“治理過(guò)目，智慧畜牧”高效養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王永貴 康佳偉 栗偉 馮騰超 孫萍 韓顏

摘 要：開發(fā)智能牧場(chǎng)畜牧業(yè)系統(tǒng)的想法是由于努力在生態(tài)清潔環(huán)境條件下獲得生物清潔食品。為了解決這些問(wèn)題，我們使用了現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)，它允許在一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中進(jìn)行分析和決策。農(nóng)業(yè)正成為物聯(lián)網(wǎng)、CPS（網(wǎng)絡(luò)-物理系統(tǒng)）和CPSS（網(wǎng)絡(luò)-物理-社會(huì)系統(tǒng)）的相關(guān)領(lǐng)域。這三種相互關(guān)聯(lián)的技術(shù)為智能化技術(shù)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)建立基礎(chǔ)設(shè)施提供了各種機(jī)會(huì)。物聯(lián)網(wǎng)采用了主動(dòng)對(duì)象的統(tǒng)一動(dòng)態(tài)環(huán)境的概念，能夠發(fā)現(xiàn)和解釋環(huán)境的特征，交換和訪問(wèn)信息，或作為更復(fù)雜的服務(wù)的組件參與。

關(guān)鍵詞：智能畜牧

一、智能畜牧系統(tǒng)構(gòu)架

根據(jù)工業(yè)4.0的概念，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的基本基礎(chǔ)是支持技術(shù)和管理流程的自動(dòng)化管理的智能系統(tǒng)。在人工智能的幫助下，可以分析該領(lǐng)域的各種參數(shù)，完善必要的護(hù)理活動(dòng)，監(jiān)測(cè)天氣狀況，預(yù)測(cè)產(chǎn)量的數(shù)量和質(zhì)量等。分析的一個(gè)基本因素是知識(shí)的提取和智能手段的應(yīng)用。這是可能的，因?yàn)橛锌赡苓M(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，收集足夠的數(shù)據(jù)，并在其上應(yīng)用適當(dāng)?shù)臋C(jī)器學(xué)習(xí)算法，以便采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。于是我們開始研發(fā)智能畜牧系統(tǒng)：

1.基本系統(tǒng)

繁育系譜：對(duì)牲畜的繁殖關(guān)系進(jìn)行系譜匯總，方便觀測(cè)遺傳病并且對(duì)良種進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，方便后續(xù)牲畜的繁育。

牲畜編碼：對(duì)所有牲畜進(jìn)行個(gè)體編碼定位，方便飼養(yǎng)員識(shí)別定位找尋，并在編碼上對(duì)牲畜系譜進(jìn)行歸類整理。

羊群監(jiān)控：采取實(shí)時(shí)360°無(wú)死角監(jiān)控，對(duì)牲畜活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)牲畜打斗等現(xiàn)象及時(shí)報(bào)警反饋，并且會(huì)綜合多方面因素判定牲畜疾病、流感、發(fā)情等情況進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。

數(shù)據(jù)匯總：自動(dòng)收集牲畜每日平均進(jìn)食量和個(gè)體進(jìn)食量比較繪制統(tǒng)計(jì)圖表，并將不正常飲食牲畜的編碼及時(shí)反饋，收集溫度、濕度、CO2、光照、氨氮濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存與分析，并實(shí)時(shí)反饋。

2.生活系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測(cè)控制：我們將進(jìn)行定期的檢測(cè)采樣，采樣時(shí)間為牲畜引入前、進(jìn)入隔離區(qū)后及轉(zhuǎn)入生產(chǎn)區(qū)前。直接采集的水源及土壤可放入備好的離心管或無(wú)菌自封袋內(nèi);其余樣品可用棉試紙蘸取;樣品從采集到檢測(cè)時(shí)間間隔五小時(shí)為宜。同時(shí)我們將進(jìn)行重點(diǎn)的自動(dòng)嚴(yán)格的監(jiān)控，將溫度、濕度、光照、CO2 濃度、H2S 濃度、氨氮濃度及甲烷定點(diǎn)傳感器安裝在生產(chǎn)區(qū)采集數(shù)據(jù)參數(shù)。

智能清理系統(tǒng)：我們將對(duì)牲畜日?；顒?dòng)區(qū)域設(shè)置坡度并安裝水平高壓沖水，并安裝下水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)每日清理排泄物。我們還會(huì)定期地安排專業(yè)人士對(duì)殘留物進(jìn)行專門清理及消毒。

個(gè)體檢測(cè)系統(tǒng)：我們會(huì)定期對(duì)牲畜聲音、體重、體溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與大數(shù)據(jù)分析;及時(shí)對(duì)動(dòng)物發(fā)情、疫病、繁殖匯總。除此之外，我們將采用多角度可變焦攝像頭對(duì)畜牧場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控。3.飼養(yǎng)系統(tǒng)

飼養(yǎng)日、月、年開支表：匯總牲畜飼養(yǎng)日、月、年開支表，并繪出統(tǒng)計(jì)表，方便管理者的日常開支計(jì)算，成本統(tǒng)計(jì)等。

進(jìn)食量大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：對(duì)所飼養(yǎng)的該類牲畜進(jìn)行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，提供給飼養(yǎng)員參考，并對(duì)飼養(yǎng)牲畜每日進(jìn)食進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總表格。

牲畜年齡統(tǒng)計(jì)表：匯總所飼養(yǎng)的所有牲畜年齡，匯總表格，方便計(jì)劃出欄，繁育，買賣。

二、智能畜牧系統(tǒng)的技術(shù)壁壘

1.智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施模型

（1）傳感器層-由設(shè)備（傳感器組）、傳感器和基于LoRa網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)組件（LoRa網(wǎng)關(guān)）組成。。監(jiān)測(cè)牧場(chǎng)狀況的裝置和監(jiān)測(cè)位于各自牧場(chǎng)上的牛的行為的裝置。

（2）本地層-包括一個(gè)用于管理傳感器和服務(wù)器層-MQTT代理之間的通信流的組件。MQTT用于LoRa網(wǎng)關(guān)之間的通信協(xié)議。MQTT是由Arcom控制系統(tǒng)有限公司（歐洲技術(shù)公司）的阿倫·尼珀和IBM的安迪·斯坦福-克拉克開發(fā)的。MQTT最適合于需要從互聯(lián)網(wǎng)上的后端服務(wù)器進(jìn)行監(jiān)控或控制的小型設(shè)備的大型網(wǎng)絡(luò)。MQTT協(xié)議是一個(gè)基于基于主題的發(fā)布-訂閱消息傳遞模型的協(xié)議。發(fā)布/訂閱模型是一種以數(shù)據(jù)為中心的通信服務(wù)，用于傳播數(shù)據(jù)、共享和發(fā)現(xiàn)服務(wù)。客戶端連接到代理，并訂閱或發(fā)布有關(guān)特定主題的數(shù)據(jù)。每條消息都被發(fā)布到一個(gè)地址，稱為一個(gè)主題。客戶端可以訂閱多個(gè)主題，并接收發(fā)布到每個(gè)主題的每個(gè)消息。MQTT代理處理客戶端發(fā)布的消息，并將它們轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的訂戶客戶端。MQTT的另一個(gè)特點(diǎn)是它的三個(gè)級(jí)別的服務(wù)質(zhì)量（QoS）來(lái)可靠地傳遞消息：

-QoS 0：“最多一次”，如果消息不能保證到達(dá)，可能會(huì)丟失;

-QoS 1：“至少一次”，消息保證到達(dá)，但可能發(fā)生重復(fù);

-QoS 2：“完全到達(dá)一次”，消息保證準(zhǔn)確到達(dá)一次，沒有重復(fù)或丟失;

（3）服務(wù)器層-包括虛擬操作中心（VOC）。它由本地和傳感器層控制組件組成。多虧了MQTT協(xié)議，它通信可能是雙向的，感官層設(shè)備可能能夠?qū)OC發(fā)送的信息做出反應(yīng)，通過(guò)增加各種個(gè)人代理和警衛(wèi)來(lái)提供增加情報(bào)的能力。

2.建立一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)適用于在開放空間上的建設(shè)，可以在警衛(wèi)[24]的參考體系結(jié)構(gòu)上開發(fā)，并為數(shù)據(jù)處理提供必要的智能。

需要將多種技術(shù)解決方案相結(jié)合，為智能畜牧業(yè)的概念，實(shí)現(xiàn)完整的解決方案。由于整個(gè)適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案十分復(fù)雜和技術(shù)之間的相互依賴性，以及需要克服的限制和障礙，選擇適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案是一個(gè)極其復(fù)雜和漫長(zhǎng)的過(guò)程。

經(jīng)過(guò)初步分析后，對(duì)技術(shù)方案和工作方法的選擇選擇了幾個(gè)影響較大的主要問(wèn)題，如下：

-以最小的技術(shù)單元/網(wǎng)關(guān)和最大的可靠性覆蓋大面積的無(wú)線電信道。

-盡量減少外部氣象和公使館對(duì)長(zhǎng)距離信息傳播的影響。

-傳輸安全性和信息完整性（通信從頭到尾的加密）。

-具有多個(gè)終端設(shè)備/傳感器的中心站/網(wǎng)關(guān)的操作（每個(gè)中心站超過(guò)1000臺(tái)設(shè)備）。

-連接到中央網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備的最大能效。

根據(jù)主要的影響點(diǎn)和問(wèn)題，探討了一些技術(shù)上的可能性。總之，我們選擇了LORA基礎(chǔ)設(shè)施/技術(shù)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該技術(shù)為上述問(wèn)題提供了解決方案，并為項(xiàng)目的需求創(chuàng)建了一個(gè)最佳的交互模型。

該模型創(chuàng)建完成后可以基本實(shí)現(xiàn)各大子系統(tǒng)之間的信息交互處理，分析計(jì)算所得到的分析結(jié)果匯總報(bào)告給管理者。

三、結(jié)束語(yǔ)

在未來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展智慧畜牧業(yè)的比例將會(huì)持續(xù)增加，在國(guó)家政策的支持和社會(huì)各界的幫助下，大數(shù)據(jù)，互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)支持著智慧畜牧業(yè)不斷發(fā)展，這不僅是一項(xiàng)穩(wěn)定和有前途的投資，而且也為人們的健康和實(shí)物需求提供了重要的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)智慧農(nóng)業(yè)網(wǎng) 2018-02-16

[2]中農(nóng)智聯(lián)：智慧畜牧養(yǎng)殖系統(tǒng)解決方案 - 知乎 （zhihu.com）

[3]作者：MQTT? MQTT協(xié)議理解---發(fā)布與訂閱_NYAIoT的博客-CSDN博客_mqtt訂閱與發(fā)布

[4]kafka實(shí)現(xiàn)無(wú)消息丟失與精確一次語(yǔ)義（exactly once）處理https：//www.cnblogs.com/listenfwind/p/12207693.htm

[5] 智匯云 MQTT協(xié)議報(bào)文格式解析 2021-11-08