基于卫星物联网的牧场管理应用及其经济性分析

文|梅国涛 邱庆举 熊福焰

1.青岛上合航天科技有限公司

2.烟台大学经济管理学院

一、前言

物联网很大程度上受制于通信基础设施的发展，目前的三种通信方式为地面有线网、地面无线网和卫星通信网。地面通信网在覆盖能力上有一定受限：我国80%以上的陆地和95%以上的海洋无地面网络覆盖。我国天通一号卫星在2016 年首发01 星，目前已完成3 颗卫星发射，可覆盖中国及周边、西太平洋、东南亚地区，具有语音、短信、数据服务能力。2021 年11 月12 日，天通卫星运营商中国电信卫星公司发布天通物联网应用，天通物联网开启试运行。北斗三号全球卫星导航系统已于2020 年7 月31 日全面建成开通。北斗三号系统相比北斗二号系统，在覆盖范围、定位精度、授时精度、短报文容量方面有较大升级，区域短报文容量从120 个汉字/次升级到1000 个汉字/次，通信容量大幅提升，覆盖范围也从亚太地区提升到全球。

一直以来，牧场管理因牲畜移动性受到很多管理技术的限制。发展牧场物联网技术，特别是牧场牛羊监控物联网，对牧场的管理水平提升有重要意义。我国重要的畜牧基地有新疆、西藏、内蒙古、青海等，在这些偏远地区，放养牲畜的数量一般比较庞大，上千只羊群、牛群和马群在草原上放牧随处可见。传统放牧存在牲畜盗窃难防范、牲畜丢失难找回等问题，以及牛羊进入危险区域或者庄稼地、森林等造成财产损失，对劳动力的需求是刚性的，同时过度放牧导致生态恶化，也影响畜牧业的发展。因此，通过智能设备获取牲畜所处环境、位置、健康和生理信息等数据，经由网络传输到大数据平台进行统计分析，再将结果可视化后呈现给用户端，一方面实现信息数据的科学准确采集，为政府及养殖基地管理、决策提供科学依据，另一方面牧民可通过手机APP 轻松实现智能化、信息化养殖。国内外已有如瑞典Sveaverken、澳大利亚Moovement、国内几米物联等多个企业推出基于地面蜂窝通信的牛羊监控物联网终端，但这些畜牧基地地处偏远，存在无移动网络信号覆盖地区的数据远程传输问题，所以通过卫星通信终端来实现牧场牛羊监控，如北斗短报文通信，可实现感知信息的全天候、全天时及无缝传递，可有效支持牧场的智能化管理，特别是牛马羊定位与监控管理。

二、国内外基于卫星物联网的牧场管理应用

1.国外基于卫星物联网的牧场管理应用

2019 年，蒙古国Spotter 应用Globalstar 的SmartOne C IoT 进行马匹监控。该地区马匹有时会跋涉数百千米寻找好草，也可能会在暴风雨中迷路，从而增加了失踪和被盗的风险，目前现场部署了5000个Spotter 项圈。

2021 年，美国Global Satellite Engineering 基于低轨卫星星座Globalstar 资源开发了一款GSatSolar太阳能卫星监控终端，并于2021 年2 季度上市。产品仅有22g，以耳标方式安装，与卫星直连。澳大利亚Ceres 同样基于低轨卫星星座Globalstar 开发了Ceres Tag 太阳能卫星监控终端，与GSatSolar 产品相近，于2021 年12 月开始陆续应用。

荷兰Hiber 基于Inmarsat 卫星星座开发了一款集成LoRa WAN 的网关产品，通过安装在牛羊身上的LoRa 终端，将牛羊定位数据传送至网关，然后网关与卫星直连，实现数据回传。

通过对国外基于卫星物联网的牧场管理终端进行分析（表1），其实现方式分为两类，一类是与卫星直连的卫星终端，一类是借助卫星网关进行数据回传的LoRa 终端。

表1 国外牧场管理卫星终端对比分析

2.国内基于卫星物联网的牧场管理应用

在新疆、西藏、内蒙古、青海等主要畜牧基地，牧民通常每天都要骑着摩托车追赶六十到八十千米外的牛群。早在“十二五”期间，牧民就已经开始通过给牛羊安装北斗项圈，用手机准确定位牛羊位置，从而一定程度上降低了牧民的劳动强度。除了国内，该应用也在蒙古、哈萨克斯坦、塔吉克斯坦等“一带一路”国家落地。2017 年，对于无地面蜂窝网络覆盖区域，出现了通过北斗短报文进行牛羊监控的牧场管理应用，采用的是类似于GSatSolar 和Ceres，即与卫星直连的卫星终端的方式，但受限于成本较高，基于卫星物联网的监控终端未大规模应用，目前牧场牛羊监控管理还是以地面蜂窝通信为主（图1）。

图1 地面蜂窝网络与无地面蜂窝网络卫星直连方式网络链路示意图

三、基于卫星网关+LoRa 终端的卫星物联网牧场管理系统设计

国内卫星物联网应用主要有北斗卫星和天通卫星资源，北斗卫星已有产品应用于牧场牛羊监控管理，天通卫星具有更高的通信速率，但终端尺寸要大于北斗，因此结合牧场牛羊管理场景特点，结合LoRa 无线通信模块具有低功耗、低成本、相对长距离通信的优势，针对性提出天通卫星+LoRa 结合的通信方式，实现高通信速率的应用与低成本、小型化LoRa 终端的集合，满足牧场牛羊监控大批量、小型化、低成本的需求。

1.系统架构

本方案采用天通卫星网关+LoRa 终端方式（图2）。通过开发一款具备卫星通信和LoRaWAN 通信功能的网关终端，和一款具备LoRa 通信和GNSS 定位功能的节点终端，以区域组网的方式实现小范围内大批量终端应用场景下的低成本应用。

图2 卫星网关+LoRa 终端方式与卫星直连方式网络链路示意图

2.系统硬件设计

（1）天通物联网网关

网关硬件原理框图设计采用MCU 模块+天通通信模块+4G 的架构，外围配合LoRa、WiFi、ETH、FLASH、DDR3、电源管理等模块来实现功能要求。终端软件功能包含天通卫星通信、地面4G 通信、北斗/GPS 定位、网关状态显示/上报、手机APP 访问、网页访问、数据文件收发、远程/本地固件升级、远程/本地终端配置、LoRa 网关、节点数据转发。图3 为网关终端与安装示意图。

（2）带有温度、运动量监测传感器的LoRa 节点

节点硬件原理框图设计采用MCU 模块+LoRa通信模块+定位的架构，外围配合FLASH、温度传感器、运动量监测芯片、电源管理等模块来实现功能要求。软件功能包含北斗/GPS 定位、温度监控、运动量监控、数据文件收发频率可调、远程固件升级、LoRa 网关通信、本地终端数据存储。

3.系统应用——以东北某牧场应用为例

（1）应用场景情况

图3 网关终端与安装示意图

以偏远的东北某牧场为例进行系统应用阐释。牧场所在区域，仅村镇所在地有地面蜂窝网络信号，放牧区域无网络信号覆盖。整个牧场区域共有7 万～8 万头牛。牧场内平均每个养牛户有80 ～120头牛，不需要全部监控，只需重点监控其中10 ～20 头领头牛。每年6—9 月牛群会散养在牧场，每个农户100多头牛的牛群分布在方圆10km范围内。

（2）应用测试情况

经过上千次点位测试，数据回传成功率100%，未出现丢点现象。位置、温度、加速度数据回传正常。展示平台直观、易操作，满足用户监管需求。

（3）应用价值

1）降低失踪和被盗的风险。主要通过两方面控制：一是可以设置电子围栏，一旦牛群跑出电子围栏，可以短信或电话方式向农户报警，农户可基于位置信息及时采取措施；二是终端具有拆卸报警功能，防止恶意拆除和偷盗。

2）降低劳动力成本。每年6—9 月份放牧期间，养牛户会雇佣工人现场监管放牧，每个工人每月工资4000 ～5000 元，放牧时间4 个月左右。通过监控终端的应用，可以取代或者减少放牧工人。

3）降低病死风险。通过对牛的运动和温度的监测，可以监控牛的健康状况，对出现问题的牛及时进行治疗和管理，可有效降低病死损失。

4）提高繁殖效率。通过对牛的运动监测，进行行为分析，及时提醒发情期进行人工干预，提高繁殖效率。

5）增加产量。通过对食草区域分析，结合后期牛的增重情况，可以识别优质食草区域，实施针对性放牧，从而增加产量。

（4）牧场监管成本

牧场现有的监管成本主要有显性的监管工人工资，以及隐性的牛失踪、被盗、生病等风险成本。

根据与牧场主的现场调研，监管工人工资按4000 元/月计算，每年放牧时间预计4 个月，合计每年1.6 万元。牛失踪、被盗、生病等风险成本按照3 年损失一头牛计算，一头牛成本预估1.5 万元，平均每年损失为0.5 万元。公式如下：

式中：CS 是牧场监管年投入成本，CH 是年工人工资，CR 是年牛失踪、被盗、生病等风险成本。

未安装卫星监控终端情况下，合计年监管成本CS=1.6 万元+0.5 万元=2.1 万元。

安装卫星监控终端后，仍需要一部分工人监管，根据现场测试，按减少3 个月的工人监管进行计算，可减少人工成本1.2 万元，失踪、被盗、生病等风险成本0.5 万元，合计每年可减少监管成本约1.7 万元。

四、国内外系统方案成本分析

目前，主要有卫星终端直连、卫星网关+LoRa终端两种方式。首先对两种方式中不同卫星星座应用的使用成本进行对比分析，使用成本主要由终端硬件成本和终端流量成本组成，卫星网关+LoRa 终端的方式5 年使用成本较低，为800 ～870 元/终端。

采用卫星终端直连的方式，GSatSolar 终端成本最低，但使用寿命短，第4 年需更换新终端，会造成成本增加；澳大利亚Ceres累计5年使用成本最低，为1040 元；北斗终端采用北斗二号RDSS 方案进行计算，累计5 年使用成本最高，为3500 元。

采用卫星网关+LoRa 的方式，按照多个农户共用一个网关进行计算，将网关成本平均分摊到终端成本中，Inmarsat 网关成本按照2.5 万元计算，100个终端分摊成本为250 元/终端，LoRa 终端成本按照500 元计算，Inmarsat 年流量费为24 元/终端，因此第1 年每个终端使用成本为250+500+24=774元；天通网关成本预估1.5 万元，100 个终端分摊成本为150元/终端，LoRa终端成本按照500元计算，天通年流量费为30 元/终端（天通采用9.6kbps 流量年套餐进行计算），因此第1 年每个终端使用成本为150+500+30=680 元。后续，每年使用费用主要是流量费用和终端更新费用。

由以上计算，Inmarsat 第1 年终端使用成本为774 元，第5 年使用成本为870 元；天通第1 年终端使用成本最低为680 元，第5 年使用成本最低，为800 元。

计算依据：按照部署100 个终端，每天回传4条小于42byte 数据，计算国内外不同方案累计使用成本。公式如下：

式中：CI 为终端使用成本，C1 为终端硬件成本，C2 为终端流量成本。具体计算结果如表2 所示。

表2 国内外典型牧场管理卫星终端累计使用成本计算结果 元

五、国内外系统方案应用经济性分析

1.100 头牛安装12 个终端的经济性分析

基于成本效益分析，以东北某牧场应用为例，按100 头牛计算，以最经济的方式，只在头牛安装卫星物联网终端，预计安装12 个终端。

采用卫星物联网系统后每年可降低成本约1.7万元，五年可降低成本8.5 万元。

按照以下公式计算效益：

式中：CP 即是安装卫星监控终端后效益，CI 为采用卫星物联网系统所增加的成本，CH 是年工人工资，CR 是年牛失踪、被盗、生病等风险成本，X 为安装终端数量，其中（CH×3/4+CR）=1.7 万元/年。

由此计算，若采用卫星物联网系统，按照采用天通卫星网关+LoRa 终端方式，五年累计使用成本为0.96 万元，五年累计可节约成本为8.5 万元-0.96 万元=7.54 万元，节约成本最多。不同方案5年效益如表3 所示。根据表3 计算，除北斗终端需要约2.5 年投资回收期外，其余方案均小于1 年即可收回投资成本。

表3 按照12 个卫星终端计算牧场年效益 元

2.100 头牛全部安装终端的经济性分析

但是如果为了达到更好的监控效果，对首次投入成本不敏感，牧场主对每头牛都进行监控，总计安装100 个终端，五年可降低的成本仍是8.5 万元，经过计算，五年增加的成本为8万元至35 万元。按照成本最低的天通卫星网关+LoRa 终端方式，五年累计使用成本为8 万元，五年累计可节约成本为8.5 万元-8 万元=0.5 万元，与采用人工监管方式成本基本相当。不同方案5 年效益如表4 所示。据表4 计算，除天通终端能够在5 年内完成投资回收外，其余方案投资回收周期均大于5 年。

表4 按照100 个卫星终端计算牧场年效益 元

3.小结

虽然卫星网关+LoRa 终端方式从效益上计算更经济，但也要认识到，卫星网关安装架设成本较高，且后期需要不断维护，对于普通农户，难以接受前期的较大投入，并且卫星网关覆盖区域有限，且容易受障碍物遮挡，对于部分有遮挡或者放牧区域较大的场景不适用。

整体来看，卫星通信终端在牧场管理的应用可以首先从小范围头牛安装、卫星终端直连的方式进行，以降低前期成本投入，快速取得效益；在后期大批量应用可以考虑卫星网关+LoRa 终端的方式进行，以降低整体成本，提高监管质量，同时可以推动卫星通信应用的快速发展。

六、结语

通过在偏远无地面蜂窝网络信号覆盖区域的牧场安装应用卫星监控终端，可以有效提高监管效率，降低监管成本，增加农户效益。同时也要看到，作为一项新技术，特别是卫星网关方式，如果有政策或者组织、企业推动网关设备的安装建设，从而带动农户的卫星物联网终端、系统应用，将会对偏远地区牧场管理起到较大的促进作用，同时也会加快卫星物联网的发展和应用领域拓展。