基于物聯網的生豬養殖環境信息采集系統

李文鳳， 李 龍

（楊凌職業技術學院動物工程學院，陜西 楊凌 712100）

0 引言

物聯網是在互聯網的基礎上將用戶端延伸和擴展到任何物體從而進行信息交換和通信的一種網絡，通過傳感器、射頻識別及定位系統等信息傳感設備，以及信息傳輸技術實現智能化跟蹤、識別、監控和管理的智能網絡技術[1-2]。隨著我國畜牧業的快速轉型，云計算、物聯網、互聯網等信息技術逐漸滲透到畜牧業各個階段，智慧畜牧業已成為智慧農業的重要組成部分[3]。近年來，物聯網技術在畜牧業中的應用也逐漸增多，以感知為基礎的物聯網技術通過智能傳輸技術和信息處理技術可以實現對畜禽飼養生長周期的智能化控制和管理，實現養殖過程中繁育、環境、飼喂、疫病和畜產品追溯等環節的健康、生態、高效的集約化養殖方式，從而完成傳統畜牧業到數字畜牧業的有效轉換。

物聯網的加入使畜牧業能有效地縮減成本、增加效益，實現科學管理的同時保證生態環境的可持續發展，同時為現代畜牧業打造了相對獨立的養殖環境，擺脫了傳統畜牧業對人工養殖的依賴[4-5]。目前畜牧物聯網技術主要應用于畜禽個體信息采集、畜禽養殖監測、精準飼喂、育種繁育和畜產品安全追溯等環節[6-8]。物聯網技術在環境信息采集系統的應用多集中在農田監測、農作物生長、中草藥生長及攜帶式牧場環境信息上。而集團化、規模化的畜禽智能養殖更多是實現綜合管理系統研究與設計，環境監測體現在部分功能模塊中，對畜禽養殖環境信息監測進行設計也以傳感器技術和5G 技術相結合簡單實現對環境參數和氣體參數的監測。

本研究設計的生豬養殖環境信息采集系統采用傳感器技術、RFID、音視頻采集設備等感知技術，結合5G移動通信、藍牙和ZigBee 等先進的信息傳輸技術，通過牧場信息管理技術進行處理、分析，從而實現對生豬個體標識、養殖環境實時動態監測、生豬生理和行為信息采集，以及疾病預警的智能化管理和遠程控制，為現代畜牧業的數字化發展提供可靠、有效的數據支撐[9-11]。本研究設計的生豬養殖環境信息采集系統不止簡單地進行養殖環境數據監測，而是把采集到的有效數據作為生豬養殖整個過程的參考依據，根據監測數據實時進行環境要素調整，保證豬生長過程的適宜條件，同時把監測的數據作為動態參數對養殖過程中的飼喂、繁育、疫病防控等過程及豬生長狀態的數據變化進行分析，為更優化的數據模型提供可靠而有效的數據支撐。

1 系統需求分析

生長環境嚴重影響畜禽的生長、育肥、健康狀況和畜產品品質等，貫穿整個養殖過程，并且畜禽養殖也對環境的依賴程度較高[3]。在養殖環境中空氣的溫度、濕度及舍內有害氣體濃度和粉塵顆粒等都對畜禽的健康和畜產品的品質產生直接影響[4-5]。畜禽養殖環境的控制對減少疾病傳播和發生也非常重要，養殖環境的動態變化是影響畜禽精準飼喂和育種繁育的重要參數。養殖環境已成為畜禽養殖過程首要考慮的因素。

隨著畜禽養殖規模化、集約化發展，養殖方式也發生改變，對環境的管控要求也逐漸提高。本系統以數字化和自動化平臺建立良好的養殖單元環境，主要從溫度、濕度、光照、氣體、風速、生長密度和廢棄物處理等方面構建最適宜生長的環境因子，對養殖環境進行高效、精準的管理，建立適合生豬養殖的環境模型，為畜禽智能化發展提供基礎依據。生豬養殖環境信息采集系統以物聯網為基礎，將傳感器布控在豬舍內，對不同區域的基礎氣象數據和氣體數據進行實時監測和管理，從而調整適合豬生長的環境，以保證豬群健康、品質良好。對于生豬養殖過程中產生的廢棄物也要做到有效處理，變廢為寶，以促進養殖生產過程的良性循環，為養殖戶帶來更多的經濟效益。

2 系統總體設計

生豬養殖環境信息采集系統是以物聯網技術為基礎，實現對豬舍小環境和養殖過程廢棄物的實時監測和控制。系統采取3 層構架體系：數據采集層、網絡傳輸層和應用管理層。數據采集層以傳感器技術、音視頻采集、GPS 和RFID 技術為主；網絡傳輸層以藍牙技術、ZigBee 技術和有線傳輸技術完成數據的可靠、有效傳輸；應用管理層實現了對豬舍環境監測、信息處理、自動控制等功能。系統框架如圖1 所示，系統功能如圖2 所示。數據采集內容主要包括5 類：①豬舍主要環境參數，如溫濕度、噪聲、光照度和有害氣體等；②豬個體基礎信息，包括豬每日進食量、排泄量等；③廢棄物運輸、處理等信息；④病死豬處理信息；⑤豬舍實時監控和廢棄物處理點監控等信息。畜牧物聯網技術通過無線數據采集、視頻監控、信息傳輸、自動控制、預警報警等操作，實現生豬養殖環境的數字化、智能化管理，完成傳統畜牧業到現代畜牧業的轉化。

圖1 系統框架Fig. 1 System framework

圖2 系統功能Fig. 2 System function

3 主要功能設計

3.1 數據采集與傳輸

通過調節蓄電池供電電壓，給各傳感器、多媒體攝像機控制器、無線傳輸模塊供電，使各種設備進入工作狀態。控制器通過I/O 接口按順序向各類傳感器發送“采集信息”指令。傳感器獲取模擬信號后，由其內部的A/D 轉換器轉換為數字信號并通過I/O 接口將信號傳輸至數據處理芯片，ZigBee 或藍牙模塊通過無線信號將處理后的傳感器信息顯示到LED 屏，即可實時監測到相關數據內容。傳感器將采集到的數據臨時存儲在控制器內存中，可通過無線傳輸模塊將數據發送至服務器，多媒體攝像機和紅外相機與5G 數據無線傳輸或有線傳輸模塊連接，將采集到的視頻和圖片信息傳送至服務器。

在控制模塊中，每個養殖舍會設置一個可編程邏輯控制器模塊（PLC）對該養殖舍進行自動控制，可以保證某一個PLC 系統出現故障時不會影響其他養殖舍的信息傳輸。各PLC 系統的數據經過轉換模塊傳輸到后臺系統，通過智能決策模塊處理后將信息回傳至執行組件，從而實現各類操作并顯示到終端平臺上。

針對豬場廢棄物運輸和處理可以以GPS、監控設備和RFID 技術為主，結合豬個體數據能有效掌握針對病死豬和糞尿、污水的處理路徑和處理狀況。

3.2 豬舍環境監測子系統

通過在豬舍布控傳感器和視頻監測設備，對豬舍氣候環境和氣體環境參數進行管理，可以實現對豬舍各個區域的環境動態監控和可視化管理，及時了解豬群生長狀況。監測信息要素如表1 所示。

表1 監測信息要素Tab. 1 Monitoring information elements

豬舍環境監測子系統主要設備包括傳感器、有線/無線網絡和監控攝像頭等。搭建并安裝相應傳感器等設備，通過有線或無線的網絡傳輸方式將采集的數據傳送到管理軟件，實現數據的存儲、分析、監控和管理。

3.3 豬信息管理子系統

利用RFID 技術、跟蹤視頻技術等建立豬身份識別模塊，采用“一畜一標”的方式實現對生豬的出生日期、品種、體質量、防疫、豬舍位置等基本資料，以及采食情況、疾病、個體行為等進行日常記錄和管理。

行為視頻采集與信息傳輸主要是利用紅外相機和多媒體攝像頭拍攝或錄制豬舍內豬行為視頻，由于視頻數據量較大，且多為MPG 或者AVI 格式存儲，為保證數據穩定傳輸，可采取有線網絡或5G 網絡技術將視頻數據發送到應用平臺進行存儲和監控。

豬信息變化受環境因素影響，因此對豬信息管理要考慮其環境影響，通過給生豬佩戴智能耳標、智能脖環并內置RFID 和無線傳感器，具有豬的身份識別、運動狀態分析、定位、快速尋找等功能，通過智能脖環也可以實時了解豬的運動軌跡、疫病特征、生理異常、位置范圍等，這些參數都可作為其養殖環境信息參考的一部分。

3.4 智能控制子系統

智能控制子系統以采集到的各類環境參數為依據，由生豬不同生長階段不同品種的控制模型、可編程邏輯控制器、執行模塊（風機、加熱、噴淋裝置等）和上位機監控模塊組成。通過模擬量輸入模塊把傳感器采集的環境參數轉換為數字信號存儲在可編程邏輯控制器；根據計算模型得出控制量，依據閾值參數和控制預案，通過控制器和養殖環境的控制系統如風扇、濕簾、自動清糞除臭等實現對接，從而控制各種環境設備。智能控制單元框架如圖3 所示。

圖3 智能控制單元框架Fig. 3 Frame of intelligent control unit

3.5 豬舍廢棄物處理子系統

豬舍廢棄物處理主要包括糞尿、污水處理、病死豬處理和豬場環境綠化。①豬場的環境重點在于糞便、污水的無害化處理和合理利用，可采用農牧良性循環、制作沼氣用作燃料或開展能源循環利用等方法，其中制作有機肥用于蔬菜、牧草等農作物生長是目前最為有效、經濟的處理方式。②病死豬的無害化處理是有效防止疫病傳播的重要途徑，根據豬電子標簽、攝像頭和聲音傳感器可以獲取豬的具體信息，根據畜禽疾病數據庫信息、豬的行為視頻和聲音數據進行分析對比可以檢測出生豬是否生病，并及時進行治療和防控，一旦豬病死也可以及時根據歷史數據進行有效處理，防止疫病擴散。目前對病死豬采用較多的處理方法是窖化法，可以使病死豬在密閉窖中發酵分解。③合理的綠化環境對豬場生態平衡和生產都有較大作用，可以改善豬場小氣候環境，創造良好的生長環境，有利于提高生產效益。

3.6 預警系統

根據豬舍環境監測子系統采集到的實時數據對照預警預案設定的數據參數分析對比進行異常報警；同時可利用RFID 技術、聲音傳感器和攝像頭等設備及時獲取生豬生理數據，并與知識信息庫的數據進行比對，方便管理者和養殖戶發現異樣情況，可以在第一時間收到報警信息，并通過終端平臺了解具體預警內容。預警系統不但可以根據各種設備收集到的數據信息對比預警預案和知識數據庫進行比對報警，也可通過軟件算法對具體設備硬件故障進行報警。

4 結論

生豬生長環境是養殖過程的關鍵環節，基于物聯網技術的生豬養殖環境信息采集系統是利用傳感器、無線傳感網絡、自動控制、射頻識別等現代信息技術，對生豬養殖環境參數和豬個體行為進行實時監控，并根據豬生長需求對養殖環境參數進行科學、合理的控制，實現對生豬環境的自動控制和高效管理。該系統目前處于測試階段，主要是在實驗室機房完成系統的運行測試并進行模塊的安全性和優化性調整，在測試過程中盡可能地模擬實際運行環境對系統進行驗證，以實際數據參數作為系統驗證標準，待各項基礎性能和模塊運行測試達標后，會在學校的養殖實習基地進行實地安裝測試，對系統進行最后的完善和驗證。

本系統可為生豬養殖經營者和管理者提供真實可靠的數據，對其在生產管理中有積極的指導作用，物聯網技術的應用深入可以有效降低養殖成本、減少病害和污染的發生，促進畜牧業產業化、信息化、智能化的發展，實現健康養殖和綠色養殖，同時為搭建基礎性畜禽信息平臺提供可靠的數據基礎和支撐。