母猪精细养殖管理物联网平台的建立

引言

国内养猪产业正朝向规模化、现代化方向发展，以高效的生产来应对日益增长的生产成本和波动的市场行情。与市场发展不相符的是大多数猪场的设施化、信息化水平亟待提高,影响整体养殖效益;养殖环境简陋，不能提供适宜生长的环境,都对猪病预防不利；养殖设施水平落后，饲料配送主要是靠人工完成，劳动强度大，饲喂量控制靠饲养人员主观经验判定,导致饲料浪费；管理模式陈旧，总体管理水平低，大多利用人工记录的方式，未建立信息化的管理模式。

农业物联网是物联网技术在农业生产经营管理中的具体应用，通过操作终端及传感器采集各类农业数据，基于无线传感器网、移动通信网和互联网实现信息传输，实现对农业生产过程监控、农业数据远程采集和测量、农业远程诊断等方面的信息化需求。农业物联网目前尚处于起步阶段，已有一些探索和成功应用案例，如农业环境监测、温室控制、节水灌溉、气象监测、产品安全与溯源、设备智能诊断管理等。

借鉴畜牧业发达国家的经验，将传统养殖设施和技术与物联网相结合，集成自动饲喂器、发情监测器、分离门等养殖设施与装备，采集养殖环境参数和动物生理参数的传感器技术、电子标签与阅读器等动物标识技术、移动终端及互联网技术，所建立的母猪精细养殖管理物联网平台具备如下功能:

母猪耳标识别、基于电子标识的自动称重、分群管理技术；

母猪生理参数和行为方式的监测技术；

母猪个体的养分精确供给与自动饲喂技术。

1物联网管理平台的功能设计

1.1养殖环境监控

通过猪场养殖环境监控系统可对猪舍养殖环境进行监测和控制，采集猪场养殖环境(如温湿度、光照强度、大气压、氨气气体浓度、硫化氢气体浓度等)参数，自动控制猪舍通风设备、光照系统、湿帘系统和加热设备。图1所示是一种猪场环境参数采集与传输方案。

环境参数传感节点中的环境指标监测传感器和无线传输模块，可根据环境指标的测定要求布置在猪舍内部和猪场主要废气排放点。传感节点通过自组织的方式构成智能无线传感网络，把监测到的相关环境参数数据实时地沿着节点多跳式进行传输发往基站。控制器通过驱动电路得到被控设备的运行状态，通过多跳的方式也发往基站。基站将监控数据以表格和曲线的形式通过串口发往监控站点，用户通过监控站点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务，以查看监测数据。

1.2母猪生理参数监测

基于无线传感网建立母猪生理参数监测系统，采用传感器有测量体温、脉搏、呼吸的传感器，给母猪佩带无线传感器节点，通过无线路由将采集信息(如体温、脉搏、位置信息)收集到汇聚节点，再通过网络传送到服务器上，对其发情、健康状况和疾病通过手机等移动终端进行实时预报、预警。

体温是衡量动物健康状况的重要参数，采用传统方式测量家畜体温存在操作不便及产生应激等困难。开发无线动物体温测量系统，由温度传感器、温度信号处理器和无线发射器构成，可远程高精度获得动物体温信息。初步获得的体温传感器，测温灵敏度为0.2°C。

正确识别母猪正常发情是获得母猪适期配种时间和提高其受胎率的技术关键。目前，大部分种猪场识别母猪发情仅依靠人工观察的手段来完成。开发基于母猪行为方式的发情监测系统，可有效减少母猪非生产繁殖的天数与投入的人工费用。

1.3母猪标识系统

母猪通过RFID耳标进行个体标识，具有识读距离远,灵敏度高，在运动中可正确读取和安全性高等特点。RFID耳标可配合自动饲喂设备、自动称重设备和其他设备，构成自动数据采集系统。如系统会自动读取并记录每头生猪的电子标识号码+采食量+体重等，传送到电脑数据库中。

RFID专用识读设备根据外形和功能的不同，可以分为固定式通道识读器、棒形和掌上电脑型识读器。其中，固定式通道识读器采用大型天线和交流供电，发射功率大，可安装在生猪通道中，识读距离可达50cm；棒形识读设备是国外养殖场使用最广的识读设备，外壳采用高强度材料，达到工业等级，可靠耐用，更有大容量数据存储功能和蓝牙无线数据传输功能，可以识读符合国际动物识别标准的所有类型电子标签;掌上电脑型识读器内置RFID读写模块和GPRS通讯模块,主要用于管理员巡视和兽医操作。

2物联网平台设计

2.1平台总体架构

母猪精细养殖管理物联网平台的总体架构可基于层次化方案设计，在系统层次之间设置标准软硬件接口，提供完整的整体解决方案和开放性的事务性系统接口。图2所示是猪场物联网平台的总体架构。

系统中的数据采集系统主要面向养殖场生产现场，是集成有无线传感网、RFID、有线监控系统、环境控制子系统等技术建立的数据采集平台。平台包括现场数据采集网络、采集传感装置及采集设备接口，可以自由组网，汇总网络内的各类相关传感信息。

在数据汇聚系统中，数据经过融合、前端处理和汇总,根据不同现场条件，采用以太网、蓝牙、Wi-Fi、3G网络等多种数据接入方式，通过远程方式来高速传输数据。

数据处理中心是远端专门建立的数据处理中心，可接收各种海量传感数据，并应用云计算、专家系统等技术形成数据处理、显示、使用系统平台，并提供快速有效的反馈功能。数据处理中心采用核心加密数据库及算法，对外提供通用型数据处理接口和应用接口。

应用系统模块可提供各业务系统管理软件，包括养殖场管理系统、专家系统、兽医监测与治疗系统等，是实现母猪精细养殖管理的综合信息平台。

2.2物联网节点技术

针对数据采集系统的特点，无线传感网设计采用如图3所示的ZigBee方案。其中，ZigBee协调器是ZigBee网络的核心，负责网络的建立及数据存储，同时具有ZigBee路由器的通讯功能，一个网络中只能有一个协调器。协调器通过GPRS/3G通讯部件接入互联网，将数据传输到云端服务器。ZigBee路由器负责通讯信息的中转，在信息采集节点和协调器之间起联络作用。ZigBee路由器同时具有接入传感器的功能，一个ZigBee网络中，可以有多个路由器。系统中的信息采集节点携带ZigBee通讯部件,能自动寻找附近的ZigBee路由器，加入ZigBee网络，并定时向网络发送监测数据。

2.3物联网平台软件架构

猪场管理物联网平台的软件基于SaaS架构，它是RFID、传感器等物联网技术与云计算、SaaS软件技术的集成。

SaaS的前身是ASP（ApplicationServiceProvider，应用服务提供商）。在这种模式下，企业不需要购买硬件服务器、软件系统和带宽，只需要支付租用费，上网就可以享受到相应的硬件、软件和维护服务，享有软件使用权和不断升级的服务。设计出色的SaaS应用具有可扩展性、多用户高效性，而且可配置。确保客户应用配置的简易性，同时还不必为每项配置支付额外的开发或运营成本。SaaS平台主要解决两个方面的问题：

一是节点设备的互联互通。物联网架构中存在大量终端节点，需要建立统一的网络连接规范。简单对象访问协议SOAP（SimpleObjectAccessProtocol）主要应用于TCP/IP的网络环境，对于廉价、低功耗传感器过于复杂。笔者选择远程过程调用RPC（RemoteProcedureCall）中间件技术，数据交换格式为JSON（JavascriptObjectNotation），在ZigBee网络中实现数据无缝传输。

二是多租户体系。多租户技术在多用户的环境下，共用相同的系统或程序组件，仍可确保各用户间数据的隔离性，传统的关系型数据库未考虑多租户应用。笔者选择一种非关系型（NOSQL）的数据库MongoDB,特点是高性能、易部署、易使用，存储数据非常方便，并且是免费开源的。

2.4猪场管理信息软件

在典型猪场业务分析的基础上，可设计猪场生产管理系统框架，称为“网上牧场”平台。平台基于物联网技术和SaaS技术，可实现对母猪养殖数据实时采集监控和信息管理，为兽医部门提供远程监控和诊断手段，为管理者和投资者提供基于网络的远程数据监控平台，以便随时掌握养殖状况。

应用系统包括生产管理、繁殖育种、兽医防疫、溯源管理、物料管理、报表管理等模块。每个模块可作进一步细分，如生产管理业务可以细分为基础母猪/哺乳仔猪管理、基础公猪的管理和猪群管理。猪群管理又可以分为断奶猪群管理、生长猪群管理、育肥猪群管理等。图4所示是该母猪精细养殖物联网平台应用系统的功能结构示意图。考虑到不同猪场生产规模和生产方式的差异，系统设计采用自顶向下的模块化的设计，而在具体的编程中又采用了面向对象的程序设计方法。

3系统实施实例

该母猪精细养殖管理物联网已在常州市康乐农牧有限公司实施。实际使用证明，应用温度、湿度、照度、风速和氨气浓度等传感器建立的猪舍环境参数采集系统，可以为生猪提供良好的生存环境；为母猪和后备猪佩戴电子耳标，有利于快速识别猪群和猪只，实施数字化管理；基于嵌入式技术和无线局域网，开发手机、PDA等移动终端，实现猪场信息采集和生产管理等各项功能。记录种猪的完整谱系、繁殖育种生产记录，以及免疫、检疫、猪病和投入品记录等，构建母猪精细养殖数据库。图5所示是该母猪精细养殖物联网系统节点示意图。

图6所示是该母猪精细养殖物联网系统的软件界面。

4结语

针对目前我国养猪业信息化应用水平低，信息化投入预算少，设施投资不足，数字化管理程度不高等实际情况，急需建立一个综合性产业信息平台。利用物联网可自动、实时监测动物的行为和健康状况，对动物的发情、疾病、疫情等进行监控和预警，以便能对养殖场环境、动物健康、养殖、繁殖情况进行实时监控管理，实现自动化、智能化、现代化、可监控的数字化养殖系统。

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