智慧牧場(chǎng)大數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

郗風(fēng)江，張 銳，郭洪飛

(1.內(nèi)蒙古遙感中心有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.天津科技大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222；3.暨南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，廣東 廣州 510632)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的畜牧業(yè)得到了迅速的發(fā)展。但是傳統(tǒng)畜牧業(yè)模式下的牧場(chǎng)管理方式落后，生產(chǎn)效率相對(duì)低下，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，不能切實(shí)地提高其養(yǎng)殖和畜牧的智能管理水平，嚴(yán)重影響到畜牧業(yè)整體發(fā)展。利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)提高牧場(chǎng)的管理水平是亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，現(xiàn)有的研究在牲畜項(xiàng)圈、牲畜定位、電子圍欄、GIS信息平臺(tái)、手機(jī)App等領(lǐng)域取得了較多的成果，但是沒(méi)有針對(duì)綜合草原的牲畜、圈舍、氣象、草場(chǎng)信息因素進(jìn)行牧場(chǎng)決策的大數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)。尤其在當(dāng)今“互聯(lián)網(wǎng)+”的熱潮中，畜牧業(yè)應(yīng)該快速發(fā)展到“互聯(lián)網(wǎng)+”的前沿，充分利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、3S、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、無(wú)線通信技術(shù)、電子技術(shù)等新一代信息技術(shù)，提升畜牧業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理和服務(wù)水平，形成網(wǎng)絡(luò)化、便利化、實(shí)時(shí)化、感知化、物聯(lián)化、智能化、精細(xì)化的現(xiàn)代畜牧業(yè)新模式。

2 主要研究?jī)?nèi)容

針對(duì)目前草原牧場(chǎng)對(duì)牲畜的自動(dòng)化放牧管理以及智慧決策研究不足的需求。對(duì)牲畜實(shí)時(shí)定位等信息采集處理設(shè)備，智能化牧場(chǎng)地理信息系統(tǒng)，面向自動(dòng)化放牧的智慧牧場(chǎng)大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)展開(kāi)研究，主要研發(fā)內(nèi)容，如圖1所示。

2.1 開(kāi)發(fā)牲畜實(shí)時(shí)定位等信息采集處理設(shè)備

設(shè)計(jì)牲畜智能穿戴式項(xiàng)圈，通過(guò)內(nèi)嵌定位、心跳等傳感器可實(shí)時(shí)對(duì)牲畜的追蹤定位、行為狀態(tài)以及生理體征進(jìn)行監(jiān)測(cè)；研發(fā)圈舍、氣象智能網(wǎng)關(guān)，采集圈舍和草場(chǎng)環(huán)境參數(shù)和視頻數(shù)據(jù)，對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)處理，分析識(shí)別牲畜異常行為(疾病防治、傷病報(bào)警等)，并與云服務(wù)器的大數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)軟件交互；研究低功耗、高可靠性無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，設(shè)計(jì)具有快速響應(yīng)的通信時(shí)序以及較低通信數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)格式，降低無(wú)線傳輸時(shí)間，實(shí)現(xiàn)低功耗網(wǎng)絡(luò)。

2.2 構(gòu)建智能化牧場(chǎng)地理信息系統(tǒng)

研究草場(chǎng)高時(shí)空分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的獲取與處理，結(jié)合地面數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)與評(píng)估草原草場(chǎng)土壤水分時(shí)空分布變化規(guī)律，分析云服務(wù)器中草場(chǎng)遙感和牲畜位置數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS系統(tǒng)中的空間實(shí)體數(shù)據(jù)，建立智能化牧場(chǎng)地理信息系統(tǒng)。

2.3 設(shè)計(jì)面向自動(dòng)化放牧的智慧牧場(chǎng)大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)

存儲(chǔ)牲畜、圈舍大數(shù)據(jù)，氣象大數(shù)據(jù)，草場(chǎng)大數(shù)據(jù)，具有以下功能：電子圍欄實(shí)時(shí)預(yù)警、定位監(jiān)控、草場(chǎng)管理、牲畜信息化管理、牲畜健康分析以及大數(shù)據(jù)管理。用人工智能技術(shù)對(duì)自動(dòng)化放牧規(guī)劃，環(huán)境控制，對(duì)牲畜科學(xué)飼養(yǎng)、疾病防治、傷病報(bào)警、野外搶救進(jìn)行決策分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)草場(chǎng)牲畜的自動(dòng)化放牧管理。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線

3.1 牲畜實(shí)時(shí)定位等信息采集處理設(shè)備的研發(fā)

3.1.1 牲畜智能穿戴式項(xiàng)圈研發(fā)。設(shè)計(jì)可佩戴牲畜身上的智能穿戴式項(xiàng)圈，通過(guò)內(nèi)嵌定位、心跳、溫度、陀螺儀和加速度傳感器可實(shí)時(shí)對(duì)牲畜的追蹤定位、行為狀態(tài)以及生理體征進(jìn)行監(jiān)測(cè)。頭羊/牛采用衛(wèi)星/NB-IoT/LoRa多模通信方式，其他牲畜采用NB-IoT/LoRa雙模通信方式，在無(wú)移動(dòng)通信信號(hào)時(shí)，通過(guò)LoRa與頭羊/牛通信后再發(fā)送信息至低軌衛(wèi)星，在有移動(dòng)通信信號(hào)時(shí)，所有牲畜自動(dòng)切換至NB-IoT通信模式。

3.1.2 圈舍和氣象智能網(wǎng)關(guān)研發(fā)。研發(fā)圈舍智能網(wǎng)關(guān)，采集溫濕度、氨氣、光照數(shù)據(jù)等圈舍環(huán)境參數(shù)和視頻數(shù)據(jù)；研發(fā)氣象智能網(wǎng)關(guān)，采集空氣溫度、濕度、光照強(qiáng)度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等氣象環(huán)境參數(shù)、土壤信息和視頻數(shù)據(jù)。在智能網(wǎng)關(guān)的覆蓋范圍內(nèi)牲畜通過(guò)LoRa技術(shù)可將項(xiàng)圈中的位置等信息上傳至圈舍或氣象網(wǎng)關(guān)。在網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行預(yù)處理特別是視頻信號(hào)的深度學(xué)習(xí)處理，對(duì)牲畜異常行為(疾病防治、傷病報(bào)警等)進(jìn)行分析識(shí)別，利用大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)或手機(jī)App軟件控制圈舍門(mén)等設(shè)施狀態(tài)。然后由網(wǎng)關(guān)通過(guò)4G或低軌通信衛(wèi)星方式實(shí)時(shí)與安裝在云服務(wù)器的大數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)平臺(tái)軟件交互。

3.1.3 設(shè)備間低功耗無(wú)線通信協(xié)議研究。針對(duì)牲畜之間的無(wú)線通信，研究低功耗、高可靠性無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中多對(duì)一的情況設(shè)計(jì)了防碰撞處理算法，設(shè)計(jì)具有快速響應(yīng)的通信時(shí)序以及較低通信數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)格式，模塊間采用統(tǒng)一格式，減少程序解析時(shí)間，可以降低無(wú)線傳輸時(shí)間，實(shí)現(xiàn)低功耗網(wǎng)絡(luò)。

3.2 智能化牧場(chǎng)地理信息系統(tǒng)的研究

研究牧草生育期衛(wèi)星數(shù)據(jù)的獲取與處理方法，從相應(yīng)區(qū)域的遙感影像上提取反演得到以下指標(biāo)：植被指數(shù)(NDVI)、地表溫度(LST)，并運(yùn)用Sandholt(2002)等提出的溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)，反演得到研究區(qū)的溫度植被干旱指數(shù)。地面數(shù)據(jù)主要是分析區(qū)草場(chǎng)牧草的植被覆蓋度和土壤水分，定時(shí)生成實(shí)時(shí)圖。研究草場(chǎng)土壤傳感器的分布情況，通過(guò)設(shè)置氣象站和采用空間插值法，測(cè)量空氣溫度、濕度、光照強(qiáng)度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等環(huán)境參數(shù)。將反演得到的TVDI與測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析后，研究區(qū)旱災(zāi)情況的等級(jí)劃分，預(yù)測(cè)與評(píng)估草原草場(chǎng)植被的土壤水分時(shí)空分布變化規(guī)律。利用牲畜項(xiàng)圈中安裝的GPS和北斗雙模技術(shù)定位裝置，在放牧中把采集的位置信息發(fā)送到云服務(wù)器。云服務(wù)器大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)分析草場(chǎng)遙感和牲畜位置數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS系統(tǒng)中的空間實(shí)體數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出智能化牧場(chǎng)地理信息系統(tǒng)，做出智慧決策。

3.3 面向自動(dòng)化放牧的智慧牧場(chǎng)大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)的研究

大數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)包括牲畜、圈舍大數(shù)據(jù)，氣象大數(shù)據(jù)，草場(chǎng)大數(shù)據(jù)，研究人工智能技術(shù)，對(duì)自動(dòng)化放牧進(jìn)行智慧決策分析，實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)的智能化管理。系統(tǒng)包括以下功能：電子圍欄實(shí)時(shí)預(yù)警、定位監(jiān)控、草場(chǎng)管理、牲畜信息化管理、牲畜健康分析以及大數(shù)據(jù)管理。

3.3.1 電子圍欄實(shí)時(shí)預(yù)警。智能項(xiàng)圈的定位功能和電子圍欄技術(shù)相結(jié)合，一旦牲畜活動(dòng)范圍超出特定區(qū)域，則可以發(fā)出報(bào)警信息，使牧民能夠第一時(shí)間進(jìn)行處理。

3.3.2 定位監(jiān)控。通過(guò)智能項(xiàng)圈的定位模塊可以采集牲畜的位置信息，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)送到系統(tǒng)平臺(tái)使牧民能夠容易地了解到各個(gè)牲畜的位置信息，方便對(duì)它們進(jìn)行管理。

3.3.3 草場(chǎng)管理。采集遙感和地理信息系統(tǒng)以及相關(guān)傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析牧場(chǎng)傳感器獲取的土壤和牲畜的信息，以及牧場(chǎng)外獲取的氣象信息。平臺(tái)采用B/S結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器顯示數(shù)據(jù)的功能，牧民可觀察到牧場(chǎng)的地理信息，并可以觀測(cè)各個(gè)傳感器實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)牧民對(duì)牧場(chǎng)的智能化管理。

3.3.4 牲畜信息化管理。通過(guò)對(duì)牲畜佩戴RFID電子耳牌可對(duì)其進(jìn)行信息化管理，將牲畜的體重、年齡、發(fā)情期、配種信息以及種類(lèi)等信息記錄到電子耳牌中，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，方便牧民對(duì)牲畜進(jìn)行管理。

3.3.5 牲畜健康分析。智能項(xiàng)圈的傳感器采集牲畜的生理特征數(shù)據(jù)并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到系統(tǒng)平臺(tái)。通過(guò)采集牲畜的心跳、體溫以及體重來(lái)判斷牲畜的健康狀況。智能項(xiàng)圈嵌有陀螺儀和加速度傳感器對(duì)牲畜的運(yùn)動(dòng)量和動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別。研究特征提取以及濾波等算法對(duì)牲畜異常行為進(jìn)行分析，目的是判斷牲畜的健康狀況以及是否處于發(fā)情期，使牧民能夠?qū)ζ溥M(jìn)行管理。

3.3.6 手機(jī)App軟件。設(shè)計(jì)牧民手機(jī)App軟件，具有查詢牲畜、圈舍、氣象、草場(chǎng)信息，控制圈舍門(mén)等設(shè)施的狀態(tài)以及實(shí)時(shí)獲取牲畜位置、歷史軌跡回看、電子圍欄、實(shí)時(shí)報(bào)警等功能。

3.3.7 大數(shù)據(jù)決策。將相關(guān)傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至中央云服務(wù)器，使傳感數(shù)據(jù)與相關(guān)數(shù)字服務(wù)相結(jié)合，減少成本提高效率。用大數(shù)據(jù)等新技術(shù)來(lái)解決海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和挖掘問(wèn)題，增加對(duì)草原牧場(chǎng)傳感數(shù)據(jù)的應(yīng)用，完成對(duì)突發(fā)事件的早期探測(cè)和監(jiān)控，用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)放牧規(guī)劃、科學(xué)飼養(yǎng)、疾病防治、傷病報(bào)警、野外搶救、環(huán)境控制、牧場(chǎng)可持續(xù)管理等功能，建立一套切實(shí)可行的智慧牧場(chǎng)大數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)平臺(tái)。

4 結(jié)束語(yǔ)

智慧牧場(chǎng)大數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)平臺(tái)已經(jīng)在四子王旗查干補(bǔ)力格蘇木進(jìn)行了測(cè)試，取得了階段性的成果。系統(tǒng)完成并產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用后，可實(shí)現(xiàn)畜牧企業(yè)對(duì)草原牧場(chǎng)的科學(xué)管理，提高管理工作效率，可以大大降低牧場(chǎng)管理成本，理想狀態(tài)下可降低單個(gè)牧場(chǎng)管理成本50%，提高牲畜質(zhì)量，降低死亡率，保證牧場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益，可增加收入25%。同時(shí)也有助于草原牧場(chǎng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)，可發(fā)揮對(duì)畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的支撐作用，實(shí)現(xiàn)牧場(chǎng)建設(shè)的高效、可持續(xù)發(fā)展，從而促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。