基于大數(shù)據(jù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的飼養(yǎng)場動物健康狀況記錄分析裝置

田松山，黃劍林，馬林，丁朝陽，馬曉花

（西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州，730030）

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，畜牧養(yǎng)殖業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，隨著我國畜牧業(yè)的快速發(fā)展，養(yǎng)殖技術(shù)也隨之在發(fā)生變化。但是通過對于國內(nèi)多家養(yǎng)殖企業(yè)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的養(yǎng)殖企業(yè)并沒有對動物的健康狀況并沒有一個完整的疾病檢測檢測系統(tǒng)，更多的只是對于養(yǎng)殖場內(nèi)環(huán)境的檢測，以及一些自動喂食的系統(tǒng)。

現(xiàn)在我們對于動物的疫病的監(jiān)測及控制更加的重視，對于畜牧產(chǎn)品的信息追蹤要求更加嚴格。而現(xiàn)在在市場上出現(xiàn)的對于飼養(yǎng)場動物健康狀況的自動記錄分析裝置很少，對于牲畜產(chǎn)品的流通過程追蹤系統(tǒng)不夠完善，且價格高昂，局限性較多，對于養(yǎng)殖技術(shù)的推廣和發(fā)展有一定的影響。許多的飼養(yǎng)場沒有系統(tǒng)的免疫程序，不按程序設(shè)防，“重養(yǎng)輕防，輕防重治”的思想意識十分嚴重，而且疫苗保存使用不當、免疫效果低下，這些都容易導(dǎo)致動物疫病傳播，給動物疫病防控帶來隱患。

針對上述問題，本項目設(shè)計出了基于大數(shù)據(jù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的飼養(yǎng)場動物健康狀況記錄分析裝置，利用大數(shù)據(jù)的5V特點：Volume（大量）、Velocity（高速）、Variety（多樣）、Value（低價值密度）、Veracity（真實性），對于大量數(shù)據(jù)的處理分析更加科學(xué)合理，可以更加方便高速快捷真實的實現(xiàn)對于飼養(yǎng)場動物的采食量以及相關(guān)數(shù)據(jù)的分析進而對動物的健康狀況做出最終的記錄和分析，同時依據(jù)現(xiàn)代通信技術(shù)與RFID技術(shù)，實現(xiàn)對于牲畜產(chǎn)品自養(yǎng)殖至屠宰出售全程追蹤，以及牲畜的治療記錄、免疫記錄等等的可視化處理，極大的方便了人們對于牲畜的管理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本項目是基于大數(shù)據(jù)和現(xiàn)代通信技術(shù)而設(shè)計出的飼養(yǎng)場動物健康狀況記錄分析裝置，利用RFID技術(shù)以及舵機模塊、語音識別模塊、按鍵模塊、溫濕度傳感器、顯示屏模塊、紅外測溫傳感器、稱重模塊等組成。各類傳感器模塊對于動物的采食量、體溫、體重等數(shù)據(jù)上傳至云端從而實現(xiàn)對于動物健康狀況的檢測和監(jiān)控，在云端對大量數(shù)據(jù)結(jié)合軟件算法進行處理分析，最終達到可以方便、高速、快捷、準確的實現(xiàn)對于飼養(yǎng)場動物的健康狀況做出判斷并進行記錄和預(yù)警。

本項目的目的是解決現(xiàn)代智能養(yǎng)殖中對于動物健康狀況情況的檢測，涉及了防疫問題、奶牛產(chǎn)量檢測以及對于飼養(yǎng)場環(huán)境條件的檢測，同時還包括牧產(chǎn)品自飼養(yǎng)場至屠宰售賣的全程追蹤，在動物出現(xiàn)問題的第一時間發(fā)出警報，降低了損失，極大的方便了管理者的管理壓力。同時項目具有很好的擴展性，例如對于動物的族譜、出生死亡、以及配種等信息的記錄和統(tǒng)計，可以方便管理者對于動物的數(shù)據(jù)進行詳細處理，更好的促進推現(xiàn)代技術(shù)在養(yǎng)殖業(yè)中的發(fā)展和推廣。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖 1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計及實現(xiàn)

■ 2.1 系統(tǒng)主要功能

本項目主要實現(xiàn)的功能是對于飼養(yǎng)場動物身體健康狀況的檢測以及預(yù)警，同時也具備對于飼養(yǎng)場內(nèi)溫度、濕度、光照強度等的數(shù)據(jù)檢測和報警等功能，并且可以通過云端下發(fā)命令，達到控制風扇、電機等以實現(xiàn)調(diào)節(jié)飼養(yǎng)場內(nèi)部溫度、濕度的功能，系統(tǒng)擴展性較強?？蓭椭曫B(yǎng)人員更好的管理飼養(yǎng)場，減少勞動力消耗，使牧場管理更加便利，促進國內(nèi)養(yǎng)殖技術(shù)的發(fā)展。下面介紹一下本項目的一些主要功能：

（1）飼養(yǎng)場環(huán)境情況檢測，使用各類傳感器獲取飼養(yǎng)場內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳濃度、揮發(fā)性有機化合物濃度等信息，并且可以將信息顯示在本地OLED顯示屏上，同時也可以將數(shù)據(jù)上傳至云端，顯示在網(wǎng)頁上，以供管理人員隨時隨地查看。

（2）體溫體重數(shù)據(jù)檢測，通過紅外測溫模塊和稱重模塊，將動物進食、進水時的體溫體重信息獲取，同時將數(shù)據(jù)及時反饋給飼養(yǎng)者，并且數(shù)據(jù)可及時保存至云端或本地，以便于對于動物的進食情況和健康狀況進行分析，當出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時及時發(fā)出警報，提醒飼養(yǎng)人員。

（3）生長發(fā)育情況，通過對于動物的體重變化以及其年齡、性別等的綜合分析，得出動物的發(fā)育狀況是否正常，同時使用電子標簽，可以將數(shù)據(jù)準確到每一頭動物身上，如果出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，提示工作人員對可能出現(xiàn)問題的動物進行處理。

（4）進食量數(shù)據(jù)，通過動物進食前后的體重變化，得出動物的進食量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)上傳存儲，結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)量不夠，可以從網(wǎng)絡(luò)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)進行輔助分析，當分析數(shù)據(jù)得出異常結(jié)果時及時報警提醒工作人員。

（5）產(chǎn)奶管理，如果是奶牛等動物，在其產(chǎn)奶時，同樣可以使用類似的方法測得每頭奶牛的產(chǎn)奶量，以及每頭奶牛產(chǎn)量的變化趨勢等。

本項目具備很強的擴展性，目前實現(xiàn)的有自動清糞功能，在云端發(fā)送命令給主控芯片，從而控制電機轉(zhuǎn)動，進而帶動刮板將動物的糞便集中到以其，實現(xiàn)自動清糞功能，本項目可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景，修改相對應(yīng)的功能，滿足不同應(yīng)用場合不同的功能需要。

■ 2.2 系統(tǒng)主要硬件

當飼養(yǎng)場動物到達指定地方進食、喝水，使用RFID電子標簽來識別每只動物的身份，這是進行數(shù)據(jù)處理的前提和基礎(chǔ)，通過多種傳感器收集其來回時的體重、體溫、以及在此區(qū)域停留的時間等數(shù)據(jù)，將質(zhì)量產(chǎn)生的重力壓力信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號，這是取得質(zhì)量數(shù)據(jù)的核心內(nèi)容，將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至云端進行存儲。本項目主要硬件：

（1）RFID讀卡器，無線射頻識別即射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID），是自動識別技術(shù)的一種，通過無線射頻方式進行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，利用無線射頻方式對電子標簽進行讀寫，從而達到識別目標和數(shù)據(jù)交換的目的。使用RFID讀卡器識別動物身上電子耳標的身份信息，從而可以獲取每個動物ID，以便于將數(shù)據(jù)進行正確的存儲。

（2）HX711稱重模塊，使用稱重模塊，當動物在指定地方進食進水等，可以獲取動物的體重信息，同動物的身份信息一同上傳至云端。后期可以通過分析動物的體重變化來分析其可能出現(xiàn)疾病或著出現(xiàn)發(fā)育異常等情況，及時提示飼養(yǎng)員進一步確認動物身體是否出現(xiàn)異常并處理異常。

采用問卷調(diào)查的方式對兩組患者進行兩次測評,時間是在進行疼痛護理和疼痛護理干預(yù)之后,兩次測試間隔為15d。

（3）紅外測溫模塊，在對動物的體重信息測量的同時，對于動物的體溫信息也及時測量并上傳，隨時檢測動物的溫度信息，體溫異常及時報警提示飼養(yǎng)者。

（4）DHT11溫濕度檢測模塊，采用此模塊，時刻檢測飼養(yǎng)場內(nèi)部的溫度濕度變化，同時該數(shù)據(jù)時刻更新至云端，并設(shè)置合理的閾值，當結(jié)果超出設(shè)置的閾值時，自動開啟風扇等裝置，及時調(diào)節(jié)飼養(yǎng)場內(nèi)溫濕度。

（5）SGP30環(huán)境質(zhì)量檢測模塊，采用此模塊測量飼養(yǎng)場內(nèi)部的二氧化碳濃度和揮發(fā)性有機化合物濃度，時刻檢測飼養(yǎng)場內(nèi)部環(huán)境溫度。上傳至云端顯示在用戶終端。

（6）ESP8266物聯(lián)網(wǎng)模塊，采用此模塊將傳感器接收的各類數(shù)據(jù)通過路由器發(fā)送至云端，在云平臺上顯示動物的實時的各項數(shù)據(jù)，并且也可以通過此模塊接收云端發(fā)送的數(shù)據(jù)，使得主控芯片控制電機、風扇等實現(xiàn)對應(yīng)的功能。

■ 2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本項目使用12.6V的鋰電池作為電源，整個系統(tǒng)還需要使用到5V電源為MCU以及部分模塊供電、3.3V電源為部分模塊供電。需要使用到兩個可調(diào)降壓模塊使鋰電池電源供來的電壓分為兩種不同大小的電壓以滿足系統(tǒng)需要，保證能夠為MCU及所用到的模塊提供其所需要的電壓是使它們正常工作完成項目需求的前提。

根據(jù)MCU不同I/O口所具有的硬件資源將不同模塊接在合適的I/O口上，以實現(xiàn)硬件資源的合理使用，此外大多數(shù)模塊采用到串口通信，為了滿足模塊能夠?qū)崿F(xiàn)其功能并能夠進行相互間的通信從而滿足項目需要，需要將MCU的串口資源進行分配使其不存在沖突順利完成項目所需要的功能。其中，SGP30環(huán)境質(zhì)量檢測模塊使用USART1，SYN6288語音播報模塊使用USART2，ESP8266模塊使用USART3，RFID讀卡器模塊使用USART4，剩下的串口當作備用。此外MCU的定時器資源也需要合理分配給各個模塊使用。其系統(tǒng)硬件設(shè)計電路原理圖如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計原理圖

■ 2.4 用戶終端

通過網(wǎng)站將數(shù)據(jù)結(jié)果以及分析得出的動物健康狀況展示給使用者，用戶可以使用手機或電腦等終端，隨時隨地登錄網(wǎng)站，查看飼養(yǎng)場的運行狀況，當牲畜可能出現(xiàn)或已經(jīng)出現(xiàn)疾病時及時報警，并準確給出異常牲畜的ID，提醒飼養(yǎng)人員及時處理。也可以遠程發(fā)送指令，控制風扇、電機等的運行。針對不同的用戶，可以根據(jù)用戶的需求調(diào)整顯示的內(nèi)容，定制多種多樣的頁面，從而滿足不同的需求。

我們采用了MQTT通信協(xié)議，首先是通過各類傳感器（溫濕度傳感器，光照傳感器，紅外測溫傳感器等）的數(shù)值，實時上報于對外開放的公共的MQTT服務(wù)器，然后編寫MQTT服務(wù)器對接獲取單片機上傳的信息，接著對數(shù)據(jù)進行下一步的分析，并且在云平臺上定制規(guī)則，下發(fā)到單片機執(zhí)行對應(yīng)的操作。在單片機上使用C語言開發(fā)，獲取傳感器的數(shù)值，然后通過MQTT協(xié)議實時上傳到MQTT的web服務(wù)器，這里我們使用的是阿里云的IoT Studio服務(wù)，同時可以將采集到的數(shù)據(jù)接入阿里云的數(shù)據(jù)庫服務(wù)當中，進行進一步的分析，并最終將結(jié)果展現(xiàn)在網(wǎng)頁上，供用戶使用。

軟件部分的工作流程為：接收數(shù)據(jù)時，對傳感器進行軟件智能化補償校正，這將會提高傳感器精度，接著判斷數(shù)據(jù)是否完成，若沒有完成，則重新進行接收，完成之后，對數(shù)據(jù)進行分類處理，并結(jié)合大數(shù)據(jù)進行分析學(xué)習，一方面利用歷史數(shù)據(jù)對于動物當前數(shù)據(jù)進行分析判斷動物是否可能發(fā)生了疾病，并進一步采集相關(guān)動物的數(shù)據(jù)，以便于得出最終較為準確的結(jié)果，如果出現(xiàn)疾病則報警提醒飼養(yǎng)者。另一方面，由于一次一次的數(shù)據(jù)處理、存檔，系統(tǒng)自身功能也將得到完善和加強，對于動物可能產(chǎn)生的疾病，例如：感冒、消化道疾病、呼吸道疾病等等，動物在患相同的疾病時的一些數(shù)據(jù)會有一些相似的特征，通過這些特征，系統(tǒng)將可以對于動物在某些病癥的早期數(shù)據(jù)進行匹配，從而達到可以預(yù)測該種病癥的發(fā)生，相應(yīng)的可以提前讓用戶做好相應(yīng)的應(yīng)對措施。

同時用戶可隨時自主進行選擇需要顯示的信息，如動物的產(chǎn)奶量變化，體溫體重數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等。監(jiān)測各個方面的具體情況，同時對各項數(shù)據(jù)做出分析判斷，如果出現(xiàn)異常，則報警提醒管理人員處理異常。最后是通過RFID技術(shù)實現(xiàn)對牧產(chǎn)品的全程追蹤，動物的電子耳標標碼是終身攜帶的，通過這個電子標碼可以追溯到這頭牲畜的生產(chǎn)場、收購場、屠宰場、以及銷售流向。這樣如果發(fā)生疫情和畜產(chǎn)品質(zhì)量等問題，即可追蹤（追溯）其來源，分清責任，堵塞漏洞，同時利用標識功能，有利于打擊售賣病死牲畜的一系列參與者，監(jiān)管國內(nèi)畜產(chǎn)品的安全，確保民眾食用到健康的牧產(chǎn)品。其系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計及實現(xiàn)

4 總結(jié)與展望

本項目設(shè)計的“基于大數(shù)據(jù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的飼養(yǎng)場動物健康狀況記錄分析裝置”在模擬的飼養(yǎng)場環(huán)境下，各模塊運行正常，響應(yīng)較快，數(shù)據(jù)上傳及時，可以在網(wǎng)頁端隨時隨地查看飼養(yǎng)場動物的生命體征，以及飼養(yǎng)場的環(huán)境情況，并且可以在網(wǎng)頁端下發(fā)命令控制風扇等的運行，或者通過系統(tǒng)設(shè)置的閾值，當數(shù)據(jù)超出設(shè)置的閾值時自動運行風扇。本項目設(shè)計的該裝置具有一定的使用價值，可以適用于多種動物的養(yǎng)殖，例如牛、羊、豬等，但是功能還不夠完備，比如數(shù)據(jù)處理還有一定的問題，缺少一種較為完美準確判斷出動物的健康狀況的算法，數(shù)據(jù)量較少，對于動物早期疫病數(shù)據(jù)匹配失誤率較高，后期將針對多種動物分別建立對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，提高結(jié)果的準確率。

根據(jù)市場需求，本項目的設(shè)計與實現(xiàn)，可以促進我國規(guī)模養(yǎng)殖場的升級，針對不同規(guī)模以及不同類型的牲畜養(yǎng)殖給出相對應(yīng)的解決方案，擴大其應(yīng)用范圍，提高養(yǎng)殖效率，大大減少勞動力消耗。最終達到從根本上改變現(xiàn)有生產(chǎn)模式，實現(xiàn)資源完全使用，讓中國的畜牧業(yè)變得更加科技化、智能化。