智能精准畜禽养殖管理系统设计——以猪的养殖为例

王亮亮

(山东商业职业技术学院 山东 济南 250103)

目前，由于生态环境的保护、美丽乡村的实施、劳动力城镇化的转移等因素影响以及受科技发展对生产力的推进，原有农村家庭化农户养猪模式已演变为集约化、规模化、现代化的养猪场。但是由于猪场建设缺乏科学规划，导致饲养管理难度加大，严重影响了养猪产业的生产效率。[1]考虑到猪的大小、品种、性别、体重和行为特点等方面，由于个体的差异性造成生长特点和抗病能力也有所不同。这就亟待需要正视猪的个体差异，利用高科技技术进行差异化的精准养殖。精准养殖就是将猪场的目标管理和过程管理有机结合在一起，通过整个数据系统的有效分析，能够实现猪场精准饲养，既能减少资源浪费，又能提高养殖效益和效率。[2]。

互联网时代，信息技术的发展使得物联网技术应用场景不断拓展，大数据和云计算技术飞速发展提升了数据信息的分析处理能力。将养猪场与“大智移云物”结合，对传统的养猪场进行技术提升，构建精准养猪管理系统，对养猪的仔猪入栏、防疫、生长及肥猪出栏等各个环节进行智能监控和数据采集处理，实现精准投食喂养、自动环境处置、智能疫病预判和信息追溯查询等功能。

1.系统简介

系统主要包括三个部分：信息采集单元、网络传输单位、数据处理单元和应用控制单元。从幼猪开始佩戴RFID电子耳标进行身份标注，利用物联网技术，智能采集猪舍环境中的温湿度、光照、有毒有害气体(一氧化碳、氨气、硫化氢)等和生猪的体温、体重、活动轨迹、喂食、疫病防治等生长过程的相关信息，结合5G、WIFI和NB-IOT无线传输网络进行网络通讯，依托云技术和大数据技术进行海量数据的信息存储和分析处理，实现每头猪的生长监测及喂食方案实施和人机交互界面的近远程的报警预警、控制及信息查询等功能。本系统可以达到对猪舍的实时监控、智能环境调节、数量盘点、称重、活动范围和运动分析、行为分析、个体精准喂食管理、疫病管理、预警报警及安卓端远程控制和信息追溯查询等多项应用。

图1 智能精准养猪管理系统

通过对数据采集、传输、存储、分析、处理、应用全过程环节的智能管控，利用更全面、更优质、更具价值的大数据服务体系，根据每一头猪的特点构建差异化的智能精准养猪系统，按照每天需求精准饲喂，科学智能的管理猪舍自动设施，提升现代化生产效率，精准喂养、提高生猪质量和产量，为企业节约开支，增加效益。

1.1 数据采集

智能摄像头对猪舍进行实时监控，并在线不间断拍照上传云平台，进行行为识别。

电子耳标具有RFID个体标识功能，可以对数量众多的猪群实现编号管理和身份绑定、数据管理及精准识别。

温度模块利用热敏电阻或红外测温仪对身体温度进行实时检测，体温异常及时报警，有效地监控猪的体温变化。

定位模块利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据的UWB定位，实现猪舍内近距离精确定位，并获取其活动轨迹。

温湿度模块采用防水、灵敏度高的壁挂数显网络温湿度传感器，将采集的温湿度数据通过以无线通信上传至后台服务器。

光照传感器模块采用光电转换的光照传感器，实现高精度的自然光照和人工光照的光照强度测量。

气体检测模块包括一氧化碳浓度检测仪、氨气检测仪和硫化氢检测仪，用于养猪场环境废料发酵及粪便中产生的C0、NH3、H2S等有毒气体的浓度。

1.2 网络传输

根据养猪场的规模和网络覆盖情况，可以选择搭载各类传感器上的WIFI、NB-IOT和5G等无线传输模块进行组网建设，通过数据流的传输，实现对猪舍内环境采集信息的传输和系统平台下发的指令控制。

1.3 数据处理

WIFI、NB-IOT和5G等无线网络将各类传感器(温湿度、光照、压力、气体浓度)采集的数据、智能摄像头拍摄的照片、红外测温仪测量的体温数据和UWB定位的运动轨迹等数据上传到云平台进行存储、分析、处理，再利用人工智能技术将积累的数据作为样本进行数据挖掘，结合标注的耳标信息分析每一个猪舍的生存环境和每一头猪的运动轨迹、生长特点和行为特点等，实现环境预警和定期生成每一只生猪的喂食方案，并将相关信息通过云平台推送到安卓和后台端。信息化的利用，在猪舍建设和生猪饲养管理方面做出了科学规划，自动或远程操作控制降低了养猪场人工管理成本、提高了生产效率、增加了经济收益。

2.系统框架

智能精准养猪管理系统由信息系统、监控系统、传感系统、控制系统和显示系统组成。[3]

信息系统包括管理员账号管理和耳环建档。管理员账号管理是设置管理员账号及管理权限，可以查看猪舍实时数据及实施设备操作控制。

监控系统是通过智能摄像头对猪舍的每日24小时安全监控和行为检测，可实现远程实时视频查看及安全预警。

传感系统为猪舍内布设的温湿度、光照、气体浓度、压力、火焰、温度传感器和猪耳环上的定位器。温湿度传感器实时检测猪舍的温度和湿度值，保障生猪适宜的生长环境。[4]光照传感器实时采集猪舍的光照度，为灯光控制提供原始数据。气体浓度包括采集一氧化碳、氨气和硫化氢等气体浓度[5]，为控制通风设备开关提供原始数据。压力传感器布设在猪舍地面，检测猪的体重，此数据可以监控生猪的增肥状态。火焰传感器是用远红外火焰传感器实现对火灾的检查,如果发生火灾驱动水泵进行灭火。温度传感器通过热敏电阻检测生猪的体温[6]，进行疾病预警。定位装置利用室内的UWB定位技术，采集生猪活动轨迹。

控制系统是在系统对感知层采集的信息数据分析处理后，达到既定阈值后关联对应的控制单位实施控制。如：风机进行通风和降温处理；加热除湿器进行加热升温或除湿除潮控制；灯光控制器进行灯光变换；喂食器根据生猪生长状态进行精准喂食、喂水；喷水装置对猪舍进行降温或污物冲洗清洁等。

显示单元可以实现猪舍环境和生猪生长状态信息查询、环境安全预报警显示等。大棚内LED屏有环境状态实时显示，电脑后台PC端或安卓端可以根据耳标编号对每只生猪的生长状态进行信息查询。当环境中测量的数据溢出，超出安全值时进行自动预警显示，并推送解决方案。

3.功能架构

本系统可以实现对风机、加热除湿器、灯光、喂食器和喷水装置等逻辑控制。

(1)猪舍内温湿度、光照值、其他浓度(一氧化碳、氨气、硫化氢)的报警阈值上下限范围设定可调。

(2)当舍内采集到的实时温度达到上限，但湿度低于下限时，启动喷水装置，进行喷水降温；当舍内湿度达到上限，但温度低于下限时，启动风机，同时自动进行加热升温；当舍内采集到的实时温湿度皆达到上限，启动风机，进行通风除湿。

(3)当舍内的光照值与本时段的阈值不对应时，进行自动进行相应的增减光调节。

(4)当舍内一氧化碳、氨气、硫化氢等气体的实时数据任一数值高于设定的上限阈值时，自动启动风机，进行通风换气，直至数值低于下限时风机关闭。

(5)通过读取生猪携带的电子耳标，可以实现智能身份识别，从而按照其对应的饲喂曲线对其进行个体化的精准饲喂。

(6)猪舍环境参数或安全检测达到阈值时，触发预报警装置，相关信息及时显示，帮助养殖者提前干预，降低生产风险，减少猪场损失。

(7)后台PC端及安卓APP端可实现手动/自动开关模式切换。

4.结论

智能精准养猪管理系统能够满足规模化养猪需求，解决农业养猪劳动强度大、劳动力紧缺、技术不足的问题，降低了成本、解放了生产力、提高了生产效率，创新了技术[7]，实现增产增收。实现科学信息化、精准化管理，提高养猪场经济效益和推动产业化升级，为农业现代化助力。

图2 智能精准养猪管理系统框架