关于智慧牧场牲畜动态智能感知系统的研究与应用

谢光 于世荣

摘   要：智慧牧场是运用现代物联网技术管理的牧场，属于智慧农业的范畴。智慧牧场的养殖过程和加工销售过程全部建立了食品安全跟踪体系，保障了消费者的饮食安全和管理便捷性。文章以智慧牧场牲畜动态智能感知系统设计为切入点，论述系统实现的方式，给出核心支持技术、主要作业流程等内容，并通过模拟和典型应用分析，对系统应用价值进行论证。

关键词：智慧牧场;牲畜动态;智能感知系统;智能技术

1    智慧牧场牲畜动态智能感知系统设计

1.1  拓扑结构

从拓扑结构上看，智慧牧场牲畜动态智能感知系统設计有4个主要部分，即以传感器为代表的执行单元、中央控制器、通信结构以及辅助设备，其中，除执行单元除传感器外，还包括监控器、报警器等。中央控制器则以计算机为核心，属于系统的主要结构。通信机构包括各类有线线路和有线通信信道，辅助设备包括人机交互界面、指令下达和参数变更界面等[1]。

1.2  结构功能分析

从功能上看，智慧牧场牲畜动态智能感知系统的4个部分，功能带有递进关联，以可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）逻辑控制器负责对系统指令和信息的处理，以控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线系统复杂进行多样信息的分别处理，以保证其不会出现互扰问题。PLC和CAN总线系统分别隶属于中央控制器和通信结构。执行单元中，传感器和监控器作为工作终端，主要负责信息收集，如牲畜是否出现异常活跃、打斗情况等。通信系统主要负责将各类关联信息传递给中央控制器、信息存储器、执行单元等处，保证信息的交互效果。中央控制器负责结合默认工作程序，对终端传递的信息进行读取和分析，再根据分析结果下达处理命令，由其他执行元件给出响应。辅助设备的作用较为多样，包括信息的记录、工作参数的更改等，以提升智慧牧场牲畜动态智能感知系统的功能完善性[2]。

2    智慧牧场牲畜动态智能感知系统实现

2.1  核心支持技术

智慧牧场牲畜动态智能感知系统实现，依赖各类现代化的工作技术，包括物联网技术、智能技术、有线通信技术、无线通信技术、集成技术、差异化控制技术、现场总线技术等。不同技术强调与不同拓扑结构的匹配，以集成技术完成总体控制，以嵌入技术进行区域化结构功能集中。各项技术中，智能技术、差异化控制技术居于核心地位。如进入夏季后，牧场中的牛舍、猪舍等，可能出现温度过高问题，可将温度传感器置入对应牛舍、猪舍中，实时获取对应区域内的温度信息，在智能技术的支持下，传感器可借助有线通信技术，将对应信息输入到中央处理器中，由中央处理器进行安全性评析。假定6月份牛舍中的理想温度为Q摄氏度，在实际生产活动中，牛舍中的温度往往会围绕Q出现波动，可表现为一个具有模糊线性特点的数集：

Q=[Qmix，…，Q1，Q2，Q3，Q4，…，Qmax]

其中，[Qmix，Qmax]代表牛舍温度的理想值范围，可借助大数据信息，获取[Qmix，Qmax]的参考值，将其代入计算机中实现记忆，在智慧牧场正常工作的过程中，如果传感器收集的实时温度信息仍处于[Qmix，Qmax]范围内，表明牛舍温度条件无异常，系统不进行其他动作;如果传感器收集的信息表明，当前牛舍温度已经超过[Qmix，Qmax]范围，可由中央控制器完成识别，并下达至少一个指令，由执行单元启动“升温、降温”模式，对牛舍温度进行调整，传感器继续收集牛舍温度信息，当牛舍温度重新稳定在[Qmix，Qmax]范围内后，该信息被传递给中央控制器，中央控制器据此进行其他必要操作，如关闭调整装置、发布关联信息等。其他技术也均借助各自所属拓扑结构发挥作用。

2.2  主要作业流程

从作业流程上看，智慧牧场牲畜动态智能感知系统强调以标准化的模式，进行不同模块工作控制。仍以温度监控为例，系统标准化作业模式为：信息收集—信息传递（多执行单元重复、相同）—信息辨识—信息存在异常—下达温度调整指令;信息无异常，不进行动作—反复进行信息收集。

在该模式下，如果智慧牧场内需要管理的对象较多，可采用CAN总线技术进行通信辅助，确保不同管理区域内的信息能够通过独立作业的线路传输至中央处理器。为保证同步信息不存在混乱，通过PLC进行信息的异步处理，保证系统工作的有序性[3]。

3    智慧牧场牲畜动态智能感知系统应用

3.1  模拟应用

为获取智慧牧场牲畜动态智能感知系统工作能力，需要进行模拟应用。模拟采用参数调整分析法，主要观察指标为异常问题察觉率、处理时间、报警时间，可变参数为温度参数、湿度参数、空气成分参数3个方面。实验共分为3个部分：

第一部分，温度实验。借助计算机，反复进行100次模拟，100次均设定温度异常，保持湿度参数和空气成分参数理想且稳定。记录异常问题察觉率、处理时间、报警时间。

第二部分，湿度实验。借助计算机，反复进行100次模拟，100次均设定湿度异常，保持温度参数和空气成分参数理想且稳定。记录异常问题察觉率、处理时间、报警时间。

第三部分，空气成分实验。借助计算机，反复进行100次模拟，100次均设定空气成分异常（CO），保持温度参数和湿度参数理想且稳定。记录异常问题察觉率以及处理时间、报警时间。实验结果如表1所示。

从应用模拟结果上看，在100次温度实验中，智慧牧场牲畜动态智能感知系统可敏锐发觉异常，识别牲畜动态信息，处理时间和报警时间理想。在100次湿度实验中，智慧牧场牲畜动态智能感知系统可敏锐发觉异常，察觉98次，据此识别牲畜动态信息，处理时间和报警时间理想。在100次空气成分实验中，智慧牧场牲畜动态智能感知系统可敏锐发觉异常，察觉93次，据此识别牲畜动态信息，处理时间和报警时间理想。

3.2  系統改进思路

牲畜动态的感知带有动态性特点，在上文模拟实验中，当监控对象出现湿度和空气成分异常时，牲畜动态并未出现明显变化，这表明，仅以传感器作为执行单元仍有不足。建议在后续工作中，采用信息传感器和监控器并用的模式。具体而言，一些可明确感知的信息参数，如温度参数，仍以传感器进行感知，当传感器识别牛舍、猪舍温度异常时，直接给出对应处理。与此同时，部分信息参数的异常无法准确体现牲畜动态，如湿度参数的增加，不会导致牲畜行为明显变化。

为实现信息的精准捕捉，在进行湿度传感的同时，增设可视化监控器，以30～40 km2为范围，设置一处监控器，监控器以有线通信的形式，与中央控制器取得物理形式的连接。当传感器传输的信息表明目标区域湿度异常时，中央控制器仅对该信息进行读取和保存，向管理人员发出通知，不进行各类处理。当监控器内显示牲畜出现行为异常，如不能安卧、频繁走动等情况，由管理人员结合中央控制器存储的信息，进行问题分析，了解“湿度参数异常引起了牲畜的费正常行为”，可据此进行人工参数，利用通风等方式，实现对对应区域内湿度的控制。

其他方面的改进也采用类似思路，强调对多个不同维度信息的集中收集和集中分析、集中处理，使具有分析难度的信息，在自动化技术和人员辅助下得到有效评析，为其科学、及时地处理提供帮助。后续工作中，可进一步强调对现有技术的运用，同时重视对其他关联技术进行补充，提升智慧牧场牲畜动态智能感知系统的工作能力，实现对各类信息的全面捕捉。

4    结语

智慧牧场牲畜动态智能感知系统从设计上看，强调以明确的拓扑结构和功能设计，实现智慧牧场牲畜动态智能感知系统的逻辑控制，系统实现则强调以智能技术、通信技术、差异化控制等方式提供支持，以保证作业流程的相互独立、互不干扰。从系统应用的角度上看，模拟应用和典型应用均提示系统具有积极应用价值，可服务后续工作。

[参考文献]

[1]戈晶晶，丁日忠.以智慧化手段建设环保型海洋牧场—访江苏巴威工程技术股份有限公司总工程师 何文秀[J].中国信息界，2019（5）：74-75.

[2]蒋昊天，朱留存，刘亮.基于NB-IOT和光载无线的智慧牧场系统设计[J].通讯世界，2019（6）：121-122.

[3]郭雷风，王文生，陈桂鹏，等.澳大利亚智慧牧场发展现状及启示[J].农业展望，2018（10）：52-55，67.

Research and application of smart ranch perception system

for livestock in smart pasture

Xie Guang， Yu Shirong

（School of Information and Intelligent Engineering， University of Sanya， Sanya 572000， China）

Abstract：Smart ranch is a ranch managed by modern Internet of Things technology. In the field of smart ranch， the breeding process and processing and sales process of smart ranch have all established a food safety tracking system to ensure the food safety and management convenience of consumers. This paper takes the design of smart ranch livestock dynamic smart sensing system as the breakthrough point， discusses the way of system realization， gives the core support technology， main operation flow and so on， and demonstrates the application value of the system through simulation and typical application analysis.

Key words：smart ranch; livestock dynamics; smart perception system; smart technology