智能精準(zhǔn)畜禽養(yǎng)殖管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
——以豬的養(yǎng)殖為例

王亮亮

(山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東 濟(jì)南 250103)

目前，由于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)、美麗鄉(xiāng)村的實(shí)施、勞動(dòng)力城鎮(zhèn)化的轉(zhuǎn)移等因素影響以及受科技發(fā)展對(duì)生產(chǎn)力的推進(jìn)，原有農(nóng)村家庭化農(nóng)戶養(yǎng)豬模式已演變?yōu)榧s化、規(guī)?；F(xiàn)代化的養(yǎng)豬場(chǎng)。但是由于豬場(chǎng)建設(shè)缺乏科學(xué)規(guī)劃，導(dǎo)致飼養(yǎng)管理難度加大，嚴(yán)重影響了養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率。[1]考慮到豬的大小、品種、性別、體重和行為特點(diǎn)等方面，由于個(gè)體的差異性造成生長(zhǎng)特點(diǎn)和抗病能力也有所不同。這就亟待需要正視豬的個(gè)體差異，利用高科技技術(shù)進(jìn)行差異化的精準(zhǔn)養(yǎng)殖。精準(zhǔn)養(yǎng)殖就是將豬場(chǎng)的目標(biāo)管理和過程管理有機(jī)結(jié)合在一起，通過整個(gè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的有效分析，能夠?qū)崿F(xiàn)豬場(chǎng)精準(zhǔn)飼養(yǎng)，既能減少資源浪費(fèi)，又能提高養(yǎng)殖效益和效率。[2]。

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，信息技術(shù)的發(fā)展使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓展，大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)飛速發(fā)展提升了數(shù)據(jù)信息的分析處理能力。將養(yǎng)豬場(chǎng)與“大智移云物”結(jié)合，對(duì)傳統(tǒng)的養(yǎng)豬場(chǎng)進(jìn)行技術(shù)提升，構(gòu)建精準(zhǔn)養(yǎng)豬管理系統(tǒng)，對(duì)養(yǎng)豬的仔豬入欄、防疫、生長(zhǎng)及肥豬出欄等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行智能監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集處理，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投食喂養(yǎng)、自動(dòng)環(huán)境處置、智能疫病預(yù)判和信息追溯查詢等功能。

1.系統(tǒng)簡(jiǎn)介

系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：信息采集單元、網(wǎng)絡(luò)傳輸單位、數(shù)據(jù)處理單元和應(yīng)用控制單元。從幼豬開始佩戴RFID電子耳標(biāo)進(jìn)行身份標(biāo)注，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，智能采集豬舍環(huán)境中的溫濕度、光照、有毒有害氣體(一氧化碳、氨氣、硫化氫)等和生豬的體溫、體重、活動(dòng)軌跡、喂食、疫病防治等生長(zhǎng)過程的相關(guān)信息，結(jié)合5G、WIFI和NB-IOT無線傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，依托云技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的信息存儲(chǔ)和分析處理，實(shí)現(xiàn)每頭豬的生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)及喂食方案實(shí)施和人機(jī)交互界面的近遠(yuǎn)程的報(bào)警預(yù)警、控制及信息查詢等功能。本系統(tǒng)可以達(dá)到對(duì)豬舍的實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能環(huán)境調(diào)節(jié)、數(shù)量盤點(diǎn)、稱重、活動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)分析、行為分析、個(gè)體精準(zhǔn)喂食管理、疫病管理、預(yù)警報(bào)警及安卓端遠(yuǎn)程控制和信息追溯查詢等多項(xiàng)應(yīng)用。

圖1 智能精準(zhǔn)養(yǎng)豬管理系統(tǒng)

通過對(duì)數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析、處理、應(yīng)用全過程環(huán)節(jié)的智能管控，利用更全面、更優(yōu)質(zhì)、更具價(jià)值的大數(shù)據(jù)服務(wù)體系，根據(jù)每一頭豬的特點(diǎn)構(gòu)建差異化的智能精準(zhǔn)養(yǎng)豬系統(tǒng)，按照每天需求精準(zhǔn)飼喂，科學(xué)智能的管理豬舍自動(dòng)設(shè)施，提升現(xiàn)代化生產(chǎn)效率，精準(zhǔn)喂養(yǎng)、提高生豬質(zhì)量和產(chǎn)量，為企業(yè)節(jié)約開支，增加效益。

1.1 數(shù)據(jù)采集

智能攝像頭對(duì)豬舍進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在線不間斷拍照上傳云平臺(tái)，進(jìn)行行為識(shí)別。

電子耳標(biāo)具有RFID個(gè)體標(biāo)識(shí)功能，可以對(duì)數(shù)量眾多的豬群實(shí)現(xiàn)編號(hào)管理和身份綁定、數(shù)據(jù)管理及精準(zhǔn)識(shí)別。

溫度模塊利用熱敏電阻或紅外測(cè)溫儀對(duì)身體溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，體溫異常及時(shí)報(bào)警，有效地監(jiān)控豬的體溫變化。

定位模塊利用納秒至微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)的UWB定位，實(shí)現(xiàn)豬舍內(nèi)近距離精確定位，并獲取其活動(dòng)軌跡。

溫濕度模塊采用防水、靈敏度高的壁掛數(shù)顯網(wǎng)絡(luò)溫濕度傳感器，將采集的溫濕度數(shù)據(jù)通過以無線通信上傳至后臺(tái)服務(wù)器。

光照傳感器模塊采用光電轉(zhuǎn)換的光照傳感器，實(shí)現(xiàn)高精度的自然光照和人工光照的光照強(qiáng)度測(cè)量。

氣體檢測(cè)模塊包括一氧化碳濃度檢測(cè)儀、氨氣檢測(cè)儀和硫化氫檢測(cè)儀，用于養(yǎng)豬場(chǎng)環(huán)境廢料發(fā)酵及糞便中產(chǎn)生的C0、NH3、H2S等有毒氣體的濃度。

1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸

根據(jù)養(yǎng)豬場(chǎng)的規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，可以選擇搭載各類傳感器上的WIFI、NB-IOT和5G等無線傳輸模塊進(jìn)行組網(wǎng)建設(shè)，通過數(shù)據(jù)流的傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)豬舍內(nèi)環(huán)境采集信息的傳輸和系統(tǒng)平臺(tái)下發(fā)的指令控制。

1.3 數(shù)據(jù)處理

WIFI、NB-IOT和5G等無線網(wǎng)絡(luò)將各類傳感器(溫濕度、光照、壓力、氣體濃度)采集的數(shù)據(jù)、智能攝像頭拍攝的照片、紅外測(cè)溫儀測(cè)量的體溫?cái)?shù)據(jù)和UWB定位的運(yùn)動(dòng)軌跡等數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、處理，再利用人工智能技術(shù)將積累的數(shù)據(jù)作為樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，結(jié)合標(biāo)注的耳標(biāo)信息分析每一個(gè)豬舍的生存環(huán)境和每一頭豬的運(yùn)動(dòng)軌跡、生長(zhǎng)特點(diǎn)和行為特點(diǎn)等，實(shí)現(xiàn)環(huán)境預(yù)警和定期生成每一只生豬的喂食方案，并將相關(guān)信息通過云平臺(tái)推送到安卓和后臺(tái)端。信息化的利用，在豬舍建設(shè)和生豬飼養(yǎng)管理方面做出了科學(xué)規(guī)劃，自動(dòng)或遠(yuǎn)程操作控制降低了養(yǎng)豬場(chǎng)人工管理成本、提高了生產(chǎn)效率、增加了經(jīng)濟(jì)收益。

2.系統(tǒng)框架

智能精準(zhǔn)養(yǎng)豬管理系統(tǒng)由信息系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成。[3]

信息系統(tǒng)包括管理員賬號(hào)管理和耳環(huán)建檔。管理員賬號(hào)管理是設(shè)置管理員賬號(hào)及管理權(quán)限，可以查看豬舍實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及實(shí)施設(shè)備操作控制。

監(jiān)控系統(tǒng)是通過智能攝像頭對(duì)豬舍的每日24小時(shí)安全監(jiān)控和行為檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻查看及安全預(yù)警。

傳感系統(tǒng)為豬舍內(nèi)布設(shè)的溫濕度、光照、氣體濃度、壓力、火焰、溫度傳感器和豬耳環(huán)上的定位器。溫濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)豬舍的溫度和濕度值，保障生豬適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。[4]光照傳感器實(shí)時(shí)采集豬舍的光照度，為燈光控制提供原始數(shù)據(jù)。氣體濃度包括采集一氧化碳、氨氣和硫化氫等氣體濃度[5]，為控制通風(fēng)設(shè)備開關(guān)提供原始數(shù)據(jù)。壓力傳感器布設(shè)在豬舍地面，檢測(cè)豬的體重，此數(shù)據(jù)可以監(jiān)控生豬的增肥狀態(tài)。火焰?zhèn)鞲衅魇怯眠h(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鲗?shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)的檢查,如果發(fā)生火災(zāi)驅(qū)動(dòng)水泵進(jìn)行滅火。溫度傳感器通過熱敏電阻檢測(cè)生豬的體溫[6]，進(jìn)行疾病預(yù)警。定位裝置利用室內(nèi)的UWB定位技術(shù)，采集生豬活動(dòng)軌跡。

控制系統(tǒng)是在系統(tǒng)對(duì)感知層采集的信息數(shù)據(jù)分析處理后，達(dá)到既定閾值后關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)的控制單位實(shí)施控制。如：風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)和降溫處理；加熱除濕器進(jìn)行加熱升溫或除濕除潮控制；燈光控制器進(jìn)行燈光變換；喂食器根據(jù)生豬生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)喂食、喂水；噴水裝置對(duì)豬舍進(jìn)行降溫或污物沖洗清潔等。

顯示單元可以實(shí)現(xiàn)豬舍環(huán)境和生豬生長(zhǎng)狀態(tài)信息查詢、環(huán)境安全預(yù)報(bào)警顯示等。大棚內(nèi)LED屏有環(huán)境狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，電腦后臺(tái)PC端或安卓端可以根據(jù)耳標(biāo)編號(hào)對(duì)每只生豬的生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行信息查詢。當(dāng)環(huán)境中測(cè)量的數(shù)據(jù)溢出，超出安全值時(shí)進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警顯示，并推送解決方案。

3.功能架構(gòu)

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)、加熱除濕器、燈光、喂食器和噴水裝置等邏輯控制。

(1)豬舍內(nèi)溫濕度、光照值、其他濃度(一氧化碳、氨氣、硫化氫)的報(bào)警閾值上下限范圍設(shè)定可調(diào)。

(2)當(dāng)舍內(nèi)采集到的實(shí)時(shí)溫度達(dá)到上限，但濕度低于下限時(shí)，啟動(dòng)噴水裝置，進(jìn)行噴水降溫；當(dāng)舍內(nèi)濕度達(dá)到上限，但溫度低于下限時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，同時(shí)自動(dòng)進(jìn)行加熱升溫；當(dāng)舍內(nèi)采集到的實(shí)時(shí)溫濕度皆達(dá)到上限，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，進(jìn)行通風(fēng)除濕。

(3)當(dāng)舍內(nèi)的光照值與本時(shí)段的閾值不對(duì)應(yīng)時(shí)，進(jìn)行自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的增減光調(diào)節(jié)。

(4)當(dāng)舍內(nèi)一氧化碳、氨氣、硫化氫等氣體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)任一數(shù)值高于設(shè)定的上限閾值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，進(jìn)行通風(fēng)換氣，直至數(shù)值低于下限時(shí)風(fēng)機(jī)關(guān)閉。

(5)通過讀取生豬攜帶的電子耳標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)智能身份識(shí)別，從而按照其對(duì)應(yīng)的飼喂曲線對(duì)其進(jìn)行個(gè)體化的精準(zhǔn)飼喂。

(6)豬舍環(huán)境參數(shù)或安全檢測(cè)達(dá)到閾值時(shí)，觸發(fā)預(yù)報(bào)警裝置，相關(guān)信息及時(shí)顯示，幫助養(yǎng)殖者提前干預(yù)，降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，減少豬場(chǎng)損失。

(7)后臺(tái)PC端及安卓APP端可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)開關(guān)模式切換。

4.結(jié)論

智能精準(zhǔn)養(yǎng)豬管理系統(tǒng)能夠滿足規(guī)?；B(yǎng)豬需求，解決農(nóng)業(yè)養(yǎng)豬勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)力緊缺、技術(shù)不足的問題，降低了成本、解放了生產(chǎn)力、提高了生產(chǎn)效率，創(chuàng)新了技術(shù)[7]，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收。實(shí)現(xiàn)科學(xué)信息化、精準(zhǔn)化管理，提高養(yǎng)豬場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益和推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化升級(jí)，為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化助力。

圖2 智能精準(zhǔn)養(yǎng)豬管理系統(tǒng)框架