傳感器技術(shù)在智能養(yǎng)豬中的應(yīng)用研究＊

周 波 ， 周華茂 ， 楊衛(wèi)平 ， 劉仁鑫 ， 張 凱

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江西 南昌 330045；2.江西增鑫科技股份有限公司，江西 新余 338000）

0 引言

目前，工廠規(guī)模化養(yǎng)豬分為機(jī)械化、信息化、智能化三個(gè)發(fā)展階段，我國工廠規(guī)模化生豬養(yǎng)殖正經(jīng)歷由機(jī)械化向信息化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段[1]。隨著生豬養(yǎng)殖規(guī)模和數(shù)量的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)人工監(jiān)測豬舍內(nèi)部環(huán)境、豬只健康和行為的方式將耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，且不能得到精確的監(jiān)測結(jié)果，還會(huì)容易造成人畜疫病的交叉感染[2-3]。現(xiàn)代智能養(yǎng)豬可解決上述問題，它是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新型信息技術(shù)在養(yǎng)豬行業(yè)上的整合，在信息采集、信息處理與分析決策等階段結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)能力，使得各數(shù)據(jù)信息之間相互連接，形成高度協(xié)調(diào)的自動(dòng)化處理系統(tǒng)，分析決策階段機(jī)器模擬人的大腦思維進(jìn)行智能管理[1]。

傳感器技術(shù)作為信息采集與處理的有效輔助技術(shù)，是支撐未來智能養(yǎng)豬行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展和生豬養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大，在智能養(yǎng)豬領(lǐng)域，傳感器技術(shù)已經(jīng)顯現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。筆者介紹了傳感器技術(shù)在豬舍環(huán)境監(jiān)控、體溫監(jiān)測、豬只行為識別等方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，討論了傳感器技術(shù)在智能養(yǎng)豬應(yīng)用過程中存在的問題，并提出相應(yīng)的解決辦法。以期為傳感器技術(shù)在智慧養(yǎng)豬行業(yè)中的應(yīng)用提供借鑒與參考，促進(jìn)養(yǎng)豬業(yè)的智能化發(fā)展。

1 豬舍環(huán)境監(jiān)控

隨著生豬養(yǎng)殖模式向集約化、精細(xì)化方向發(fā)展，豬舍的環(huán)境控制受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注[4]。豬舍環(huán)境的好壞，對豬只疾病的傳染、豬只生長福利等有著重要的影響。早期豬舍環(huán)境的控制方法還停留在人工控制階段，豬舍內(nèi)的溫度和濕度的調(diào)節(jié)需要人工頻繁地開啟通風(fēng)和供暖設(shè)備，從而使豬舍環(huán)境達(dá)到要求[5]。但這種控制方法不僅增加成本，而且對豬舍環(huán)境的控制效果也會(huì)有很大的影響。近年來，隨著電子信息技術(shù)、傳感器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，智能化豬場已經(jīng)利用傳感器技術(shù)對豬舍環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，進(jìn)一步提高了豬舍環(huán)境監(jiān)控的自動(dòng)化水平[6]，使得豬只處于適宜的生長環(huán)境中，減少豬只疾病傳染，提高豬只福利。

豬舍環(huán)境監(jiān)控已經(jīng)逐步應(yīng)用于大型養(yǎng)殖場建設(shè)中，豬舍環(huán)境信息監(jiān)測基于傳感器技術(shù)，對豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，是豬舍環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控的基礎(chǔ)和支撐[7]。影響豬舍環(huán)境的主要因素有溫度、濕度、PM2.5、硫化氫和氨氣等。李理等[5]提出將溫度和濕度傳感器應(yīng)用于生豬養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測過程中。設(shè)計(jì)出基于無線傳感器豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，傳感器將豬舍的溫度與濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并發(fā)送至服務(wù)器。后臺(tái)服務(wù)器對采集到的溫濕度信息進(jìn)行處理，并根據(jù)處理結(jié)果發(fā)布指令調(diào)節(jié)豬舍內(nèi)溫濕度，最終使得豬只處于適宜的生長環(huán)境。王斌等[8]使用溫度、濕度和氨氣傳感器監(jiān)測豬舍環(huán)境，并基于上述環(huán)境參數(shù)，設(shè)計(jì)出一套豬舍環(huán)境監(jiān)測和清潔控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能監(jiān)測多區(qū)域豬舍環(huán)境參數(shù)，還能自動(dòng)調(diào)節(jié)豬舍溫濕度及清理糞便。

然而，傳感器技術(shù)用于監(jiān)測豬舍環(huán)境時(shí)存在著不足，例如豬舍內(nèi)的有害氣體對傳感器具有腐蝕性，需要對傳感器進(jìn)行防腐處理，要考慮對測量精度的影響。不同安裝位置的傳感器對數(shù)據(jù)采集也有偏差，因此，需要在豬舍進(jìn)行多點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。當(dāng)對豬舍環(huán)境提出更高要求時(shí)，需要利用不同類型的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，它們采集的數(shù)據(jù)互不影響，但會(huì)導(dǎo)致工作量的增加，也割斷各個(gè)傳感器之間的信息聯(lián)系，這時(shí)需要采用融合算法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，準(zhǔn)確地得到豬舍環(huán)境的參數(shù)。

2 豬只體溫監(jiān)測

豬只養(yǎng)殖過程中，豬只的健康情況備受關(guān)注，其中體溫是判斷豬只健康狀況的重要指標(biāo)之一，準(zhǔn)確獲取體溫?cái)?shù)據(jù)成為疾病診斷的關(guān)鍵性問題。由于疾病及環(huán)境等因素會(huì)導(dǎo)致豬只體溫出現(xiàn)異常，若沒有發(fā)現(xiàn)并及時(shí)治療，不僅會(huì)危害到豬只自身健康，同時(shí)也會(huì)影響同舍豬只的健康與生長。Hentzen等[9]設(shè)計(jì)出一款膠囊狀溫度傳感器，傳感器需要放入小豬體內(nèi)，在豬欄附近安裝體溫采集器，當(dāng)小豬路過信號接收區(qū)時(shí)，可以監(jiān)測到小豬的體溫，但是該方法需要對小豬手術(shù)，且費(fèi)用成本高。王龍等[10]采用了數(shù)字溫度傳感器對豬只的不同部位溫度進(jìn)行測量，并將采集到的溫度信息傳輸至后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)與分析，可以對各個(gè)豬只的體溫進(jìn)行查看。采用接觸式傳感器對豬只進(jìn)行體溫測量容易引起豬只啃咬等應(yīng)激反應(yīng)，會(huì)對豬只生長和傳感器壽命產(chǎn)生一定的影響。柏廣宇等[11]采用非接觸紅外傳感器對豬只體溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，將紅外溫度傳感器放置在限位欄兩端，數(shù)據(jù)采集完成后，利用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器，后臺(tái)服務(wù)器對采集到的體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析與判斷，進(jìn)而獲取豬只的健康狀況。盛顯超[12]結(jié)合耳標(biāo)溫度監(jiān)測與直腸溫度監(jiān)測，設(shè)計(jì)出能更精準(zhǔn)獲取豬只體溫的報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可對體溫異常的豬只進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，還可實(shí)時(shí)監(jiān)測豬只體溫，將豬只體溫信息上傳云平臺(tái)，飼養(yǎng)人員也可以利用手機(jī)對豬只體溫進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。

傳感器技術(shù)在監(jiān)測豬只體溫時(shí)也存在局限性，當(dāng)貼耳式體溫傳感器裝在生豬身上時(shí)，容易引起豬只應(yīng)激反應(yīng)，影響豬只生長，且會(huì)對傳感器的使用壽命造成影響。使用紅外傳感器進(jìn)行體溫測量時(shí)，傳感器安裝在固定位置，由于豬只在不斷移動(dòng)，且姿勢可能發(fā)生變化，測量的部位不同均會(huì)導(dǎo)致測量的體溫出現(xiàn)誤差，這時(shí)需多位置布置傳感器進(jìn)行體溫?cái)?shù)據(jù)采集。傳感器技術(shù)在生豬養(yǎng)殖中的應(yīng)用存在時(shí)間延遲，時(shí)效性不強(qiáng)，從傳感器測得生豬體溫?cái)?shù)據(jù)到后臺(tái)服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)需要一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，無法實(shí)時(shí)查看各豬只的體溫信息，需要對無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。另外，現(xiàn)代生豬養(yǎng)殖飼養(yǎng)規(guī)模大，利用傳感器技術(shù)對生豬進(jìn)行體溫監(jiān)測需要大量傳感器，成本增加，管理難度大，難以大規(guī)模應(yīng)用。未來利用傳感器技術(shù)對豬只進(jìn)行體溫監(jiān)測應(yīng)具備成本低、結(jié)構(gòu)簡單、便于大規(guī)模應(yīng)用等特點(diǎn)。

3 豬只行為識別

豬只行為是反映豬只健康狀況的重要表現(xiàn)之一。高效準(zhǔn)確地監(jiān)測、分析出豬只行為能夠了解豬只健康和福利情況。及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常豬只，對疾病預(yù)防、降低養(yǎng)豬場損失與提高豬只福利有著重要意義。Traulsen等[13]使用耳貼式加速度傳感器對母豬的加速度進(jìn)行采集，設(shè)計(jì)出基于加速度傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)在100米范圍內(nèi)可以實(shí)時(shí)上傳豬只加速度數(shù)據(jù)至后臺(tái)服務(wù)器，服務(wù)器對該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)處理結(jié)果判別母豬處于進(jìn)食、平走、翻滾、平臥或側(cè)臥等狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)豬只行為識別。該系統(tǒng)不僅能夠?qū)δ肛i的日常行為進(jìn)行分析與識別，還可對母豬的發(fā)情與產(chǎn)仔等行為進(jìn)行監(jiān)測，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。李頎等[14]針對目前單一類型傳感器對生豬行為識別率不高的問題，提出一種多類型傳感器的豬只行為識別系統(tǒng)。通過豬舍的聲音傳感器與豬只佩戴加速度傳感器，利用支持向量機(jī)算法對采集到的聲音與運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行處理，進(jìn)而辨別出豬只行為。然后利用無線網(wǎng)絡(luò)將識別結(jié)果送入數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)將豬只實(shí)時(shí)的行為狀態(tài)顯示在前端界面上。該系統(tǒng)將聲音與運(yùn)動(dòng)特征兩種信息結(jié)合起來，能夠更精確地辨識出豬只進(jìn)食、飲水和咳嗽等行為，利用采集到的數(shù)據(jù)，分析并獲取豬只的日常行為習(xí)慣，幫助養(yǎng)殖企業(yè)掌握豬只日常行為規(guī)律，合理地分配資源，提高豬場管理效率。

傳感器技術(shù)在識別豬只行為時(shí)同樣存在一些問題。加速度傳感器需要固定在豬只脖子或腿上，豬只的不斷移動(dòng)和豬群體之間相互摩擦容易導(dǎo)致傳感器磨損，影響數(shù)據(jù)的精確性。且豬只生長周期一般為4個(gè)月，需要不停更換適配傳感器，頻繁地人工介入會(huì)讓生豬產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，影響豬只生長。傳感器技術(shù)可以完成對豬只行為識別，但無法對豬只的行為習(xí)慣全面分析，今后可采用大數(shù)據(jù)分析方法，建立豬只日常行為模型[15]，掌握豬只不同時(shí)刻、不同季節(jié)的行為習(xí)慣，從而根據(jù)豬只不同特性，合理地分配資源，降低企業(yè)成本。另外，不同學(xué)者研究豬只行為分類沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。豬只行為特征的定義，對復(fù)合動(dòng)作的處理，保證度量值的標(biāo)準(zhǔn)，都是目前急需解決的問題。

4 其他

隨著現(xiàn)代養(yǎng)豬場規(guī)模越來越大，傳感器技術(shù)在智能養(yǎng)豬行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛。胡振楠等[16-17]基于傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)出豬舍刮糞板運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)，在人工監(jiān)測不到的情況下運(yùn)用加速度傳感器獲取刮糞板工作時(shí)的俯仰角，并將其與正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的俯仰角進(jìn)行對比，可以精準(zhǔn)識別出運(yùn)行故障并及時(shí)反饋給工作人員，提高刮糞板的運(yùn)行效率和使用壽命。

同時(shí)利用傳感器技術(shù)可以無接觸地對豬只體重進(jìn)行測量，減少豬只應(yīng)激反應(yīng)，工作人員也可以及時(shí)了解豬只的生長情況。除此之外，傳感器技術(shù)能夠?qū)ωi只每天飲水量和飲水時(shí)長進(jìn)行監(jiān)測，準(zhǔn)確監(jiān)測飲水?dāng)?shù)據(jù)可以為豬只早期疾病診斷提供依據(jù)，有效降低疾病傳播風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

傳感器技術(shù)在智能養(yǎng)豬中的應(yīng)用大多數(shù)還處于探索階段。目前在實(shí)際應(yīng)用中，相關(guān)傳感器設(shè)備存在價(jià)格偏高、性價(jià)比低、大規(guī)模部署困難等問題。此外，豬場內(nèi)蚊蟲多、濕度大、粉塵多等其他不利環(huán)境因素都會(huì)影響傳感器性能的正常發(fā)揮，長期暴露在不利環(huán)境中，大大影響其使用壽命，頻繁更換傳感器設(shè)備導(dǎo)致護(hù)理維修成本提高，增加養(yǎng)殖企業(yè)生產(chǎn)成本。但可以預(yù)見，隨著傳感器技術(shù)不斷發(fā)展與生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的深度融合，傳感器技術(shù)將為智慧養(yǎng)豬行業(yè)帶來一場巨大的變革。