智慧牧场大数据信息系统的研究与应用

郗风江，张 锐，郭洪飞

(1.内蒙古遥感中心有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010010；2.天津科技大学 电子信息与自动化学院，天津 300222；3.暨南大学 物联网学院，广东 广州 510632)

随着我国经济的快速发展，我国的畜牧业得到了迅速的发展。但是传统畜牧业模式下的牧场管理方式落后，生产效率相对低下，产品质量良莠不齐，不能切实地提高其养殖和畜牧的智能管理水平，严重影响到畜牧业整体发展。利用物联网、大数据等新一代信息技术提高牧场的管理水平是亟待解决的现实问题。

1 国内外研究现状

综合国内外研究现状，现有的研究在牲畜项圈、牲畜定位、电子围栏、GIS信息平台、手机App等领域取得了较多的成果，但是没有针对综合草原的牲畜、圈舍、气象、草场信息因素进行牧场决策的大数据信息系统。尤其在当今“互联网+”的热潮中，畜牧业应该快速发展到“互联网+”的前沿，充分利用互联网、大数据、3S、物联网、人工智能、无线通信技术、电子技术等新一代信息技术，提升畜牧业生产、经营、管理和服务水平，形成网络化、便利化、实时化、感知化、物联化、智能化、精细化的现代畜牧业新模式。

2 主要研究内容

针对目前草原牧场对牲畜的自动化放牧管理以及智慧决策研究不足的需求。对牲畜实时定位等信息采集处理设备，智能化牧场地理信息系统，面向自动化放牧的智慧牧场大数据信息平台展开研究，主要研发内容，如图1所示。

2.1 开发牲畜实时定位等信息采集处理设备

设计牲畜智能穿戴式项圈，通过内嵌定位、心跳等传感器可实时对牲畜的追踪定位、行为状态以及生理体征进行监测；研发圈舍、气象智能网关，采集圈舍和草场环境参数和视频数据，对视频数据进行深度学习处理，分析识别牲畜异常行为(疾病防治、伤病报警等)，并与云服务器的大数据信息系统软件交互；研究低功耗、高可靠性无线传感网络的通信协议，设计具有快速响应的通信时序以及较低通信数据量的数据格式，降低无线传输时间，实现低功耗网络。

2.2 构建智能化牧场地理信息系统

研究草场高时空分辨率卫星数据的获取与处理，结合地面数据，预测与评估草原草场土壤水分时空分布变化规律，分析云服务器中草场遥感和牲畜位置数据，结合GIS系统中的空间实体数据，建立智能化牧场地理信息系统。

2.3 设计面向自动化放牧的智慧牧场大数据信息平台

存储牲畜、圈舍大数据，气象大数据，草场大数据，具有以下功能：电子围栏实时预警、定位监控、草场管理、牲畜信息化管理、牲畜健康分析以及大数据管理。用人工智能技术对自动化放牧规划，环境控制，对牲畜科学饲养、疾病防治、伤病报警、野外抢救进行决策分析，实现对草场牲畜的自动化放牧管理。

3 系统实现的技术路线

3.1 牲畜实时定位等信息采集处理设备的研发

3.1.1 牲畜智能穿戴式项圈研发。设计可佩戴牲畜身上的智能穿戴式项圈，通过内嵌定位、心跳、温度、陀螺仪和加速度传感器可实时对牲畜的追踪定位、行为状态以及生理体征进行监测。头羊/牛采用卫星/NB-IoT/LoRa多模通信方式，其他牲畜采用NB-IoT/LoRa双模通信方式，在无移动通信信号时，通过LoRa与头羊/牛通信后再发送信息至低轨卫星，在有移动通信信号时，所有牲畜自动切换至NB-IoT通信模式。

3.1.2 圈舍和气象智能网关研发。研发圈舍智能网关，采集温湿度、氨气、光照数据等圈舍环境参数和视频数据；研发气象智能网关，采集空气温度、湿度、光照强度、气压、风速、风向、雨量等气象环境参数、土壤信息和视频数据。在智能网关的覆盖范围内牲畜通过LoRa技术可将项圈中的位置等信息上传至圈舍或气象网关。在网关上进行预处理特别是视频信号的深度学习处理，对牲畜异常行为(疾病防治、伤病报警等)进行分析识别，利用大数据信息平台或手机App软件控制圈舍门等设施状态。然后由网关通过4G或低轨通信卫星方式实时与安装在云服务器的大数据信息系统平台软件交互。

3.1.3 设备间低功耗无线通信协议研究。针对牲畜之间的无线通信，研究低功耗、高可靠性无线传感网络的通信协议，针对无线传感网络中多对一的情况设计了防碰撞处理算法，设计具有快速响应的通信时序以及较低通信数据量的数据格式，模块间采用统一格式，减少程序解析时间，可以降低无线传输时间，实现低功耗网络。

3.2 智能化牧场地理信息系统的研究

研究牧草生育期卫星数据的获取与处理方法，从相应区域的遥感影像上提取反演得到以下指标：植被指数(NDVI)、地表温度(LST)，并运用Sandholt(2002)等提出的温度植被干旱指数(TVDI)，反演得到研究区的温度植被干旱指数。地面数据主要是分析区草场牧草的植被覆盖度和土壤水分，定时生成实时图。研究草场土壤传感器的分布情况，通过设置气象站和采用空间插值法，测量空气温度、湿度、光照强度、气压、风速、风向、雨量等环境参数。将反演得到的TVDI与测量数据进行相关性分析后，研究区旱灾情况的等级划分，预测与评估草原草场植被的土壤水分时空分布变化规律。利用牲畜项圈中安装的GPS和北斗双模技术定位装置，在放牧中把采集的位置信息发送到云服务器。云服务器大数据信息平台分析草场遥感和牲畜位置数据，结合GIS系统中的空间实体数据，设计出智能化牧场地理信息系统，做出智慧决策。

3.3 面向自动化放牧的智慧牧场大数据信息平台的研究

大数据信息系统包括牲畜、圈舍大数据，气象大数据，草场大数据，研究人工智能技术，对自动化放牧进行智慧决策分析，实现畜牧业的智能化管理。系统包括以下功能：电子围栏实时预警、定位监控、草场管理、牲畜信息化管理、牲畜健康分析以及大数据管理。

3.3.1 电子围栏实时预警。智能项圈的定位功能和电子围栏技术相结合，一旦牲畜活动范围超出特定区域，则可以发出报警信息，使牧民能够第一时间进行处理。

3.3.2 定位监控。通过智能项圈的定位模块可以采集牲畜的位置信息，采用物联网技术发送到系统平台使牧民能够容易地了解到各个牲畜的位置信息，方便对它们进行管理。

3.3.3 草场管理。采集遥感和地理信息系统以及相关传感器发送的数据，并进行实时分析牧场传感器获取的土壤和牲畜的信息，以及牧场外获取的气象信息。平台采用B/S结构，实现通过网页浏览器显示数据的功能，牧民可观察到牧场的地理信息，并可以观测各个传感器实时采集的数据，实现牧民对牧场的智能化管理。

3.3.4 牲畜信息化管理。通过对牲畜佩戴RFID电子耳牌可对其进行信息化管理，将牲畜的体重、年龄、发情期、配种信息以及种类等信息记录到电子耳牌中，并对其进行实时更新，方便牧民对牲畜进行管理。

3.3.5 牲畜健康分析。智能项圈的传感器采集牲畜的生理特征数据并通过物联网发送到系统平台。通过采集牲畜的心跳、体温以及体重来判断牲畜的健康状况。智能项圈嵌有陀螺仪和加速度传感器对牲畜的运动量和动作进行识别。研究特征提取以及滤波等算法对牲畜异常行为进行分析，目的是判断牲畜的健康状况以及是否处于发情期，使牧民能够对其进行管理。

3.3.6 手机App软件。设计牧民手机App软件，具有查询牲畜、圈舍、气象、草场信息，控制圈舍门等设施的状态以及实时获取牲畜位置、历史轨迹回看、电子围栏、实时报警等功能。

3.3.7 大数据决策。将相关传感器采集的数据发送至中央云服务器，使传感数据与相关数字服务相结合，减少成本提高效率。用大数据等新技术来解决海量数据的存储、分析和挖掘问题，增加对草原牧场传感数据的应用，完成对突发事件的早期探测和监控，用机器学习技术实现放牧规划、科学饲养、疾病防治、伤病报警、野外抢救、环境控制、牧场可持续管理等功能，建立一套切实可行的智慧牧场大数据信息系统平台。

4 结束语

智慧牧场大数据信息系统平台已经在四子王旗查干补力格苏木进行了测试，取得了阶段性的成果。系统完成并产业化应用后，可实现畜牧企业对草原牧场的科学管理，提高管理工作效率，可以大大降低牧场管理成本，理想状态下可降低单个牧场管理成本50%，提高牲畜质量，降低死亡率，保证牧场的经济效益，可增加收入25%。同时也有助于草原牧场生态环境保护建设，可发挥对畜牧业经济增长的支撑作用，实现牧场建设的高效、可持续发展，从而促进经济的发展。