基于物联网的生猪养殖环境信息采集系统

李文凤， 李 龙

（杨凌职业技术学院动物工程学院，陕西 杨凌 712100）

0 引言

物联网是在互联网的基础上将用户端延伸和扩展到任何物体从而进行信息交换和通信的一种网络，通过传感器、射频识别及定位系统等信息传感设备，以及信息传输技术实现智能化跟踪、识别、监控和管理的智能网络技术[1-2]。随着我国畜牧业的快速转型，云计算、物联网、互联网等信息技术逐渐渗透到畜牧业各个阶段，智慧畜牧业已成为智慧农业的重要组成部分[3]。近年来，物联网技术在畜牧业中的应用也逐渐增多，以感知为基础的物联网技术通过智能传输技术和信息处理技术可以实现对畜禽饲养生长周期的智能化控制和管理，实现养殖过程中繁育、环境、饲喂、疫病和畜产品追溯等环节的健康、生态、高效的集约化养殖方式，从而完成传统畜牧业到数字畜牧业的有效转换。

物联网的加入使畜牧业能有效地缩减成本、增加效益，实现科学管理的同时保证生态环境的可持续发展，同时为现代畜牧业打造了相对独立的养殖环境，摆脱了传统畜牧业对人工养殖的依赖[4-5]。目前畜牧物联网技术主要应用于畜禽个体信息采集、畜禽养殖监测、精准饲喂、育种繁育和畜产品安全追溯等环节[6-8]。物联网技术在环境信息采集系统的应用多集中在农田监测、农作物生长、中草药生长及携带式牧场环境信息上。而集团化、规模化的畜禽智能养殖更多是实现综合管理系统研究与设计，环境监测体现在部分功能模块中，对畜禽养殖环境信息监测进行设计也以传感器技术和5G 技术相结合简单实现对环境参数和气体参数的监测。

本研究设计的生猪养殖环境信息采集系统采用传感器技术、RFID、音视频采集设备等感知技术，结合5G移动通信、蓝牙和ZigBee 等先进的信息传输技术，通过牧场信息管理技术进行处理、分析，从而实现对生猪个体标识、养殖环境实时动态监测、生猪生理和行为信息采集，以及疾病预警的智能化管理和远程控制，为现代畜牧业的数字化发展提供可靠、有效的数据支撑[9-11]。本研究设计的生猪养殖环境信息采集系统不止简单地进行养殖环境数据监测，而是把采集到的有效数据作为生猪养殖整个过程的参考依据，根据监测数据实时进行环境要素调整，保证猪生长过程的适宜条件，同时把监测的数据作为动态参数对养殖过程中的饲喂、繁育、疫病防控等过程及猪生长状态的数据变化进行分析，为更优化的数据模型提供可靠而有效的数据支撑。

1 系统需求分析

生长环境严重影响畜禽的生长、育肥、健康状况和畜产品品质等，贯穿整个养殖过程，并且畜禽养殖也对环境的依赖程度较高[3]。在养殖环境中空气的温度、湿度及舍内有害气体浓度和粉尘颗粒等都对畜禽的健康和畜产品的品质产生直接影响[4-5]。畜禽养殖环境的控制对减少疾病传播和发生也非常重要，养殖环境的动态变化是影响畜禽精准饲喂和育种繁育的重要参数。养殖环境已成为畜禽养殖过程首要考虑的因素。

随着畜禽养殖规模化、集约化发展，养殖方式也发生改变，对环境的管控要求也逐渐提高。本系统以数字化和自动化平台建立良好的养殖单元环境，主要从温度、湿度、光照、气体、风速、生长密度和废弃物处理等方面构建最适宜生长的环境因子，对养殖环境进行高效、精准的管理，建立适合生猪养殖的环境模型，为畜禽智能化发展提供基础依据。生猪养殖环境信息采集系统以物联网为基础，将传感器布控在猪舍内，对不同区域的基础气象数据和气体数据进行实时监测和管理，从而调整适合猪生长的环境，以保证猪群健康、品质良好。对于生猪养殖过程中产生的废弃物也要做到有效处理，变废为宝，以促进养殖生产过程的良性循环，为养殖户带来更多的经济效益。

2 系统总体设计

生猪养殖环境信息采集系统是以物联网技术为基础，实现对猪舍小环境和养殖过程废弃物的实时监测和控制。系统采取3 层构架体系：数据采集层、网络传输层和应用管理层。数据采集层以传感器技术、音视频采集、GPS 和RFID 技术为主；网络传输层以蓝牙技术、ZigBee 技术和有线传输技术完成数据的可靠、有效传输；应用管理层实现了对猪舍环境监测、信息处理、自动控制等功能。系统框架如图1 所示，系统功能如图2 所示。数据采集内容主要包括5 类：①猪舍主要环境参数，如温湿度、噪声、光照度和有害气体等；②猪个体基础信息，包括猪每日进食量、排泄量等；③废弃物运输、处理等信息；④病死猪处理信息；⑤猪舍实时监控和废弃物处理点监控等信息。畜牧物联网技术通过无线数据采集、视频监控、信息传输、自动控制、预警报警等操作，实现生猪养殖环境的数字化、智能化管理，完成传统畜牧业到现代畜牧业的转化。

图1 系统框架Fig. 1 System framework

图2 系统功能Fig. 2 System function

3 主要功能设计

3.1 数据采集与传输

通过调节蓄电池供电电压，给各传感器、多媒体摄像机控制器、无线传输模块供电，使各种设备进入工作状态。控制器通过I/O 接口按顺序向各类传感器发送“采集信息”指令。传感器获取模拟信号后，由其内部的A/D 转换器转换为数字信号并通过I/O 接口将信号传输至数据处理芯片，ZigBee 或蓝牙模块通过无线信号将处理后的传感器信息显示到LED 屏，即可实时监测到相关数据内容。传感器将采集到的数据临时存储在控制器内存中，可通过无线传输模块将数据发送至服务器，多媒体摄像机和红外相机与5G 数据无线传输或有线传输模块连接，将采集到的视频和图片信息传送至服务器。

在控制模块中，每个养殖舍会设置一个可编程逻辑控制器模块（PLC）对该养殖舍进行自动控制，可以保证某一个PLC 系统出现故障时不会影响其他养殖舍的信息传输。各PLC 系统的数据经过转换模块传输到后台系统，通过智能决策模块处理后将信息回传至执行组件，从而实现各类操作并显示到终端平台上。

针对猪场废弃物运输和处理可以以GPS、监控设备和RFID 技术为主，结合猪个体数据能有效掌握针对病死猪和粪尿、污水的处理路径和处理状况。

3.2 猪舍环境监测子系统

通过在猪舍布控传感器和视频监测设备，对猪舍气候环境和气体环境参数进行管理，可以实现对猪舍各个区域的环境动态监控和可视化管理，及时了解猪群生长状况。监测信息要素如表1 所示。

表1 监测信息要素Tab. 1 Monitoring information elements

猪舍环境监测子系统主要设备包括传感器、有线/无线网络和监控摄像头等。搭建并安装相应传感器等设备，通过有线或无线的网络传输方式将采集的数据传送到管理软件，实现数据的存储、分析、监控和管理。

3.3 猪信息管理子系统

利用RFID 技术、跟踪视频技术等建立猪身份识别模块，采用“一畜一标”的方式实现对生猪的出生日期、品种、体质量、防疫、猪舍位置等基本资料，以及采食情况、疾病、个体行为等进行日常记录和管理。

行为视频采集与信息传输主要是利用红外相机和多媒体摄像头拍摄或录制猪舍内猪行为视频，由于视频数据量较大，且多为MPG 或者AVI 格式存储，为保证数据稳定传输，可采取有线网络或5G 网络技术将视频数据发送到应用平台进行存储和监控。

猪信息变化受环境因素影响，因此对猪信息管理要考虑其环境影响，通过给生猪佩戴智能耳标、智能脖环并内置RFID 和无线传感器，具有猪的身份识别、运动状态分析、定位、快速寻找等功能，通过智能脖环也可以实时了解猪的运动轨迹、疫病特征、生理异常、位置范围等，这些参数都可作为其养殖环境信息参考的一部分。

3.4 智能控制子系统

智能控制子系统以采集到的各类环境参数为依据，由生猪不同生长阶段不同品种的控制模型、可编程逻辑控制器、执行模块（风机、加热、喷淋装置等）和上位机监控模块组成。通过模拟量输入模块把传感器采集的环境参数转换为数字信号存储在可编程逻辑控制器；根据计算模型得出控制量，依据阈值参数和控制预案，通过控制器和养殖环境的控制系统如风扇、湿帘、自动清粪除臭等实现对接，从而控制各种环境设备。智能控制单元框架如图3 所示。

图3 智能控制单元框架Fig. 3 Frame of intelligent control unit

3.5 猪舍废弃物处理子系统

猪舍废弃物处理主要包括粪尿、污水处理、病死猪处理和猪场环境绿化。①猪场的环境重点在于粪便、污水的无害化处理和合理利用，可采用农牧良性循环、制作沼气用作燃料或开展能源循环利用等方法，其中制作有机肥用于蔬菜、牧草等农作物生长是目前最为有效、经济的处理方式。②病死猪的无害化处理是有效防止疫病传播的重要途径，根据猪电子标签、摄像头和声音传感器可以获取猪的具体信息，根据畜禽疾病数据库信息、猪的行为视频和声音数据进行分析对比可以检测出生猪是否生病，并及时进行治疗和防控，一旦猪病死也可以及时根据历史数据进行有效处理，防止疫病扩散。目前对病死猪采用较多的处理方法是窖化法，可以使病死猪在密闭窖中发酵分解。③合理的绿化环境对猪场生态平衡和生产都有较大作用，可以改善猪场小气候环境，创造良好的生长环境，有利于提高生产效益。

3.6 预警系统

根据猪舍环境监测子系统采集到的实时数据对照预警预案设定的数据参数分析对比进行异常报警；同时可利用RFID 技术、声音传感器和摄像头等设备及时获取生猪生理数据，并与知识信息库的数据进行比对，方便管理者和养殖户发现异样情况，可以在第一时间收到报警信息，并通过终端平台了解具体预警内容。预警系统不但可以根据各种设备收集到的数据信息对比预警预案和知识数据库进行比对报警，也可通过软件算法对具体设备硬件故障进行报警。

4 结论

生猪生长环境是养殖过程的关键环节，基于物联网技术的生猪养殖环境信息采集系统是利用传感器、无线传感网络、自动控制、射频识别等现代信息技术，对生猪养殖环境参数和猪个体行为进行实时监控，并根据猪生长需求对养殖环境参数进行科学、合理的控制，实现对生猪环境的自动控制和高效管理。该系统目前处于测试阶段，主要是在实验室机房完成系统的运行测试并进行模块的安全性和优化性调整，在测试过程中尽可能地模拟实际运行环境对系统进行验证，以实际数据参数作为系统验证标准，待各项基础性能和模块运行测试达标后，会在学校的养殖实习基地进行实地安装测试，对系统进行最后的完善和验证。

本系统可为生猪养殖经营者和管理者提供真实可靠的数据，对其在生产管理中有积极的指导作用，物联网技术的应用深入可以有效降低养殖成本、减少病害和污染的发生，促进畜牧业产业化、信息化、智能化的发展，实现健康养殖和绿色养殖，同时为搭建基础性畜禽信息平台提供可靠的数据基础和支撑。