“治理過目，智慧畜牧”高效養(yǎng)殖系統(tǒng)設計

王永貴 康佳偉 栗偉 馮騰超 孫萍 韓顏

摘 要：開發(fā)智能牧場畜牧業(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。為了解決這些問題，我們使用了現(xiàn)代數(shù)字技術，它允許在一個動態(tài)變化的環(huán)境中進行分析和決策。農(nóng)業(yè)正成為物聯(lián)網(wǎng)、CPS（網(wǎng)絡-物理系統(tǒng)）和CPSS（網(wǎng)絡-物理-社會系統(tǒng)）的相關領域。這三種相互關聯(lián)的技術為智能化技術和精準農(nóng)業(yè)建立基礎設施提供了各種機會。物聯(lián)網(wǎng)采用了主動對象的統(tǒng)一動態(tài)環(huán)境的概念，能夠發(fā)現(xiàn)和解釋環(huán)境的特征，交換和訪問信息，或作為更復雜的服務的組件參與。

關鍵詞：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)量的基本基礎是支持技術和管理流程的自動化管理的智能系統(tǒng)。在人工智能的幫助下，可以分析該領域的各種參數(shù)，完善必要的護理活動，監(jiān)測天氣狀況，預測產(chǎn)量的數(shù)量和質(zhì)量等。分析的一個基本因素是知識的提取和智能手段的應用。這是可能的，因為有可能進行自動監(jiān)測，收集足夠的數(shù)據(jù)，并在其上應用適當?shù)臋C器學習算法，以便采取適當?shù)男袆印Ｓ谑俏覀冮_始研發(fā)智能畜牧系統(tǒng)：

1.基本系統(tǒng)

繁育系譜：對牲畜的繁殖關系進行系譜匯總，方便觀測遺傳病并且對良種進行統(tǒng)計，方便后續(xù)牲畜的繁育。

牲畜編碼：對所有牲畜進行個體編碼定位，方便飼養(yǎng)員識別定位找尋，并在編碼上對牲畜系譜進行歸類整理。

羊群監(jiān)控：采取實時360°無死角監(jiān)控，對牲畜活動進行實時監(jiān)控，對牲畜打斗等現(xiàn)象及時報警反饋，并且會綜合多方面因素判定牲畜疾病、流感、發(fā)情等情況進行數(shù)據(jù)整理。

數(shù)據(jù)匯總：自動收集牲畜每日平均進食量和個體進食量比較繪制統(tǒng)計圖表，并將不正常飲食牲畜的編碼及時反饋，收集溫度、濕度、CO2、光照、氨氮濃度等數(shù)據(jù)進行儲存與分析，并實時反饋。

2.生活系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測控制：我們將進行定期的檢測采樣，采樣時間為牲畜引入前、進入隔離區(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;樣品從采集到檢測時間間隔五小時為宜。同時我們將進行重點的自動嚴格的監(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)：我們將對牲畜日常活動區(qū)域設置坡度并安裝水平高壓沖水，并安裝下水系統(tǒng)，實現(xiàn)每日清理排泄物。我們還會定期地安排專業(yè)人士對殘留物進行專門清理及消毒。

個體檢測系統(tǒng)：我們會定期對牲畜聲音、體重、體溫進行統(tǒng)計與大數(shù)據(jù)分析;及時對動物發(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畜牧場實時監(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)計表，方便管理者的日常開支計算，成本統(tǒng)計等。

進食量大數(shù)據(jù)統(tǒng)計：對所飼養(yǎng)的該類牲畜進行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，提供給飼養(yǎng)員參考，并對飼養(yǎng)牲畜每日進食進行統(tǒng)計匯總表格。

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

二、智能畜牧系統(tǒng)的技術壁壘

1.智能系統(tǒng)的基礎設施模型

（1）傳感器層-由設備（傳感器組）、傳感器和基于LoRa網(wǎng)絡的信息傳輸網(wǎng)絡組件（LoRa網(wǎng)關）組成。。監(jiān)測牧場狀況的裝置和監(jiān)測位于各自牧場上的牛的行為的裝置。

（2）本地層-包括一個用于管理傳感器和服務器層-MQTT代理之間的通信流的組件。MQTT用于LoRa網(wǎng)關之間的通信協(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)上的后端服務器進行監(jiān)控或控制的小型設備的大型網(wǎng)絡。MQTT協(xié)議是一個基于基于主題的發(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，用于傳播數(shù)據(jù)、共享和發(fā)現(xiàn)服務。客戶端連接到代理，并訂閱或發(fā)布有關特定主題的數(shù)據(jù)。每條消息都被發(fā)布到一個地址，稱為一個主題。客戶端可以訂閱多個主題，并接收發(fā)布到每個主題的每個消息。MQTT代理處理客戶端發(fā)布的消息，并將它們轉(zhuǎn)發(fā)給相應的訂戶客戶端。MQTT的另一個特點是它的三個級別的服務質(zhì)量（QoS）來可靠地傳遞消息：

-QoS 0：“最多一次”，如果消息不能保證到達，可能會丟失;

-QoS 1：“至少一次”，消息保證到達，但可能發(fā)生重復;

-QoS 2：“完全到達一次”，消息保證準確到達一次，沒有重復或丟失;

（3）服務器層-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，感官層設備可能能夠?qū)OC發(fā)送的信息做出反應，通過增加各種個人代理和警衛(wèi)來提供增加情報的能力。

2.建立一個數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡

傳感器網(wǎng)絡適用于在開放空間上的建設，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。

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

經(jīng)過初步分析后，對技術方案和工作方法的選擇選擇了幾個影響較大的主要問題，如下：

-以最小的技術單元/網(wǎng)關和最大的可靠性覆蓋大面積的無線電信道。

-盡量減少外部氣象和公使館對長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）。

-具有多個終端設備/傳感器的中心站/網(wǎng)關的操作（每個中心站超過1000臺設備）。

-連接到中央網(wǎng)絡的終端設備的最大能效。

根據(jù)主要的影響點和問題，探討了一些技術上的可能性。總之，我們選擇了LORA基礎設施/技術來進行數(shù)據(jù)傳輸。該技術為上述問題提供了解決方案，并為項目的需求創(chuàng)建了一個最佳的交互模型。

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

三、結(jié)束語

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

參考文獻：

[1]中國智慧農(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實現(xiàn)無消息丟失與精確一次語義（exactly once）處理https：//www.cnblogs.com/listenfwind/p/12207693.htm

[5] 智匯云 MQTT協(xié)議報文格式解析 2021-11-08