物联网技术在宠物犬福利管理中的应用

张志明，王 辉，边传周，张一帆，武 茜，李建荣，牛卫红

(河南牧业经济学院，河南 郑州 450046)

随着人民生活水平的提高和空巢家庭精神寄托的需要，饲养宠物越来越多，我国的宠物数量屡创新高，且保持强劲的增长势头。截止到2018年底，我国宠物数量达1.75亿只，成为世界第三大宠物市场。宠物犬具有温顺、易驯服和通人性等优点，在宠物饲养中占比最高，约为38%[1,2]。近年来，随着“虐狗门”、狂犬病疫苗造假和“成都柯基犬”等社会事件发生，犬只的生命安全屡受威胁，却得不到基本的法律保护[3]。宠物犬作为人类忠诚的朋友，丰富了人们的精神生活，其生活保障、疾病防治和生命安全保护等福利管理研究成为人们关注的热点话题。借助于RFID识别犬只个体、传感器监测生存环境，GPS实时定位，以及视频通信进行远程互动，可望有效保障和提升犬只福利。

1 研究背景

动物福利的概念最早由美国人休斯提出，后经夏良宙和斯伯丁等人的不断完善，最终将动物福利归结为动物饮食、住所、活动空间和安全的积极需要，以及不受欺凌和伤害的消极需要[4]。英国作为世界上最早研究动物福利的国家，1822年颁布了《马丁法令》明令禁止虐待动物，开创了动物保护立法的先河。随后又颁布了《动物保护法》、《动物福利法》等十多部有关动物保护的法律，成为了世界动物福利标准最高的国家[5]。美国自1859年起明文禁止残酷虐待动物，德国则对动物驯养、繁殖、实验和宰杀等细节做了法律规定[6]。

我国的动物福利研究起步较晚，2004年颁布了《北京市实验动物管理条例》，才正式将畜禽类动物福利管理列入法律保护范畴。宠物福利属于动物福利的一个分支，部分发达国家对宠物福利管理展开了研究和实践，出台了相应的法律。相比之下，我国的宠物福利研究明显落后，宠物福利管理尚未开始，普遍存在着宠物疾病防治不及时、疫苗接种不规范、管理档案不完整等诸多问题。

物联网(Internet of Things，IOT)被称为继计算机、互联网之后信息产业发展的第三次浪潮，为各行业的模式创新注入了新能量。国内外学者结合行业需求，纷纷就物联网在行业中的应用展开了研究与实践，利用物联网技术实现宠物自动化管理的“宠联网”，也逐渐进入大众视野[7]。周锦荣等设计了智能喂食控制系统实现了宠物的定时定量喂食[8]。杨锋设计的定位器实现了宠物的位置追踪[9]。将物联网技术运用到宠物犬福利管理，符合“互联网+”发展战略和宠物人性化管理，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

2 物联网概述

物联网是借助于智能传感器、RFID(Radio Frequency Identification，无线射频识别技术)、激光扫描仪、GPS(Global Positioning System，全球定位系统)、视频通讯、遥感等设备和系统，通过网络按照相关协议进行设备联网和通信，进而实现目标的智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一种智能网络，充分实现了“人—机—物”之间的信息通信和智能化控制[10]。

一般来说，物联网的基本架构由感知层、网络层和应用层构成。如图1所示。

图1 物联网架构图

结合宠物犬福利管理的物联网应用来说，感知层是借助于物联网设备采集犬只管理数据，它是物联网技术的核心和基础，如温湿度传感器监视犬只生活环境、RFID识别犬只个体、GPS进行犬只定位等。网络层是实现数据传输和信息通讯的媒介，包括互联网、传感器网络和通信网络三种，如感知设备获取的数据要通过传感器网络和通信网络传输到数据服务器，面向终端的信息查询则要依靠网络层访问数据服务器。应用层是面向终端用户的信息综合管理平台，通常具有信息查询、统计、分析和预警等功能。

3 国内宠物犬福利管理系统存在的问题

随着民众对宠物福利意识的不断提高，和物联网设备成本的快速下降，基于物联网技术的宠物犬福利管理系统也开始使用。但目前的管理系统还存在较多问题，主要表现在以下几个方面。

(1)系统数据在数量和质量方面存在严重不足。系统采集的数据在全国宠物犬总量中占比很低，也不能覆盖犬只的整个生命周期。同时，数据多为传统的人工采集，其准确性和可靠度不高。

(2)跨系统共享数据的成本过高。当下各管理系统之间的数据标准不统一，缺乏共享机制，各自筑建起了共享壁垒，形成了一个个信息孤岛，数据共享难度大、成本高。

(3)系统对突发事件的信息溯源能力差。由于系统存储的犬只数据量小，共享性差，犬只的饲养人、生活环境、疾病防治、安全保护等数据存在通信鸿沟，针对突发事件的信息溯源和追责存在较大难度。

利用物联网技术能够自动采集犬只生活环境、个体识别、疾病防治等方面的数据，制定数据统一标准，实现共享，进而实现宠物犬的福利管理。通过提升宠物犬福利管理水平，减少由此引发的社会矛盾，进而逐步推进动物福利立法。

4 物联网技术在宠物犬福利管理中的设计

笔者围绕宠物犬福利管理展开研究，运用物联网技术监视犬只生活环境、保护犬只安全和规范犬只疾病防治，具体研究内容如图2所示。

图2 宠物犬福利管理研究内容

4.1 生活环境监控

犬只的生活环境监控是保障犬只福利的关键，为犬只提供舒适的生活场所和充足的饮食，是生活环境监控的重点。

(1)温湿度监控

生活环境的温湿度控制，对犬只健康十分重要。犬只的身体构造不利于散热，环境温度过高易发生中暑。同时，高温高湿环境易促进病原微生物和寄生虫的繁殖，进而导致病原感染引发皮肤病。

温湿度传感器由NTC(Negative Temperature Coefficient)测温元件、感湿元件和内置微处理器构成。其中，感湿元件和测温元件分别测量相对湿度和温度信号，然后经过放大、A/D转换、校准和纠错处理，通过二线串行接口传输给微处理器。如DHT21就是一种优秀的温湿度复合传感器，它借助于连接引脚GPIO5与微处理器ESP8266进行周期性通信，从而实现准确的温湿度监测。如图3所示。

图3 温湿度传感器连接电路图

为了准确获取犬只生活环境的温湿度，多传感器布设是目前国内外学者普遍采用的方式。即在监控范围内布设多个传感器节点，然后借助于相应的数学算法计算平均值，如最佳平方逼近最小二乘法和自适应加权平均算法等。

(2)饮食监控

饮食供应是宠物福利的最基本保障，基于物联网的宠物智能喂食管理控制已相当成熟[8]。笔者利用重力传感器和水位传感器实现了宠物智能喂养，并采用视频交互模块实现宠物犬的远程交互式智能喂养，其系统设计如图4所示。

图4 智能喂食系统设计

该系统借助重力传感器和水位传感器实时采集数据，并将数据传输给STM32微处理器，再由微处理器控制驱动电路启动饮食电机，完成自动喂食。另外，系统集成了视频交互模块，通过该模块可以完成宠物的实时监控和互动，如远程语音呼唤等。整个系统通过网络与管理信息系统相连，进一步提升宠物饮食监控的自动化水平。

4.2 犬只安全保护

(1)犬只个体识别

实现个体识别是保障犬只安全的必要前提，借助于植入式RFID标签来标识犬只，这也是目前比较成熟的方式[11]。

RFID利用了无线电射频通信的非接触式自动识别技术，具有标签识别距离远、读取速度快和数据传输安全等优点，被广泛运用于各行业的数据采集。RFID系统一般由标签、阅读器、天线和信息系统构成，如图5所示。其中，标签存储着唯一识别目标的编码，阅读器借助天线发出射频信号，进而获取标签信息，再通过网络传递给信息系统[12]。

图5 RFID系统构成图

通过犬只皮下注射的方式植入高频RFID标签，可以实现犬只远距离无接触识别。再借助于信息系统犬只和饲养人之间的外关键字联系，实现犬只和饲养人之间的对应，从而有效解决犬只归属、遗弃和犬只伤人的事后追责等社会问题。

(2)实时定位

通过GPS实现犬只实时定位，能够有效降低犬只走失概率。GPS是目前使用最为广泛的定位系统，它由分布在6个不同空间轨道平面的24颗人造卫星，以及地面接收器和基站组成，采用WGS84坐标系，其定位原理如图6所示。

图6 GPS定位原理

GPS能够根据其中4颗(或4颗以上)卫星和地面接收器之间的距离，进行数学计算实现目标定位。同时借助于卫星与地面已知基站距离加以计算修正，从而提高计算精度。目前，民用GPS定位精度为10 m。

考虑到GPS接收器的供电问题，笔者采用了集成GPS接收器和通信模块的智能项圈[13]。犬只户外活动时佩戴项圈，借助于GPS接收器功能实现位置定位，并通过通信模块将犬只位置信息发送到终端设备，实现位置监控，降低宠物走失概率。

4.3 疾病防治规范

疾病防治是宠物犬福利管理研究的重要内容。加强犬只疫苗规范化注射，建立完整的犬只健康病历档案是犬只健康的保障。同时，还能够有效降低由犬只伤人而引起的疾病感染概率。

植入皮下的RFID标签能够确保犬只唯一性标识，结合宠物医院和有关管理部门的信息系统，进而实现犬只疫苗的规范化注射，以及建立起完整的犬只病历档案。借助于RFID标签，系统能够轻松实现犬只和饲养人的对应关系，进而有效推送疾病防治信息，如定期提醒狂犬疫苗的注射等。同时，RFID标签作为犬只唯一的终生标识，还能够追踪其死亡后的尸体信息，从而对犬只尸体的无害化处理进行监管，减少疾病传播。

宠物智能项圈作为一个外置设备，除了能够集成GPS模块完成定位外，还可以添加三轴加速传感器和温度传感器等感知模块，分别用于监测犬只的有效运动和实时体温，从而确保犬只的健康。

5 结语

将物联网技术运用到宠物犬福利管理，既保护了犬只安全，规范了疾病防治和日常管理，化解了由犬只管理不规范引起的社会矛盾，又实现了犬只生活数据的自动化采集，保证了数据的准确性和完整性，有助于推动数据统一标准，打破数据壁垒，降低数据共享成本。同时，运用物联网技术提升宠物犬福利管理的信息化水平，可为我国宠物福利管理提供参考和技术支持，对动物福利立法研究提供参考。