基于物联网技术的妊娠母猪限缓饲喂装置的研究

2018-03-28谭青青马金龙王铁霖任洁奇李珊珊

农机化研究 2018年3期

王琦，韩菡，谭青青，冯江，马金龙，王铁霖，任洁奇，李珊珊

(东北农业大学 a.电气与信息学院；b.工程学院，哈尔滨 150030)

0 引言

我国是世界畜牧业大国之一，但畜牧业在我国农业生产总值中比重偏小，难以适应人民生活不断增长的需求。近年来，随着人民生活水平的不断提高，我国的猪肉需求量进一步加大，养猪业地位也越来越受到人们的重视。有数据显示，2012年我国猪肉生产量和消费量已达到全球比率的48.95%和49.39%[1]，可见我国养猪业的发展与重要。但是，由于防疫不合格、养殖无规模、饲养不正确等原因，导致生猪产量减少、猪肉质量下降。因而，对生猪养殖的现代化、信息化技术的需求已提上日程。

物联网技术是继计算机、因特网以及移通讯网之后发展起来的一门新兴技术，其发展目标是使人们可以在任意时间、任意地点与任何物品相联系[2]。将物联网技术引用到养猪业中，不仅可以实现对生猪的实时监控与管理，还可以改善养殖环境，从而进一步解决生猪产量低、猪肉质量差等问题。

1 物联网概述

1.1 物联网定义及起源

“物联网”(Internet of things)，是新一代信息技术的重要组成部分，是世界信息产业第三次浪潮[3]。物联网是一种物物相连的互联网，指的是其核心和基础是互联网，在互联网的基础上对网络的扩展和延伸[4]，其最终目标是让任意物品之间进行信息的交换和通信。

物联网一词最早出现于比尔盖茨1995年《未来之路》中[5]，其概念最初是在1999年美国召开的移动计算和网络国际会议上提出的，会议认为“传感网是下一个世纪人类即将面临的又一个机遇与挑战，物联网是各类传感器与现有的互联网相关衔接的一个新技术”。

1.2 物联网构成及特征

物联网通过感知设备与互联网将物体与物体连接起来，然后进行智能化采集、传输与处理信息，最后实现智能化识别与科学管理的一种网络。按其定义，物联网大致有以下几个基本特征：“感知化”“智能化”“物连化” “互联化”“网络化”。

从其定义与特征上看，物联网在技术上通过智能识别、智能感知、智能处理等技术与互联网相连接。因此，物联网实质上是以“虚拟”+“实体”的信息化系统，已不仅仅是传统网络的范畴。物联网以数据为核心、多业务融合的信息化应用技术，其体系框架可分为3层：感知层、网络层以及应用层[6]，如图1所示。其中，感知层感知全面信息，主要包括数据信息的获取以及入网；网络层将感知的信息进行传输；应用层对信息数据进行处理。

1.3 物联网实例应用

随着物联网技术的发展，物联网技术的使用已经逐渐进入越来越多的行业中，如智能农业、智能家具、智慧城市、智能医疗及智能养殖等；尤其是在智能养殖应用中，基于物联网技术，包括无线传感网、互联网、通信网等为一体，依托养殖生产现场的各种感知节点，如环境温湿度、图像、体重等，进而实现养殖生产的智能化，为其提供精准化饲喂、可视化管理及智能化决策。

图1 物联网体系结构图Fig.1 Structure chart of internet of things

2 国内外研究现状

2.1 国内研究现状

我国在物联网领域起步较早，早期发展是1999年中国科学院上海微系统与信息技术研究所对传感网产品的研发，且研发的产品于2003年开始在“动态北仑”等项目中应用。在科研上，我国的技术基本与国外保持同步；在产业上，我国各地相继启动了物联网相关的项目。可以说，对物联网这个全新的产业，我国的技术与产业水平都已处于世界前列，掌握了物联网世界的部分话语权。2012年2月，国家发布了物联网发展的“十二五”规划中指出：物联网对加快我国经济发展方式转型具有重大的推动作用，并成为我国的战略性新兴产业的重要组成部分。

我国对物联网应用的智能养殖饲喂管理的研究起步较晚，母猪智能化群养管理系统最早在2007年面市。广东省农业机械研究所是我国最先进行在猪只自动饲喂方面的研究，由甘玲团队研制了一套关于猪只的自动饲喂测定系统以记录猪只的饲喂情况[7]。该系统采用了微电子技术，主要监测被测猪只的采食时长、日采食量、采食速度及采食次数等，通过系统的监测能准确获取同一栏里所有猪只的采食情况，同时记录下体重变化，从而可计算每头猪在不同生长时期的饲料转化率。

上海河顺自动化科技发展有限公司(HHIS)设计研发了一个能够自动饲喂装置传感器，判断猪的身份，传输给计算机，系统根据终端获取的数据(耳标号、体重)和计算机数据库(怀孕日期)运算出该猪当天需要的进食量[8]，把进食量分量分时间的传输给饲喂设备为该猪下料。其工作原理图如2所示。

图2 工作原理图Fig.2 Working diagram

随着养猪业的不断发展，依托物联网技术的智能化饲喂管理已经成为智能养殖中一种不可或缺的技术。依托物联网技术的智能化饲喂管理不但节省人力、有效地保护环境、减少疫病，还能改善生猪生长环境、提高母猪产量。我国目前对于养猪场的智能化饲喂管理系统已经基本成型，但由于起步较晚，系统并不完善，因此还需要更进一步的研究。

2.2 国外研究现状

在国外，物联网被称作“危机时代的救世主”，很多发达国家对物联网非常重视，将其视作新的经济增长点，并把物联网的发展列为了国家计划。2009年，美国政府将“智慧地球”计划上升至国家战略，除高校和科研院所之外，各大知名企业也都先后参与了开发无线传感网络的研究。同年，欧盟推出了《欧洲物联网行动计划》，其他国家也相继制定了物联网相关计划。

其中，对基于物联网的智能化饲养管理的研究比较早。在国外，尤其是欧美地区，现代信息化养殖技术已经相当普遍和成熟，大部分养殖场已经实现饲喂自动化以及管理智能化。目前，国际上比较先进的自动饲喂设备有荷兰Nedap公司的Velos系统[9](见图3)以及格式塔智能化繁殖母猪饲养管理系统等等。

Velos系统应用数字化技术、智能化技术，以50头母猪为一个自动饲养管理单位，小、中、大型养猪场均可采用。从运行10年多的实践来看，母猪平均年产胎次可以增加到2.40胎，母猪年平均产仔猪数可达26.83头，较原来年产仔猪数22头有大幅度提高。因此，对母猪实施自动化饲养管理可以大幅度提高母猪群体的生产效率[10-11]。

图3 荷兰 Nadap-VelosFig.3 Holand Nadap-Velos

格式塔智能化繁殖母猪饲养管理系统是一套基于电脑和无线网络连接的繁殖母猪智能化饲养管理系统。截止2010年，加拿大魁北克省超过30%的母猪使用格式塔繁育母猪智能化饲喂管理系统，北美全境有超过125 000头母猪使用该系统。该系统通过数字化的分析管理，最大化地满足了分娩母猪的动态营养需求，提高了产子率与每窝产数，并可根据母猪的年龄、胎次、体况和小猪头数，对每头母猪进行精确管理。

以上这些系统都具备自动管理、自动报警、数据自动传输、自动供料及发情检测等功能[12]，通过这样一套高度自动化的系统能够极大地提高了生产效率和经济效益，在缓解环境压力的同时，进一步解放了人力。但是，由于进口设备价格昂贵，售后服务跟不上，国内使用者并不多见。

3 物联网在养猪场智能管理应用的技术组成

3.1 射频识别技术(RFID)

射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术，又称无线射频识别，是一种通过无线射频信号达到自动识别特定目标并读写相关数据的目的，实现无接触信息采集和传递的通讯技术[13]。1948年，哈里发表了《利用反射功率的通信》奠定了RFID技术的理论基础，直到1999年Auto-ID Center诞生后，提出了产品电子代码EPC概念及物联网的概念与架构，才使RFID技术的应用越来越受到人们的重视。

RFID技术是一种非接触的、双向通讯的自动识别技术，由阅读器以及电子标签两个基本器件构成。RFID技术分为两个部分：一个是标签，另一个是解读器。在标签进入磁场后，解读器就会凭借感应电流发出射频信号或者是标签发射某一个频率的信号让解读器读取里面的信息并对其进行解码后送至中央信息系统，再对有关数据进行处理。

在基于物联网的智能管理养猪场中，在母猪身上安装电子标签，并根据标签中的唯一的编码与每头母猪一一对应；当母猪进入RFID阅读器的识别范围，阅读器就会自动的将母猪的信息识别出来。

3.2 传感器技术

传感器是一种能够感知外界信号及物理条件等信息并传递给其他设备的装置，在物联网中除了负责获取相关信息外还能对当前状态进行识别，当状态发生变化时也能够作出实时有效的反应并对其他单元发出信号[14]。我国国家标准对传感器的定义是：“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”。

现代新型传感器的种类繁多，如激光传感器、湿度传感器、速度传感器、液位传感器及重力传感器等等。其中，电阻应变式传感器是被广泛用于电子秤和各种测力装置。传感器所选取的精度和范围度是至关重要的，过高的精度对于有些使用无太大意义，而过宽的范围度也会是测量精度降低，因此要根据测量对象的要求来选择恰当的精度和范围度。

在物联网中，传感器技术是一个重要的组成部分，如果将物联网比作一个人的话，那传感器就是人的神经末梢，是全面感知外界的最核心的元件。这些传感器是物联网的感知层，负责将对物体的具体有关的信息测取出来，从而传给上层进行数据的收集、处理。新型传感器技术的发展对物联网技术的发展起着至关重要的支撑作用[15]，可以通过压力传感器、图像传感器等设备来获取母猪的日常生活信息，从而达到智能管理的效果。

3.3 云计算技术

云计算(Cloud Computing)，作为一种近几年新型的计算模式，是通过一种共享的形式来实现的。广大的用户可以共享它们的软硬件设备或者信息，来实现云计算的可扩展性和高可靠性等优点。

云计算的主要特点是其计算并不是在一个本地的计算机中进行，也不是通过远程服务器来进行；云计算的计算分布在大量的分布式计算机上，好比是从古老的单台发电机模式转向了电厂集中供电的模式[16]。云计算是一种具有商业概念的共享计算过程，是网络计算、并行处理和分布式处理的发展和延续。

云计算与物联网之间虽然存在很大的区别，但是二者也有着千丝万缕的联系：物联网通过传感器采集到难以计数的庞大的数据量，而云计算可以对这些庞大的数据量进行智能处理，二者相辅相成。在物联网技术高度发展的今天，云计算技术所具有的高可靠性、可扩展性和虚拟化等特点，正好为物联网技术提供了技术支持。在智能化母猪管理中，使用云计算技术可以快速、安全地将通过传感器获取的大量数据进行分析。