智能化技術(shù)在畜牧生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

胡紀(jì)通，張永慶

（山東畜牧獸醫(yī)職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261061）

近十年來，隨著信息化和工業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展，人工成本的增高，畜牧業(yè)智能化生產(chǎn)的發(fā)展勢頭很好，尤其是養(yǎng)殖環(huán)節(jié)，新場舍的建設(shè)基本都遵循這個標(biāo)準(zhǔn)；進(jìn)料飼喂和糞便收集是養(yǎng)殖場的關(guān)鍵內(nèi)容，都向智能生產(chǎn)化方面靠攏，這些涉及場舍的布局和基礎(chǔ)建設(shè)，是建設(shè)前所必須考慮的；除了進(jìn)料飼喂和糞便收集，其它的智能生產(chǎn)內(nèi)容，主要涉及電路和網(wǎng)路，不涉及大的物理環(huán)境變動。

以下是近年來智能化技術(shù)在畜牧生產(chǎn)中的建設(shè)應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 畜牧生產(chǎn)智能化多采用 Zigbee、Modbus通信協(xié)議

智能生產(chǎn)的物聯(lián)，其數(shù)據(jù)量是非常小的，可根據(jù)養(yǎng)殖舍的方位，采用有線網(wǎng)絡(luò)、無線通信或融合組網(wǎng)設(shè)計，目前小型養(yǎng)殖場使用最多的是運(yùn)營商的 4G，運(yùn)用 4G網(wǎng)絡(luò)，有專門的 4G+WIFI解決方案供小型養(yǎng)殖場應(yīng)用；在養(yǎng)殖舍內(nèi)部多采用無線傳感網(wǎng)，是基于 ZigBee或 wifi的無線傳感網(wǎng)，養(yǎng)殖舍之間，可根據(jù)需要采用有線或無線網(wǎng)絡(luò)。

Modbus協(xié)議是一種強(qiáng)大的通信標(biāo)準(zhǔn)，它是一個簡單的開源協(xié)議，開發(fā)簡易，需要支持的硬件設(shè)計少，此外，Modbus還支持與各種設(shè)備和系統(tǒng)的互操作性和兼容性；廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化和 SCADA系統(tǒng)，儀表、傳感器和執(zhí)行器的信號往返于主控制器， Modbus具有廣泛的通信協(xié)議，能根據(jù)規(guī)模擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)，讓主控制器互聯(lián)，在各種物理鏈路上運(yùn)行；WSN網(wǎng)絡(luò)（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）作為物聯(lián)網(wǎng)支撐網(wǎng)絡(luò)之一，可根據(jù)應(yīng)用需求部署，ZigBee作為WSN網(wǎng)絡(luò)的實例近年來在生產(chǎn)上受到青睞，ModBus-RTU 協(xié)議規(guī)定了七層協(xié)議中應(yīng)用層的內(nèi)容，ZigBee網(wǎng)絡(luò)規(guī)定了七層協(xié)議中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的內(nèi)容，工作中常利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)承載 ModBus-RTU協(xié)議用于智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸。

每一個養(yǎng)殖舍，部署一個DTU（數(shù)據(jù)傳輸單元），DTU 接口豐富，具有 4G、RJ45、WIFI等接口，可與4G網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)、無線WIFI等多終端連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將前端設(shè)備的各項數(shù)據(jù)上傳至中心管理系統(tǒng)，對于小型養(yǎng)殖企業(yè)，DTU配置8-12路的開關(guān)控制就足夠了。

Zigbee用于連接10-100 m范圍內(nèi)的設(shè)備，支持高達(dá)250Kbps的數(shù)據(jù)速率，作為一種低功耗、低速率技術(shù)，Zigbee適合物聯(lián)網(wǎng)傳感器和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，以及ad hoc無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，適合養(yǎng)殖舍這樣大小的空間。

2 進(jìn)料飼喂的智能化

進(jìn)料飼喂是畜牧養(yǎng)殖的重要環(huán)節(jié)，在相當(dāng)長歷史時期，對人工要求多，在現(xiàn)代養(yǎng)殖場建設(shè)中，進(jìn)料飼喂系統(tǒng)由飼料的存放，飼料的傳輸，飼料的投放組成；飼料進(jìn)場有專門的養(yǎng)殖場專用車以散裝飼料形式運(yùn)輸，養(yǎng)殖場具有臨時的貯料筒倉，散裝飼料筒倉是現(xiàn)代養(yǎng)殖場的標(biāo)配，在罐體內(nèi)密封輸送，能減少飼料損失，保證質(zhì)量，避免污染；全自動上料卸料裝置可連續(xù)作業(yè)，大大提高生產(chǎn)效率。

進(jìn)料飼喂智能化的基礎(chǔ)是機(jī)械化，機(jī)械進(jìn)料包括三個環(huán)節(jié)，從臨時料倉輸入養(yǎng)殖舍中間倉，從中間倉到養(yǎng)殖區(qū)投料口，從投料口到飼喂容器（料盆），這三個環(huán)節(jié)都涉及到電機(jī)和精密的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，從技術(shù)上說，電機(jī)和精密的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)是進(jìn)料飼喂智能化的基礎(chǔ)；從筒倉傳輸進(jìn)養(yǎng)殖舍，是一個成套的設(shè)備，飼料傳輸，用管道通過螺旋給料機(jī)或管鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)輸送，通過調(diào)節(jié)，進(jìn)料機(jī)能夠非常精確的定時、定量投放到料盆里。

作為進(jìn)料的附屬部分，供水部分控制相對簡單，養(yǎng)殖的重點是做到水質(zhì)凈化，管道消毒，使水質(zhì)符合《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：無公害食品 畜禽飲用水水質(zhì)（NY 5027-2008）》要求。

進(jìn)料飼喂智能化能進(jìn)行的操作有：定時、定量的電機(jī)控制，傳感器采集控制，輸料異?？刂疲伙暳系搅吓璧亩空{(diào)節(jié)，進(jìn)料機(jī)本身有相應(yīng)的設(shè)置，稍高檔一點的進(jìn)料機(jī)，可并入養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)節(jié)，這樣系統(tǒng)會稍繁瑣；現(xiàn)在養(yǎng)殖場的智能生產(chǎn)，單獨(dú)進(jìn)料飼喂這一塊，目前已經(jīng)非常成熟，單獨(dú)和配合系統(tǒng)都能使用。

3 糞便收集的智能化

智能化糞便收集裝置，有主控制器、檢測組件、通信組件、傳輸機(jī)械、儲污池和清潔檢測組件等，糞便收集的智能化操作的成分有，用控制器進(jìn)行定時、定量的電機(jī)控制，用傳感器進(jìn)行采集控制，異常控制；引流輸出裝置和機(jī)械電機(jī)控制是智能糞便收集的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代養(yǎng)殖場的標(biāo)配，現(xiàn)在重點介紹養(yǎng)殖場常用的引流輸出裝置。

糞便引流輸出裝置都有現(xiàn)成的方案和設(shè)備；在養(yǎng)殖環(huán)節(jié)最重要的，是養(yǎng)殖舍外儲糞池的大小和養(yǎng)殖規(guī)模要匹配，滿足“防雨、防滲和放溢流”三防要求，尤其要做好防滲，避免養(yǎng)殖場對地下水的污染，嚴(yán)格遵守《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)稅法》，有成熟可靠的糞便資源化處理方案，這是進(jìn)行智能環(huán)保養(yǎng)殖的前提和基礎(chǔ)。

養(yǎng)殖舍糞便收集，常見方法有：禽兔舍履帶式清糞、豬舍牛舍刮糞機(jī)清糞；履帶式清糞帶，采用特殊化纖、聚乙烯等抗老化材料，大部分糞干燥成粒狀容易處理，通過機(jī)器定時清理出，糞再用率高，舍內(nèi)無發(fā)酵，室內(nèi)的空氣好，能減少病菌的生長，履帶式清糞，是目前禽兔類清糞的常用方法；清理出來的糞便，經(jīng)溝槽收集匯總后進(jìn)入儲污池，再進(jìn)行無害化處理。

機(jī)械刮板清糞在豬舍牛舍廣泛使用，是替代人工進(jìn)行水沖糞和水泡糞清理的新型工藝，新型刮板清糞采用智能化控制，可以設(shè)定豬舍牛舍每日清糞次數(shù)、清糞時間間隔，并能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備故障、異常情況報警等功能，能夠減少人與豬的接觸，降低疾病傳播的概率[1]。

4 生產(chǎn)過程的智能化

大的畜牧業(yè)智能養(yǎng)殖軟件系統(tǒng)，涉及物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的各個層面，應(yīng)遵從“頂層設(shè)計，分步實施，邊建邊用邊完善”的原則，提出總體解決方案，確定畜牧業(yè)智能養(yǎng)殖的體系結(jié)構(gòu)，以及各系統(tǒng)之間的接口規(guī)范。

軟件主要由五個子系統(tǒng)組成，分別是自動控制系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、以及軟件平臺（管理中心）。

（1）生產(chǎn)控制系統(tǒng)。此子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對電的控制，完成自動定時或遠(yuǎn)程人工進(jìn)料飼喂、糞便收集匯總的任務(wù)，以及料、水的富余量和糞便收集量的預(yù)警等。

（2）舍內(nèi)溫濕度空氣調(diào)節(jié)，保證舒適的溫濕度環(huán)境。這個子系統(tǒng)主要是通過傳感器采集，對舍內(nèi)溫度、濕度、通風(fēng)、光照、噴淋進(jìn)行控制。溫度濕度方面，通過室內(nèi)室外的溫度傳感器進(jìn)行室內(nèi)外對比，在炎熱夏季，當(dāng)舍內(nèi)溫度高于外界溫度時，可啟動風(fēng)機(jī)進(jìn)行空氣交換，降低舍內(nèi)溫度，同樣當(dāng)舍內(nèi)濕度高于外界濕度且濕度較大時，也可通風(fēng)排濕；在寒冬尤其是北方，需要對舍內(nèi)進(jìn)行保溫處理，適時啟動送暖（如太陽能、電熱爐、鍋爐供暖）等。

空氣光照方面，通過室內(nèi) CO2傳感器、照度傳感器，控制換氣和光照，保持舍內(nèi)空氣清新，充足的光照時間能保證養(yǎng)殖物健康、快速成長，對于陰天舍內(nèi)光線陰暗或冬季日照時間不足的情況，適當(dāng)增加輔助照明，彌補(bǔ)天氣、季節(jié)因素光照度的不足。

（3）舍內(nèi)視頻監(jiān)控，隨時掌握現(xiàn)場，實況提高監(jiān)管效率。Modbus兩種傳輸模式 ASCII或RTU，這兩種傳輸模式，都不適合進(jìn)行視頻傳輸，監(jiān)控的視頻，可以用 HTTP、RTSP、RT MP、SRT、RTP等協(xié)議傳輸，視頻監(jiān)控可以用專門的網(wǎng)絡(luò)攝像，可通過系統(tǒng)中鏈接觀看就是[2]。

通過視頻監(jiān)控，以便隨進(jìn)查看牛舍內(nèi)的情況，減少人工現(xiàn)場巡查次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。從科學(xué)養(yǎng)殖、提高管理水平、實現(xiàn)現(xiàn)代化養(yǎng)殖的角度來看，視頻監(jiān)控是現(xiàn)代化養(yǎng)殖發(fā)展的必然趨勢。

（4）信息采集。動物RFID標(biāo)簽大致分頸圈式、耳牌式、注射式和藥丸式電子標(biāo)簽；早期是通過接觸方式讀取，現(xiàn)在比較通行的，是無線非接觸方式。

飼養(yǎng)環(huán)節(jié)：在牲畜出生飼養(yǎng)的時候，在牲畜的身上安裝上RFID標(biāo)簽（如做成耳標(biāo)或腳環(huán)），這些電子標(biāo)簽一般在牲畜一出生時就打在耳上，通過設(shè)定、采集或存儲它成長過程中的信息，從源頭上對生產(chǎn)安全進(jìn)行控制。同時記錄牲畜在各個時期的防疫記錄、疾病信息及養(yǎng)殖過程關(guān)鍵信息的記錄，通過系統(tǒng)形成生長曲線，通過對正常生長、發(fā)情、懷孕等曲線的比對，能做到對養(yǎng)殖物的精確判斷、預(yù)警和控制；在出欄前，通過對采集的RFID信息分析，確認(rèn)無疾病牲畜才能出欄。

（5）軟件平臺。對于小養(yǎng)殖場，可通過公有云上的免費(fèi)的軟件直接使用，公有云除能實現(xiàn)基本的控制外，還提供常用操作的數(shù)據(jù)存貯；對于大型養(yǎng)殖場，可以請專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行專門的研發(fā)，整個系統(tǒng)軟件分為：服務(wù)器端、PC端、手機(jī)端等，管理人員，可通過電腦或手機(jī)等信息終端，實時查看養(yǎng)殖舍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)和報警信息，有權(quán)限的，可通過應(yīng)用平臺實現(xiàn)功能控制。

5 智能生產(chǎn)的應(yīng)用現(xiàn)狀及遠(yuǎn)期發(fā)展

畜牧智能生產(chǎn)的應(yīng)用現(xiàn)狀非常好，主要是應(yīng)對人力成本增高，在現(xiàn)階段，對于小型養(yǎng)殖場，在常規(guī)生產(chǎn)中，除必要的基本配套建設(shè)外，電子類DTU、綜合控制類、電子開關(guān)類、常用環(huán)境傳感器投入，大概僅需 1千到數(shù)千元的投入，在料、水能正常供應(yīng)的情況下，可以實現(xiàn)無人自動生產(chǎn)或遠(yuǎn)程控制生產(chǎn)，這是一種進(jìn)步，對于農(nóng)村畜牧養(yǎng)殖，是一種促進(jìn)。

隨著信息產(chǎn)業(yè)和工業(yè)的發(fā)展，畜牧機(jī)器人將大量上崗，目前應(yīng)用最多的是畜產(chǎn)品加工，養(yǎng)殖機(jī)器人能精確完成一定養(yǎng)殖的工作，機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境是一種高端生產(chǎn)環(huán)境，比如祖代畜產(chǎn)品、高檔奶牛的養(yǎng)殖等，本文介紹的畜牧智能生產(chǎn)，大多是商品代的養(yǎng)殖，能在養(yǎng)殖環(huán)節(jié)實現(xiàn)對人工的解放。對高端動物置入傳感器，做到生長過程的全程感知以及養(yǎng)殖機(jī)器人的大量應(yīng)用是一種高投入、高產(chǎn)出的經(jīng)營，目前，只有大公司、特殊產(chǎn)品能做到。隨著信息化產(chǎn)品、智能工業(yè)產(chǎn)品價格的降低以及對產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，智能養(yǎng)殖機(jī)器人的大量應(yīng)用是將來的發(fā)展方向[3]。