基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智能養(yǎng)殖平臺的通信設(shè)計與實現(xiàn)探析

摘要：旨在探討大數(shù)據(jù)技術(shù)下的智能養(yǎng)殖平臺建設(shè)，通過研究與分析平臺設(shè)計與實現(xiàn)，展現(xiàn)平臺應(yīng)用價值。結(jié)合某養(yǎng)豬場案例簡要分析了智能養(yǎng)殖平臺通信功能與整體設(shè)計，首先，簡要分析如何設(shè)計智能化養(yǎng)殖平臺，實現(xiàn)平臺高效應(yīng)用；其次，重點闡述平臺設(shè)計要點，并結(jié)合養(yǎng)殖場示范測試情況明確智能養(yǎng)殖平臺的重要性。測試結(jié)果表明，各個養(yǎng)殖場日常管理更為有序，生豬日常飼喂、防疫管理等管理水平顯著提升。由此可知，構(gòu)建智能養(yǎng)殖平臺對畜牧產(chǎn)業(yè)發(fā)展大有裨益。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)技術(shù)智能養(yǎng)殖平臺通信功能通信設(shè)計與實現(xiàn)

中圖分類號：TP311.1

AnalysisofCommunicationDesignandImplementationofIntelligentFarmingPlatformBasedonBigDataTechnology

MOZhongkaiLIHaiqiang

GuangxiCityVocationalUniversity，Chongzuo，GuangxiZhuangAutonomousRegion，532200China

Abstract：ThispaperaimstoexploretheconstructionofintelligentfarmingplatformunderBigDatatechnology，andshowstheapplicationvalueoftheplatformthroughresearchandanalysisofplatformdesignandimplementation.Thecommunicationfunctionandoveralldesignofintelligentfarmingplatformarebrieflyanalyzedbasedonapigfarmcase.Firstly，itbrieflyanalyzeshowtodesignintelligentfarmingplatformandachieveefficientplatformapplication.Second，itemphasizes thekeypointsofplatformdesign，andclarifiestheimportanceofintelligentfarmingplatformincombinationwiththedemonstrationandtestoffarms.Thetestresultsshowthatthedailymanagementofeachfarmwasmoreorderly，andthemanagementlevelofdailyfeedingofpigsandepidemicpreventionmanagementwassignificantlyimproved.Itcanbeseenthattheconstructionofintelligentfarmingplatformisofgreatbenefittothedevelopmentoflivestockindustry.

KeyWords：BigDatatechnology;Intelligentfarmingplatform;Communicationfunction;Communicationdesignandimplementation

大數(shù)據(jù)技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用逐漸廣泛，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智能化養(yǎng)殖系統(tǒng)既可實現(xiàn)牲畜養(yǎng)殖精細化管理，也可進一步提升養(yǎng)殖效率與養(yǎng)殖質(zhì)量。智能化養(yǎng)殖系統(tǒng)可精確監(jiān)測與控制場內(nèi)現(xiàn)狀，實時查看牲畜生長現(xiàn)狀，一旦發(fā)現(xiàn)異常即可發(fā)出預(yù)警，養(yǎng)殖人員可及時針對牲畜異常癥狀判斷是否患得疾病，防止病菌擴散影響其他健康牲畜。

1智能養(yǎng)殖平臺通信功能分析

為提高某豬場養(yǎng)殖管理水平，相關(guān)人員需要引進智能養(yǎng)殖平臺通信，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)科學(xué)管理。基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智能養(yǎng)殖平臺通信功能包含以下幾類內(nèi)容。

（1）數(shù)據(jù)收集[1]。如收集豬群疫苗注射情況、進場豬群健康情況等。（2）無縫通信。也被稱為“全IP通信”，通信系統(tǒng)可根據(jù)用戶需求不斷切換網(wǎng)絡(luò)，管理者在切換網(wǎng)絡(luò)時基本感覺不到卡頓等現(xiàn)象，即實現(xiàn)了無縫連接另外一個網(wǎng)絡(luò)。日常管理豬場豬群過程中，管理者也可省去后顧之憂（網(wǎng)絡(luò)不通暢造成系統(tǒng)運行故障，無法實時查看豬群生長情況等），全方位無時限完成智能管理。（3）遠程監(jiān)控。該功能可保證養(yǎng)豬場工作人員實現(xiàn)遠距離監(jiān)控，利用安卓/IOS收集、計算機、平板等電子產(chǎn)品全面掌握豬場內(nèi)部情況，通過查看豬群養(yǎng)殖可視化信息，允許主動干預(yù)與生產(chǎn)力的有效提升。

2智能養(yǎng)殖平臺通信整體設(shè)計

2.1平臺應(yīng)用需求分析

設(shè)計智能化養(yǎng)殖平臺前，必須全面分析養(yǎng)豬場實際需求。畜牧產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程中，因技術(shù)融合差造成產(chǎn)業(yè)管理方式落后混亂，使產(chǎn)業(yè)核心競爭力逐步下降，不利于產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。因此，在建設(shè)養(yǎng)豬場智能養(yǎng)殖平臺前，養(yǎng)殖人員需要先了解場地管理需求，以保證平臺建設(shè)的科學(xué)性與合理性。

由于豬產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，且其轉(zhuǎn)型速度較為緩慢，可將物聯(lián)網(wǎng)與計算機技術(shù)高度融合于平臺建設(shè)中，結(jié)合豬場養(yǎng)殖情況構(gòu)建完善的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)信息資源庫。針對養(yǎng)殖過程中生成的多源數(shù)據(jù)信息完善平臺內(nèi)容。建立多個管理平臺，以便養(yǎng)殖人員快速查看相關(guān)信息，實時掌握豬只生長情況。

（1）檔案管理平臺。該平臺主要存儲豬只信息，養(yǎng)殖人員可在該功能處查看豬只養(yǎng)殖詳細信息，如入場時間、品種等；（2）防疫管理平臺。統(tǒng)計記錄豬只疫苗接種數(shù)據(jù)，養(yǎng)殖人員可定期查看疫苗注射情況，保證疫苗注射的穩(wěn)定性與有序性；（3）育種管理平臺。該管理平臺主要記錄豬只育種配種全過程數(shù)據(jù)信息，養(yǎng)殖人員可在育種時查看相關(guān)信息，以提高豬只繁殖率，為養(yǎng)殖場創(chuàng)收更為可觀的經(jīng)濟效益；（4）環(huán)境管理平臺[2]。該管理平臺主要對豬廄內(nèi)部環(huán)境指標進行實時監(jiān)測，養(yǎng)殖人員可以根據(jù)數(shù)據(jù)信息反饋內(nèi)容了解環(huán)境管理情況，針對性制定管理整改計劃，以保證豬廄干凈整潔；（5）行為管理平臺。該管理平臺可利用AI監(jiān)控設(shè)備完成高效管理，對豬場不同區(qū)域的豬只行為進行全方位監(jiān)測，如發(fā)生異常行為，云視頻平臺會發(fā)出預(yù)警，通過實時報警提醒養(yǎng)殖人員豬只異常。該功能可有效避免養(yǎng)豬場豬只大批量患病，保證豬只健康的同時減少不必要成本支出。

2.2平臺架構(gòu)設(shè)計

結(jié)合豬只養(yǎng)殖需求設(shè)計幾個智能養(yǎng)殖平臺的板塊。

2.2.1設(shè)備層

采集網(wǎng)絡(luò)渠道可分為3類：全覆蓋養(yǎng)殖大數(shù)據(jù)、立體化養(yǎng)殖大數(shù)據(jù)以及人機協(xié)同。數(shù)據(jù)采集豬只個體數(shù)據(jù)、環(huán)境指標、馴豬信息等。其中，環(huán)境數(shù)據(jù)采集主要利用智能傳感器完成；豬只行為采集主要利用AI攝像頭完成；豬只不同生理指標主要利用穿戴式設(shè)備完成；豬只基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要利用移動終端收集完成。

2.2.2數(shù)據(jù)層

該智能養(yǎng)殖平臺通過采集豬只養(yǎng)殖全過程信息，構(gòu)建分類存儲數(shù)據(jù)庫，為平臺建設(shè)提供真實可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[3]。采用無線網(wǎng)絡(luò)或者5G網(wǎng)絡(luò)，快速傳輸養(yǎng)豬場全域物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)匯聚為多源異構(gòu)養(yǎng)殖資源，屬性可為結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化，收集至平臺后再分類至不同大數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)庫。關(guān)于豬只養(yǎng)殖數(shù)據(jù)的類別可分為三類：第一類為“基礎(chǔ)”，也即豬只基礎(chǔ)信息，如豬只姓名、芯片號碼、豬只品種、豬只性別、豬只血統(tǒng)等，在移動端處錄入豬只基礎(chǔ)信息；第二類為“動態(tài)”，也即豬只行為動態(tài)信息，采用傳感器、穿戴式設(shè)備以及移動端信息實時錄入；第三類為“預(yù)警”，也即預(yù)警豬只異常行為。采用常規(guī)氣體監(jiān)測傳感器和AI監(jiān)控攝像頭收集數(shù)據(jù)：濕度、氨氣、光照、豬只日常行為等。

2.2.3數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層主要針對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行處理與清洗，以保證智能養(yǎng)殖平臺數(shù)據(jù)真實可靠。數(shù)據(jù)清洗與處理內(nèi)容如下。

第一，數(shù)據(jù)去重。基于排序去重方法，對數(shù)據(jù)集合數(shù)據(jù)進行排序，之后確定相鄰數(shù)據(jù)是否一致。如數(shù)據(jù)相同，則代表其為重復(fù)數(shù)據(jù)，可使用去重處理功能處理數(shù)據(jù)；第二，異常值處理。該環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)處理方法為Z-Score，通過集合計算數(shù)據(jù)，得出數(shù)據(jù)與均值差值。用差值除以數(shù)據(jù)集合標準差算出Z-Score數(shù)值。如最終數(shù)值大于某一閾值，則代表數(shù)據(jù)異常，可處理該數(shù)據(jù)；第三，數(shù)據(jù)格式化。該項數(shù)據(jù)功能主要分為多種格式化內(nèi)容：數(shù)字、日期、時間、百分比、文本以及自定義。

對養(yǎng)豬場豬只數(shù)據(jù)進行清洗與處理后，可將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)存儲與管理系統(tǒng)。利用數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘功能，完成不同階段的數(shù)據(jù)處理：（1）聚類分析；（2）趨勢預(yù)測；（3）決策分類；（4）模式識別。通過數(shù)據(jù)分析與挖掘，建立4個數(shù)據(jù)庫如下。

第一，基本信息數(shù)據(jù)庫。主要用來存儲豬只基礎(chǔ)信息。第二，防疫管理與育種管理數(shù)據(jù)。主要用來存儲日常防疫與日常飼喂信息。第三，豬只行為數(shù)據(jù)庫。主要用來存儲豬只日常動態(tài)數(shù)據(jù)。第四，養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)庫。主要用來存儲養(yǎng)殖場內(nèi)部情況（如豬廄基礎(chǔ)設(shè)施是否可正常使用等）數(shù)據(jù)。

2.2.4應(yīng)用層

智能養(yǎng)殖平臺應(yīng)用層基礎(chǔ)為處理層形成的數(shù)據(jù)，其建設(shè)目標為養(yǎng)豬場多樣化需求。結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)內(nèi)容，為數(shù)據(jù)驅(qū)動智能決策提供可靠支持。創(chuàng)建多個應(yīng)用工具，如用戶應(yīng)用工具、儀表板工具以及可視化工具，為養(yǎng)豬場養(yǎng)殖人員制訂更具個性化與針對性的養(yǎng)殖計劃[4]。平臺可根據(jù)資源預(yù)測市場需求，生成數(shù)據(jù)報告以供參考。大數(shù)據(jù)可視化平臺中的信息管理系統(tǒng)可高效管理養(yǎng)豬場，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)則可實時監(jiān)測養(yǎng)豬場內(nèi)部豬只行為，實現(xiàn)一級監(jiān)測。

3智能養(yǎng)殖平臺通信設(shè)計要點

3.1硬件設(shè)計

硬件設(shè)計可分4個模塊，具體敘述如下。

（1）傳感器節(jié)點。傳感器主要用來采集養(yǎng)殖環(huán)境中的不同數(shù)據(jù)指標，如豬只飼喂數(shù)據(jù)、豬只日常行為數(shù)據(jù)。使用不同類型的傳感器，可滿足不同數(shù)據(jù)采集需求。（2）網(wǎng)絡(luò)通信模塊。主要傳輸傳感器節(jié)點收集信息，通信形式包含Wi-Fi/LoRaWAN/NB-IoT等。（3）中央控制中心。主要接收、存儲以及處理數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)內(nèi)容來源為處理傳感器。收集數(shù)據(jù)還可實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)支持功能。（4）數(shù)據(jù)可視化界面。利用圖表和報表處理分析數(shù)據(jù)，并將其展示給養(yǎng)殖場工作人員，幫助用戶了解養(yǎng)殖環(huán)境變化趨勢與變化狀態(tài)。

3.2通信接口模塊設(shè)計

利用ARM+FPGA架構(gòu)在芯片內(nèi)搭建千兆以太網(wǎng)模塊，傳輸速度主要可分為兩種：一種為640Mb/s；另外一種為870Mb/s。利用FSMC總線完成芯片間通信功能，發(fā)揮ARM在控制方面以及FPGA擴展與處理優(yōu)勢，構(gòu)建智能養(yǎng)殖平臺通信接口模塊。外部數(shù)據(jù)可從千兆網(wǎng)口進入FPGA解包，利用FSMC總線傳輸至ARM處理信息，下行數(shù)據(jù)主要從ARM渠道發(fā)出，在FSMC總線進入FPGA中打包，結(jié)合命令從相應(yīng)通道向外發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.3消息隊列設(shè)計

消息隊列屬于存放消息的容器，養(yǎng)豬場養(yǎng)殖人員在使用所需數(shù)據(jù)時可在平臺中找到相關(guān)信息，作為豬場管理決策參考依據(jù)。在智能養(yǎng)殖平臺中設(shè)計消息隊列，既可提高系統(tǒng)性能，也可降低系統(tǒng)耦合性。建立消息傳遞模型與消息排隊模型，在分布式環(huán)境下提供多種功能：應(yīng)用解耦功能、冗余存儲功能、彈性伸縮功能、流量削峰功能、異步通信功能、數(shù)據(jù)同步功能等，作為分布式系統(tǒng)架構(gòu)中的重要組件，設(shè)計時可結(jié)合實際應(yīng)用需求，選擇合適的消息隊列模式。平臺建立可使用Redis列表，將需要延后處理的結(jié)構(gòu)體系按照順序化成字符串形成列表。另外一個線程可從列表輪詢數(shù)據(jù)中處理。如需要將一份消息數(shù)據(jù)發(fā)送給多個接收者，可創(chuàng)建單獨隊列多份發(fā)送，但該方法空間占據(jù)過大，可利用“發(fā)布—訂閱”模型快速發(fā)送所需數(shù)據(jù)信息?；凇鞍l(fā)布—訂閱”模型，存放數(shù)據(jù)消息的容器變成主題，訂閱者接收消息之前必須訂閱該主題，以該種形式收取全量信息。

3.4通信協(xié)議設(shè)計

設(shè)計智能養(yǎng)殖平臺的核心要求為解析效率、可擴展與可升級。設(shè)計細節(jié)分為五類：數(shù)據(jù)幀完整性判斷、序列化和反序列化、協(xié)議升級與兼容性、協(xié)議安全以及數(shù)據(jù)壓縮。協(xié)議設(shè)計目標如下。

（1）解析效率。基于高并發(fā)場景，可確定使用協(xié)議CPU成本。（2）編碼長度?？纱_定協(xié)議網(wǎng)絡(luò)帶寬與存儲成本。（3）容易實現(xiàn)。滿足協(xié)議需求即可；（4）可讀性。確定使用協(xié)議的調(diào)試和維護成本。（5）兼容性。協(xié)議可升級，明確使用協(xié)議的雙方是否可完成獨立升級或增減協(xié)議字段。（6）跨平臺語言。協(xié)議使用任何語言完成。使用Windows時用C++；使用Web時用Js。（7）安全可靠。防止養(yǎng)殖數(shù)據(jù)信息泄露。協(xié)議設(shè)計時，應(yīng)注重消息邊界內(nèi)容，明確方式界定消息邊界；開展版本區(qū)分，明確版本號擺放位置；合理區(qū)分消息類型，對應(yīng)不同業(yè)務(wù)設(shè)計，如豬群基本信息、豬只行為等。

4智能養(yǎng)殖平臺通信設(shè)計實現(xiàn)測試

引進該智能養(yǎng)殖平臺前，提前測試其應(yīng)用效果，實現(xiàn)全平臺應(yīng)用。試行以來該平臺運行穩(wěn)定，可滿足養(yǎng)豬場業(yè)務(wù)需求。根據(jù)平臺設(shè)計要求與應(yīng)用指標，開發(fā)完成不同功能：第一，專家以及技術(shù)人才庫與養(yǎng)殖場（戶）信息庫；第二，大數(shù)據(jù)采集與管理平臺；第三，生豬及其產(chǎn)品交易電商微信端；第四，手機端（WAP版）服務(wù)平臺等技術(shù)指標。

平臺示范應(yīng)用時間為5個月，選擇49戶養(yǎng)殖場作為平臺測試示范基地。通過平臺測試采集服務(wù)效能數(shù)據(jù)。母豬飼喂場共有21戶，育肥豬養(yǎng)殖場共有28戶，覆蓋生豬總存欄達到17834頭[5]。智能養(yǎng)殖平臺示范應(yīng)用期間，共有15名畜牧專家可提供在線服務(wù)，養(yǎng)殖戶遇到養(yǎng)殖問題時可實施在線咨詢，以防止生豬出欄率下降。利用平臺管理工具錄入生豬養(yǎng)殖日常信息，即可自動處理數(shù)據(jù)，同時針對生豬生產(chǎn)周期與邏輯生成生豬養(yǎng)殖關(guān)鍵節(jié)點信息。養(yǎng)殖戶可在該平臺提醒養(yǎng)殖戶及時執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)，如母豬生產(chǎn)分娩時間、防疫管理等。位于一線的養(yǎng)殖人員需要利用該平臺管理數(shù)據(jù)錄入生豬信息，待其生成任務(wù)單后及時提醒養(yǎng)殖人員在規(guī)定時間內(nèi)完成養(yǎng)殖任務(wù)。主要養(yǎng)殖任務(wù)可分為分娩任務(wù)、斷奶任務(wù)、防疫任務(wù)、出欄任務(wù)以及消毒任務(wù)5種。提醒注意事項：生豬耳牌及其欄位信息、任務(wù)事項以及任務(wù)完成時限。示范應(yīng)用養(yǎng)殖場在該平臺下成為智慧牧場，其生豬全流程管理與疫病處理能力也會隨之發(fā)生變化。

智能養(yǎng)殖平臺測試應(yīng)用結(jié)果表明，各個養(yǎng)殖場日常管理更為有序，生豬日常飼喂、防疫管理等管理水平顯著提升。

5結(jié)語：

大數(shù)據(jù)時代下的智能養(yǎng)殖平臺構(gòu)建可促進養(yǎng)殖場實現(xiàn)高效管理，養(yǎng)殖場應(yīng)積極引進智能養(yǎng)殖平臺提高飼喂管理水平。在日常應(yīng)用中，結(jié)合養(yǎng)殖場規(guī)模大小與實際需求更新與優(yōu)化系統(tǒng)平臺，在實現(xiàn)平臺建設(shè)應(yīng)用價值。技術(shù)加持下，不斷強化養(yǎng)殖場內(nèi)部管理，促進經(jīng)濟效益的進一步增長。

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