基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的妊娠母豬限緩飼喂裝置的研究

王 琦，韓 菡，譚青青，馮 江，馬金龍，王鐵霖，任潔奇，李珊珊

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) a.電氣與信息學(xué)院；b.工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引言

我國是世界畜牧業(yè)大國之一，但畜牧業(yè)在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值中比重偏小，難以適應(yīng)人民生活不斷增長的需求。近年來，隨著人民生活水平的不斷提高，我國的豬肉需求量進一步加大，養(yǎng)豬業(yè)地位也越來越受到人們的重視。有數(shù)據(jù)顯示，2012年我國豬肉生產(chǎn)量和消費量已達到全球比率的48.95%和49.39%[1]，可見我國養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展與重要。但是，由于防疫不合格、養(yǎng)殖無規(guī)模、飼養(yǎng)不正確等原因，導(dǎo)致生豬產(chǎn)量減少、豬肉質(zhì)量下降。因而，對生豬養(yǎng)殖的現(xiàn)代化、信息化技術(shù)的需求已提上日程。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是繼計算機、因特網(wǎng)以及移通訊網(wǎng)之后發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，其發(fā)展目標是使人們可以在任意時間、任意地點與任何物品相聯(lián)系[2]。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引用到養(yǎng)豬業(yè)中，不僅可以實現(xiàn)對生豬的實時監(jiān)控與管理，還可以改善養(yǎng)殖環(huán)境，從而進一步解決生豬產(chǎn)量低、豬肉質(zhì)量差等問題。

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)定義及起源

“物聯(lián)網(wǎng)”(Internet of things)，是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，是世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮[3]。物聯(lián)網(wǎng)是一種物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，指的是其核心和基礎(chǔ)是互聯(lián)網(wǎng)，在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上對網(wǎng)絡(luò)的擴展和延伸[4]，其最終目標是讓任意物品之間進行信息的交換和通信。

物聯(lián)網(wǎng)一詞最早出現(xiàn)于比爾蓋茨1995年《未來之路》中[5]，其概念最初是在1999年美國召開的移動計算和網(wǎng)絡(luò)國際會議上提出的，會議認為“傳感網(wǎng)是下一個世紀人類即將面臨的又一個機遇與挑戰(zhàn)，物聯(lián)網(wǎng)是各類傳感器與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)銜接的一個新技術(shù)”。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成及特征

物聯(lián)網(wǎng)通過感知設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)將物體與物體連接起來，然后進行智能化采集、傳輸與處理信息，最后實現(xiàn)智能化識別與科學(xué)管理的一種網(wǎng)絡(luò)。按其定義，物聯(lián)網(wǎng)大致有以下幾個基本特征：“感知化”“智能化”“物連化” “互聯(lián)化”“網(wǎng)絡(luò)化”。

從其定義與特征上看，物聯(lián)網(wǎng)在技術(shù)上通過智能識別、智能感知、智能處理等技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)相連接。因此，物聯(lián)網(wǎng)實質(zhì)上是以“虛擬”+“實體”的信息化系統(tǒng)，已不僅僅是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的范疇。物聯(lián)網(wǎng)以數(shù)據(jù)為核心、多業(yè)務(wù)融合的信息化應(yīng)用技術(shù)，其體系框架可分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層[6]，如圖1所示。其中，感知層感知全面信息，主要包括數(shù)據(jù)信息的獲取以及入網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)層將感知的信息進行傳輸；應(yīng)用層對信息數(shù)據(jù)進行處理。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)實例應(yīng)用

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用已經(jīng)逐漸進入越來越多的行業(yè)中，如智能農(nóng)業(yè)、智能家具、智慧城市、智能醫(yī)療及智能養(yǎng)殖等；尤其是在智能養(yǎng)殖應(yīng)用中，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，包括無線傳感網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)等為一體，依托養(yǎng)殖生產(chǎn)現(xiàn)場的各種感知節(jié)點，如環(huán)境溫濕度、圖像、體重等，進而實現(xiàn)養(yǎng)殖生產(chǎn)的智能化，為其提供精準化飼喂、可視化管理及智能化決策。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of internet of things

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域起步較早，早期發(fā)展是1999年中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所對傳感網(wǎng)產(chǎn)品的研發(fā)，且研發(fā)的產(chǎn)品于2003年開始在“動態(tài)北侖”等項目中應(yīng)用。在科研上，我國的技術(shù)基本與國外保持同步；在產(chǎn)業(yè)上，我國各地相繼啟動了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的項目?？梢哉f，對物聯(lián)網(wǎng)這個全新的產(chǎn)業(yè)，我國的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)水平都已處于世界前列，掌握了物聯(lián)網(wǎng)世界的部分話語權(quán)。2012年2月，國家發(fā)布了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的“十二五”規(guī)劃中指出：物聯(lián)網(wǎng)對加快我國經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)型具有重大的推動作用，并成為我國的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。

我國對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的智能養(yǎng)殖飼喂管理的研究起步較晚，母豬智能化群養(yǎng)管理系統(tǒng)最早在2007年面市。廣東省農(nóng)業(yè)機械研究所是我國最先進行在豬只自動飼喂方面的研究，由甘玲團隊研制了一套關(guān)于豬只的自動飼喂測定系統(tǒng)以記錄豬只的飼喂情況[7]。該系統(tǒng)采用了微電子技術(shù)，主要監(jiān)測被測豬只的采食時長、日采食量、采食速度及采食次數(shù)等，通過系統(tǒng)的監(jiān)測能準確獲取同一欄里所有豬只的采食情況，同時記錄下體重變化，從而可計算每頭豬在不同生長時期的飼料轉(zhuǎn)化率。

上海河順自動化科技發(fā)展有限公司(HHIS)設(shè)計研發(fā)了一個能夠自動飼喂裝置傳感器，判斷豬的身份，傳輸給計算機，系統(tǒng)根據(jù)終端獲取的數(shù)據(jù)(耳標號、體重)和計算機數(shù)據(jù)庫(懷孕日期)運算出該豬當天需要的進食量[8]，把進食量分量分時間的傳輸給飼喂設(shè)備為該豬下料。其工作原理圖如2所示。

圖2 工作原理圖Fig.2 Working diagram

隨著養(yǎng)豬業(yè)的不斷發(fā)展，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化飼喂管理已經(jīng)成為智能養(yǎng)殖中一種不可或缺的技術(shù)。依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化飼喂管理不但節(jié)省人力、有效地保護環(huán)境、減少疫病，還能改善生豬生長環(huán)境、提高母豬產(chǎn)量。我國目前對于養(yǎng)豬場的智能化飼喂管理系統(tǒng)已經(jīng)基本成型，但由于起步較晚，系統(tǒng)并不完善，因此還需要更進一步的研究。

2.2 國外研究現(xiàn)狀

在國外，物聯(lián)網(wǎng)被稱作“危機時代的救世主”，很多發(fā)達國家對物聯(lián)網(wǎng)非常重視，將其視作新的經(jīng)濟增長點，并把物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展列為了國家計劃。2009年，美國政府將“智慧地球”計劃上升至國家戰(zhàn)略，除高校和科研院所之外，各大知名企業(yè)也都先后參與了開發(fā)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究。同年，歐盟推出了《歐洲物聯(lián)網(wǎng)行動計劃》，其他國家也相繼制定了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)計劃。

其中，對基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化飼養(yǎng)管理的研究比較早。在國外，尤其是歐美地區(qū)，現(xiàn)代信息化養(yǎng)殖技術(shù)已經(jīng)相當普遍和成熟，大部分養(yǎng)殖場已經(jīng)實現(xiàn)飼喂自動化以及管理智能化。目前，國際上比較先進的自動飼喂設(shè)備有荷蘭Nedap公司的Velos系統(tǒng)[9](見圖3)以及格式塔智能化繁殖母豬飼養(yǎng)管理系統(tǒng)等等。

Velos系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)、智能化技術(shù)，以50頭母豬為一個自動飼養(yǎng)管理單位，小、中、大型養(yǎng)豬場均可采用。從運行10年多的實踐來看，母豬平均年產(chǎn)胎次可以增加到2.40胎，母豬年平均產(chǎn)仔豬數(shù)可達26.83頭，較原來年產(chǎn)仔豬數(shù)22頭有大幅度提高。因此，對母豬實施自動化飼養(yǎng)管理可以大幅度提高母豬群體的生產(chǎn)效率[10-11]。

圖3 荷蘭 Nadap-VelosFig.3 Holand Nadap-Velos

格式塔智能化繁殖母豬飼養(yǎng)管理系統(tǒng)是一套基于電腦和無線網(wǎng)絡(luò)連接的繁殖母豬智能化飼養(yǎng)管理系統(tǒng)。截止2010年，加拿大魁北克省超過30%的母豬使用格式塔繁育母豬智能化飼喂管理系統(tǒng)，北美全境有超過125 000頭母豬使用該系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過數(shù)字化的分析管理，最大化地滿足了分娩母豬的動態(tài)營養(yǎng)需求，提高了產(chǎn)子率與每窩產(chǎn)數(shù)，并可根據(jù)母豬的年齡、胎次、體況和小豬頭數(shù)，對每頭母豬進行精確管理。

以上這些系統(tǒng)都具備自動管理、自動報警、數(shù)據(jù)自動傳輸、自動供料及發(fā)情檢測等功能[12]，通過這樣一套高度自動化的系統(tǒng)能夠極大地提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，在緩解環(huán)境壓力的同時，進一步解放了人力。但是，由于進口設(shè)備價格昂貴，售后服務(wù)跟不上，國內(nèi)使用者并不多見。

3 物聯(lián)網(wǎng)在養(yǎng)豬場智能管理應(yīng)用的技術(shù)組成

3.1 射頻識別技術(shù)(RFID)

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)，又稱無線射頻識別，是一種通過無線射頻信號達到自動識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)的目的，實現(xiàn)無接觸信息采集和傳遞的通訊技術(shù)[13]。1948年，哈里發(fā)表了《利用反射功率的通信》奠定了RFID技術(shù)的理論基礎(chǔ)，直到1999年Auto-ID Center誕生后，提出了產(chǎn)品電子代碼EPC概念及物聯(lián)網(wǎng)的概念與架構(gòu)，才使RFID技術(shù)的應(yīng)用越來越受到人們的重視。

RFID技術(shù)是一種非接觸的、雙向通訊的自動識別技術(shù)，由閱讀器以及電子標簽兩個基本器件構(gòu)成。RFID技術(shù)分為兩個部分：一個是標簽，另一個是解讀器。在標簽進入磁場后，解讀器就會憑借感應(yīng)電流發(fā)出射頻信號或者是標簽發(fā)射某一個頻率的信號讓解讀器讀取里面的信息并對其進行解碼后送至中央信息系統(tǒng)，再對有關(guān)數(shù)據(jù)進行處理。

在基于物聯(lián)網(wǎng)的智能管理養(yǎng)豬場中，在母豬身上安裝電子標簽，并根據(jù)標簽中的唯一的編碼與每頭母豬一一對應(yīng)；當母豬進入RFID閱讀器的識別范圍，閱讀器就會自動的將母豬的信息識別出來。

3.2 傳感器技術(shù)

傳感器是一種能夠感知外界信號及物理條件等信息并傳遞給其他設(shè)備的裝置，在物聯(lián)網(wǎng)中除了負責(zé)獲取相關(guān)信息外還能對當前狀態(tài)進行識別，當狀態(tài)發(fā)生變化時也能夠作出實時有效的反應(yīng)并對其他單元發(fā)出信號[14]。我國國家標準對傳感器的定義是：“能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。

現(xiàn)代新型傳感器的種類繁多，如激光傳感器、濕度傳感器、速度傳感器、液位傳感器及重力傳感器等等。其中，電阻應(yīng)變式傳感器是被廣泛用于電子秤和各種測力裝置。傳感器所選取的精度和范圍度是至關(guān)重要的，過高的精度對于有些使用無太大意義，而過寬的范圍度也會是測量精度降低，因此要根據(jù)測量對象的要求來選擇恰當?shù)木群头秶取?/p>

在物聯(lián)網(wǎng)中，傳感器技術(shù)是一個重要的組成部分，如果將物聯(lián)網(wǎng)比作一個人的話，那傳感器就是人的神經(jīng)末梢，是全面感知外界的最核心的元件。這些傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的感知層，負責(zé)將對物體的具體有關(guān)的信息測取出來，從而傳給上層進行數(shù)據(jù)的收集、處理。新型傳感器技術(shù)的發(fā)展對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的支撐作用[15]，可以通過壓力傳感器、圖像傳感器等設(shè)備來獲取母豬的日常生活信息，從而達到智能管理的效果。

3.3 云計算技術(shù)

云計算(Cloud Computing)，作為一種近幾年新型的計算模式，是通過一種共享的形式來實現(xiàn)的。廣大的用戶可以共享它們的軟硬件設(shè)備或者信息，來實現(xiàn)云計算的可擴展性和高可靠性等優(yōu)點。

云計算的主要特點是其計算并不是在一個本地的計算機中進行，也不是通過遠程服務(wù)器來進行；云計算的計算分布在大量的分布式計算機上，好比是從古老的單臺發(fā)電機模式轉(zhuǎn)向了電廠集中供電的模式[16]。云計算是一種具有商業(yè)概念的共享計算過程，是網(wǎng)絡(luò)計算、并行處理和分布式處理的發(fā)展和延續(xù)。

云計算與物聯(lián)網(wǎng)之間雖然存在很大的區(qū)別，但是二者也有著千絲萬縷的聯(lián)系：物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器采集到難以計數(shù)的龐大的數(shù)據(jù)量，而云計算可以對這些龐大的數(shù)據(jù)量進行智能處理，二者相輔相成。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高度發(fā)展的今天，云計算技術(shù)所具有的高可靠性、可擴展性和虛擬化等特點，正好為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供了技術(shù)支持。在智能化母豬管理中，使用云計算技術(shù)可以快速、安全地將通過傳感器獲取的大量數(shù)據(jù)進行分析。

4 結(jié)論

針對物聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)在養(yǎng)殖智能飼喂管理中的應(yīng)用進行了分析介紹，指出了物聯(lián)網(wǎng)在養(yǎng)殖業(yè)智能化發(fā)展中的必要性與不可或缺性?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能化飼喂管理系統(tǒng)必將促進養(yǎng)殖業(yè)的現(xiàn)代化、精準化發(fā)展，必將改善養(yǎng)殖環(huán)境、精確飼喂管理、增加產(chǎn)值數(shù)量，從而提高豬肉質(zhì)量，必將促使養(yǎng)殖業(yè)向更好的方向發(fā)展。

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