關于智慧牧場牲畜動態(tài)智能感知系統(tǒng)的研究與應用

謝光 于世榮

摘 ? 要：智慧牧場是運用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)管理的牧場，屬于智慧農(nóng)業(yè)的范疇。智慧牧場的養(yǎng)殖過程和加工銷售過程全部建立了食品安全跟蹤體系，保障了消費者的飲食安全和管理便捷性。文章以智慧牧場牲畜動態(tài)智能感知系統(tǒng)設計為切入點，論述系統(tǒng)實現(xiàn)的方式，給出核心支持技術(shù)、主要作業(yè)流程等內(nèi)容，并通過模擬和典型應用分析，對系統(tǒng)應用價值進行論證。

關鍵詞：智慧牧場;牲畜動態(tài);智能感知系統(tǒng);智能技術(shù)

1 ? ?智慧牧場牲畜動態(tài)智能感知系統(tǒng)設計

1.1 ?拓撲結(jié)構(gòu)

從拓撲結(jié)構(gòu)上看，智慧牧場牲畜動態(tài)智能感知系統(tǒng)設計有4個主要部分，即以傳感器為代表的執(zhí)行單元、中央控制器、通信結(jié)構(gòu)以及輔助設備，其中，除執(zhí)行單元除傳感器外，還包括監(jiān)控器、報警器等。中央控制器則以計算機為核心，屬于系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)。通信機構(gòu)包括各類有線線路和有線通信信道，輔助設備包括人機交互界面、指令下達和參數(shù)變更界面等[1]。

1.2 ?結(jié)構(gòu)功能分析

從功能上看，智慧牧場牲畜動態(tài)智能感知系統(tǒng)的4個部分，功能帶有遞進關聯(lián)，以可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）邏輯控制器負責對系統(tǒng)指令和信息的處理，以控制器局域網(wǎng)絡（Controller Area Network，CAN）總線系統(tǒng)復雜進行多樣信息的分別處理，以保證其不會出現(xiàn)互擾問題。PLC和CAN總線系統(tǒng)分別隸屬于中央控制器和通信結(jié)構(gòu)。執(zhí)行單元中，傳感器和監(jiān)控器作為工作終端，主要負責信息收集，如牲畜是否出現(xiàn)異?；钴S、打斗情況等。通信系統(tǒng)主要負責將各類關聯(lián)信息傳遞給中央控制器、信息存儲器、執(zhí)行單元等處，保證信息的交互效果。中央控制器負責結(jié)合默認工作程序，對終端傳遞的信息進行讀取和分析，再根據(jù)分析結(jié)果下達處理命令，由其他執(zhí)行元件給出響應。輔助設備的作用較為多樣，包括信息的記錄、工作參數(shù)的更改等，以提升智慧牧場牲畜動態(tài)智能感知系統(tǒng)的功能完善性[2]。

2 ? ?智慧牧場牲畜動態(tài)智能感知系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 ?核心支持技術(shù)

智慧牧場牲畜動態(tài)智能感知系統(tǒng)實現(xiàn)，依賴各類現(xiàn)代化的工作技術(shù)，包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能技術(shù)、有線通信技術(shù)、無線通信技術(shù)、集成技術(shù)、差異化控制技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)等。不同技術(shù)強調(diào)與不同拓撲結(jié)構(gòu)的匹配，以集成技術(shù)完成總體控制，以嵌入技術(shù)進行區(qū)域化結(jié)構(gòu)功能集中。各項技術(shù)中，智能技術(shù)、差異化控制技術(shù)居于核心地位。如進入夏季后，牧場中的牛舍、豬舍等，可能出現(xiàn)溫度過高問題，可將溫度傳感器置入對應牛舍、豬舍中，實時獲取對應區(qū)域內(nèi)的溫度信息，在智能技術(shù)的支持下，傳感器可借助有線通信技術(shù)，將對應信息輸入到中央處理器中，由中央處理器進行安全性評析。假定6月份牛舍中的理想溫度為Q攝氏度，在實際生產(chǎn)活動中，牛舍中的溫度往往會圍繞Q出現(xiàn)波動，可表現(xiàn)為一個具有模糊線性特點的數(shù)集：

Q=[Qmix，…，Q1，Q2，Q3，Q4，…，Qmax]

其中，[Qmix，Qmax]代表牛舍溫度的理想值范圍，可借助大數(shù)據(jù)信息，獲取[Qmix，Qmax]的參考值，將其代入計算機中實現(xiàn)記憶，在智慧牧場正常工作的過程中，如果傳感器收集的實時溫度信息仍處于[Qmix，Qmax]范圍內(nèi)，表明牛舍溫度條件無異常，系統(tǒng)不進行其他動作;如果傳感器收集的信息表明，當前牛舍溫度已經(jīng)超過[Qmix，Qmax]范圍，可由中央控制器完成識別，并下達至少一個指令，由執(zhí)行單元啟動“升溫、降溫”模式，對牛舍溫度進行調(diào)整，傳感器繼續(xù)收集牛舍溫度信息，當牛舍溫度重新穩(wěn)定在[Qmix，Qmax]范圍內(nèi)后，該信息被傳遞給中央控制器，中央控制器據(jù)此進行其他必要操作，如關閉調(diào)整裝置、發(fā)布關聯(lián)信息等。其他技術(shù)也均借助各自所屬拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用。

2.2 ?主要作業(yè)流程

從作業(yè)流程上看，智慧牧場牲畜動態(tài)智能感知系統(tǒng)強調(diào)以標準化的模式，進行不同模塊工作控制。仍以溫度監(jiān)控為例，系統(tǒng)標準化作業(yè)模式為：信息收集—信息傳遞（多執(zhí)行單元重復、相同）—信息辨識—信息存在異?！逻_溫度調(diào)整指令;信息無異常，不進行動作—反復進行信息收集。

在該模式下，如果智慧牧場內(nèi)需要管理的對象較多，可采用CAN總線技術(shù)進行通信輔助，確保不同管理區(qū)域內(nèi)的信息能夠通過獨立作業(yè)的線路傳輸至中央處理器。為保證同步信息不存在混亂，通過PLC進行信息的異步處理，保證系統(tǒng)工作的有序性[3]。

3 ? ?智慧牧場牲畜動態(tài)智能感知系統(tǒng)應用

3.1 ?模擬應用

為獲取智慧牧場牲畜動態(tài)智能感知系統(tǒng)工作能力，需要進行模擬應用。模擬采用參數(shù)調(diào)整分析法，主要觀察指標為異常問題察覺率、處理時間、報警時間，可變參數(shù)為溫度參數(shù)、濕度參數(shù)、空氣成分參數(shù)3個方面。實驗共分為3個部分：

第一部分，溫度實驗。借助計算機，反復進行100次模擬，100次均設定溫度異常，保持濕度參數(shù)和空氣成分參數(shù)理想且穩(wěn)定。記錄異常問題察覺率、處理時間、報警時間。

第二部分，濕度實驗。借助計算機，反復進行100次模擬，100次均設定濕度異常，保持溫度參數(shù)和空氣成分參數(shù)理想且穩(wěn)定。記錄異常問題察覺率、處理時間、報警時間。

第三部分，空氣成分實驗。借助計算機，反復進行100次模擬，100次均設定空氣成分異常（CO），保持溫度參數(shù)和濕度參數(shù)理想且穩(wěn)定。記錄異常問題察覺率以及處理時間、報警時間。實驗結(jié)果如表1所示。

從應用模擬結(jié)果上看，在100次溫度實驗中，智慧牧場牲畜動態(tài)智能感知系統(tǒng)可敏銳發(fā)覺異常，識別牲畜動態(tài)信息，處理時間和報警時間理想。在100次濕度實驗中，智慧牧場牲畜動態(tài)智能感知系統(tǒng)可敏銳發(fā)覺異常，察覺98次，據(jù)此識別牲畜動態(tài)信息，處理時間和報警時間理想。在100次空氣成分實驗中，智慧牧場牲畜動態(tài)智能感知系統(tǒng)可敏銳發(fā)覺異常，察覺93次，據(jù)此識別牲畜動態(tài)信息，處理時間和報警時間理想。

3.2 ?系統(tǒng)改進思路

牲畜動態(tài)的感知帶有動態(tài)性特點，在上文模擬實驗中，當監(jiān)控對象出現(xiàn)濕度和空氣成分異常時，牲畜動態(tài)并未出現(xiàn)明顯變化，這表明，僅以傳感器作為執(zhí)行單元仍有不足。建議在后續(xù)工作中，采用信息傳感器和監(jiān)控器并用的模式。具體而言，一些可明確感知的信息參數(shù)，如溫度參數(shù)，仍以傳感器進行感知，當傳感器識別牛舍、豬舍溫度異常時，直接給出對應處理。與此同時，部分信息參數(shù)的異常無法準確體現(xiàn)牲畜動態(tài)，如濕度參數(shù)的增加，不會導致牲畜行為明顯變化。

為實現(xiàn)信息的精準捕捉，在進行濕度傳感的同時，增設可視化監(jiān)控器，以30～40 km2為范圍，設置一處監(jiān)控器，監(jiān)控器以有線通信的形式，與中央控制器取得物理形式的連接。當傳感器傳輸?shù)男畔⒈砻髂繕藚^(qū)域濕度異常時，中央控制器僅對該信息進行讀取和保存，向管理人員發(fā)出通知，不進行各類處理。當監(jiān)控器內(nèi)顯示牲畜出現(xiàn)行為異常，如不能安臥、頻繁走動等情況，由管理人員結(jié)合中央控制器存儲的信息，進行問題分析，了解“濕度參數(shù)異常引起了牲畜的費正常行為”，可據(jù)此進行人工參數(shù)，利用通風等方式，實現(xiàn)對對應區(qū)域內(nèi)濕度的控制。

其他方面的改進也采用類似思路，強調(diào)對多個不同維度信息的集中收集和集中分析、集中處理，使具有分析難度的信息，在自動化技術(shù)和人員輔助下得到有效評析，為其科學、及時地處理提供幫助。后續(xù)工作中，可進一步強調(diào)對現(xiàn)有技術(shù)的運用，同時重視對其他關聯(lián)技術(shù)進行補充，提升智慧牧場牲畜動態(tài)智能感知系統(tǒng)的工作能力，實現(xiàn)對各類信息的全面捕捉。

4 ? ?結(jié)語

智慧牧場牲畜動態(tài)智能感知系統(tǒng)從設計上看，強調(diào)以明確的拓撲結(jié)構(gòu)和功能設計，實現(xiàn)智慧牧場牲畜動態(tài)智能感知系統(tǒng)的邏輯控制，系統(tǒng)實現(xiàn)則強調(diào)以智能技術(shù)、通信技術(shù)、差異化控制等方式提供支持，以保證作業(yè)流程的相互獨立、互不干擾。從系統(tǒng)應用的角度上看，模擬應用和典型應用均提示系統(tǒng)具有積極應用價值，可服務后續(xù)工作。

[參考文獻]

[1]戈晶晶，丁日忠.以智慧化手段建設環(huán)保型海洋牧場—訪江蘇巴威工程技術(shù)股份有限公司總工程師 何文秀[J].中國信息界，2019（5）：74-75.

[2]蔣昊天，朱留存，劉亮.基于NB-IOT和光載無線的智慧牧場系統(tǒng)設計[J].通訊世界，2019（6）：121-122.

[3]郭雷風，王文生，陳桂鵬，等.澳大利亞智慧牧場發(fā)展現(xiàn)狀及啟示[J].農(nóng)業(yè)展望，2018（10）：52-55，67.

Research and application of smart ranch perception system

for livestock in smart pasture

Xie Guang， Yu Shirong

（School of Information and Intelligent Engineering， University of Sanya， Sanya 572000， China）

Abstract：Smart ranch is a ranch managed by modern Internet of Things technology. In the field of smart ranch， the breeding process and processing and sales process of smart ranch have all established a food safety tracking system to ensure the food safety and management convenience of consumers. This paper takes the design of smart ranch livestock dynamic smart sensing system as the breakthrough point， discusses the way of system realization， gives the core support technology， main operation flow and so on， and demonstrates the application value of the system through simulation and typical application analysis.

Key words：smart ranch; livestock dynamics; smart perception system; smart technology