編制工程規(guī)劃，省財(cái)政設(shè)立專項(xiàng)資金，先后實(shí)施農(nóng)業(yè)信息服務(wù)工程、農(nóng)業(yè)信息服務(wù)全覆蓋工程、“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)行動(dòng)，取得較好成效[3]。目前，信息進(jìn)村入戶整省推進(jìn)，益農(nóng)信息社建設(shè)將覆蓋全省所有涉農(nóng)行政村，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用水平全國(guó)領(lǐng)先，農(nóng)業(yè)電子商務(wù)發(fā)展蔚然成風(fēng)，管理服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化水平明顯提升，有力地推動(dòng)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程[4-6]。

本文圍繞物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在畜禽智能化中的推廣應(yīng)用，聚焦研發(fā)應(yīng)用基于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏囟?、濕度、氨氣、CO2、硫化氫、光照等數(shù)據(jù)的傳感器和閉環(huán)自動(dòng)控制器，并結(jié)合推廣基于專利技術(shù)的遠(yuǎn)程環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖環(huán)節(jié)資源、環(huán)境的全程感知、監(jiān)測(cè)、監(jiān)視;對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇和綜合分析利用，分析優(yōu)化畜禽飼養(yǎng)管理模式和環(huán)境控制模型及控制算法，集成基于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的智能環(huán)境控制系統(tǒng)。

2? ? 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與應(yīng)用架構(gòu)

基于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的智能環(huán)境控制系統(tǒng)采取無(wú)線加有線的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，利用溫度、濕度、氨氣、CO2無(wú)線傳感器設(shè)備，在肉雞養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行生長(zhǎng)環(huán)境因子監(jiān)測(cè)控制技術(shù)試驗(yàn)，得出畜禽最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)，并構(gòu)建整個(gè)畜禽養(yǎng)殖智能化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用4G遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)種養(yǎng)環(huán)境的溫度、濕度、氨氣、CO2、光照等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)與已建成的專家數(shù)據(jù)模型對(duì)比來(lái)實(shí)時(shí)或遠(yuǎn)程操控有關(guān)機(jī)電設(shè)備，以使其達(dá)到最適宜的種養(yǎng)環(huán)境，在環(huán)境指標(biāo)異常時(shí)可及時(shí)發(fā)送手機(jī)短信和電話進(jìn)行報(bào)警。

本系統(tǒng)依托傳感技術(shù)、無(wú)線技術(shù)、寬帶技術(shù)、視頻技術(shù)、智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)雞舍二氧化硫含量、一氧化碳含量、溫濕度、光照等環(huán)境參數(shù)的全程監(jiān)控與管理，為精細(xì)化科學(xué)養(yǎng)殖提供現(xiàn)代化的手段，可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制規(guī)模雞場(chǎng)的環(huán)境。系統(tǒng)主要由六大功能構(gòu)成。一是數(shù)據(jù)采集功能。通過(guò)溫度、濕度傳感器，將采集到雞舍內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。二是環(huán)境控制功能。通過(guò)無(wú)線電器控制器，通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳送電器控制指令，從而遠(yuǎn)程控制雞舍內(nèi)的補(bǔ)光燈、濕簾、排風(fēng)扇等設(shè)備的啟動(dòng)和關(guān)閉。三是視頻監(jiān)控功能。在養(yǎng)殖舍安裝了網(wǎng)絡(luò)視頻攝像頭，將雞舍的視頻和聲音存儲(chǔ)在服務(wù)器端，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)遠(yuǎn)程掌握雞舍內(nèi)的情況。四是網(wǎng)絡(luò)管理功能。通過(guò)自主開發(fā)的基于網(wǎng)絡(luò)UDP協(xié)議的采集溫度、濕度、光照等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令的網(wǎng)絡(luò)客戶端程序和WEB查詢控制程序。在技術(shù)上采用了多線程編程和智能的PID控制算法使環(huán)境控制更為準(zhǔn)確。五是預(yù)警功能。采用自主研制的專利產(chǎn)品雞舍遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)與服務(wù)器相連接，在環(huán)境指標(biāo)異常時(shí)及時(shí)發(fā)出手機(jī)短信和電話報(bào)警同時(shí)支持短信查詢和控制指令。六是分析決策功能。根據(jù)監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)，生成生產(chǎn)信息統(tǒng)計(jì)圖表，對(duì)控制結(jié)果進(jìn)行追溯和評(píng)價(jià)。

該系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

綜合運(yùn)用傳感器、Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、機(jī)電設(shè)備、移動(dòng)基站、視頻采集攝像頭、遠(yuǎn)程Web服務(wù)器和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)及設(shè)備，系統(tǒng)即可成功部署到畜禽養(yǎng)殖舍環(huán)境實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行?？傮w上，該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)如圖2所示。

3? ? 系統(tǒng)應(yīng)用成效分析

在禽類養(yǎng)殖場(chǎng)部署實(shí)施智能化控制系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制規(guī)模雞場(chǎng)的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了肉雞養(yǎng)殖的智能化，其工作原理如圖3所示。

系統(tǒng)部署后軟件運(yùn)行界面如圖4、5所示。

該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用投入成本相對(duì)較低，應(yīng)用效果較好。一是節(jié)約了勞動(dòng)用工，降低了成本。通過(guò)測(cè)算，系統(tǒng)部署后，用工下降35%以上，原來(lái)每棟雞舍都需安排工人24 h值班，需16人輪換值班，采用該系統(tǒng)后，只需1人利用手機(jī)或電腦即可實(shí)現(xiàn)，無(wú)需不停巡視。通過(guò)環(huán)境精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的自動(dòng)開關(guān)和有效供水管理，減少了因盲目控制造成的日常能源浪費(fèi)，水電成本顯著降低。二是減少了意外環(huán)境變化對(duì)養(yǎng)雞場(chǎng)造成損失的可能性。系統(tǒng)部署實(shí)施后，可有效減少肉雞環(huán)境應(yīng)激反應(yīng)90%以上，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)報(bào)警功能可實(shí)現(xiàn)24 h不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)控，遇到突發(fā)情況能做到反應(yīng)迅捷、處理及時(shí)。三是增加了產(chǎn)品產(chǎn)量。系統(tǒng)部署實(shí)施后，精準(zhǔn)的環(huán)境因子控制有效降低了肉雞的發(fā)病率和死亡率，通過(guò)告警信息可及時(shí)發(fā)現(xiàn)雞舍內(nèi)異常情況，并結(jié)合視頻圖像和環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程及時(shí)診斷，并根據(jù)診斷情況及時(shí)采取相應(yīng)措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)雞舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)的及時(shí)調(diào)控，避免劣勢(shì)環(huán)境對(duì)肉雞的影響，產(chǎn)量增加20%以上。四是提高了管理效率。系統(tǒng)的分析決策功能提供了詳細(xì)有效的環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)，為雞場(chǎng)的科學(xué)管理提供了依據(jù)，提高了日常管理效能。

4? ? 展望

系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種低成本、易操作的畜禽養(yǎng)殖智能化解決方案，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。今后，還需進(jìn)一步提高傳感器、控制器精度、靈敏度和基于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的智能環(huán)境控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，同時(shí)，順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流，積極利用云計(jì)算技術(shù)將整個(gè)系統(tǒng)部署到云端，進(jìn)一步節(jié)約用戶應(yīng)用成本。分析利用好傳感器采集的畜禽養(yǎng)殖舍數(shù)據(jù)，形成畜禽養(yǎng)殖大數(shù)據(jù)，探索建立畜禽養(yǎng)殖智能化模型，進(jìn)一步指導(dǎo)生產(chǎn)，擴(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在畜禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用范圍，提升應(yīng)用水平。

5? ? 參考文獻(xiàn)

[1] 江蘇省農(nóng)業(yè)委員會(huì)課題組.智能農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志和支撐：江蘇智能農(nóng)業(yè)發(fā)展專題研究[J].江蘇農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，2017（11）：7-11.

[2] 戴起偉，凡燕，曹靜，等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與江蘇智能農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（5）：1-3.

[3] 王平濤，魏祥帥.江蘇農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展方略探究[J].江蘇農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，2017（6）：14-15.

[4] 潘陳祥，池雷鈞，王學(xué)鋒.瑞安市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀、問(wèn)題及對(duì)策[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，59（6）：1060-1062.

[5] 何雪煊.我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及寧夏農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推廣應(yīng)用啟示[J].寧夏農(nóng)林科技，2017，58（8）：50-52.

[6] 劉志洋，陳柏杰，門萬(wàn)杰.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的研究與應(yīng)用[J].黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016（6）：137-141.