孔繁濤

隨著信息技術的日新月異，物聯網技術迅猛發(fā)展，“四化同步”的歷史機遇為發(fā)展物聯牧場創(chuàng)造了有利條件。畜牧業(yè)現代化的歷史進程中，養(yǎng)殖方式集約化、飼養(yǎng)管理自動化、質量控制追溯化、疫病防治即時化、養(yǎng)殖環(huán)境清潔化和畜禽品種良種化，是物聯網應用的重要領域。在物聯網三全理論的指引下，物聯牧場的技術體系已初步呈現，研究重點和方向已基本明確。

建設物聯牧場的重要意義

20世紀中后期以來，信息技術取得了迅猛的發(fā)展，并廣泛應用于經濟和社會的各個領域，其中農業(yè)是主要的應用領域之一。作為新一代信息技術的重要內容，物聯網表現出強勁的發(fā)展勢頭，并深入滲透進農業(yè)領域的各個方面。物聯牧場就是物聯網技術在牧場生產、經營、管理和服務中的集中應用，它的發(fā)展對促進傳統(tǒng)畜牧業(yè)轉型以及建設現代農業(yè)方面具有重要意義。

（一）“四化同步”為發(fā)展物聯牧場提供了歷史機遇

黨的十八大報告指出，要“促進工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農業(yè)現代化同步發(fā)展”。其中，信息化是推進其他“三化”的關鍵技術手段。積極促進現代信息技術與農業(yè)的融合，將成為實現農業(yè)現代化的必然選擇。黨和國家對信息化的高度重視將為信息化發(fā)展打開新的空間，為物聯網技術發(fā)展增添新的活力。因此，作為物聯網技術在現代畜禽生產和管理領域的應用，物聯牧場面臨難得的歷史機遇。

（二）物聯網已經成為我國新興的戰(zhàn)略支柱產業(yè)

當前，物聯網受到世界各國高度重視，我國政府也將物聯網確定為加快培育和發(fā)展的新興戰(zhàn)略性支柱產業(yè)。在國家《物聯網“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中，農業(yè)被列為物聯網重點應用的領域;國務院進一步明確提出，要在農業(yè)領域實現物聯網的試點示范應用，做好典型應用示范工程。畜牧業(yè)是農業(yè)的主要組成，物聯牧場具有廣闊的發(fā)展前景。

（三）物聯網技術為傳統(tǒng)畜牧業(yè)改造提供了新路徑

當前，我國畜牧業(yè)正處在從傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式向現代養(yǎng)殖方式過渡的關鍵階段，傳統(tǒng)畜牧業(yè)改造對物聯網技術存在重大需求。物聯牧場綜合運用各種先進感知設備，實時采集畜禽的飼養(yǎng)環(huán)境以及生長體征等信息，科學分析各類信息，實現對牧場生產的全程監(jiān)控、實時服務以及科學決策。它的發(fā)展將為畜牧業(yè)良種繁育、飼養(yǎng)管理、質量控制、疫病防治、生長環(huán)境監(jiān)測等方面帶來重大變革，給傳統(tǒng)畜牧業(yè)的轉型升級提供新的手段和路徑。

畜牧業(yè)現代化迫切需要物聯網技術支撐

畜牧業(yè)現代化需要現代物聯網技術的支撐。

（一） 養(yǎng)殖方式集約化

改革開放以來，我國畜禽養(yǎng)殖方式發(fā)生了根本性的改變：由分散飼養(yǎng)向規(guī)?；曫B(yǎng)轉變，由家庭副業(yè)向支柱產業(yè)轉變，由粗放飼養(yǎng)向集約飼養(yǎng)轉變，由勞動密集型向技術、資金密集型轉變，由傳統(tǒng)畜牧業(yè)向現代畜牧業(yè)轉變。據統(tǒng)計，生豬年出欄50頭以下養(yǎng)殖戶比重由2003年的71.60%下降到2012年的32.08%，而年出欄500頭以上養(yǎng)殖戶比重由2003年的10.60%增加到2012年的38.00%;肉牛年出欄10頭以下養(yǎng)殖戶比重由2003年的68.50%下降到2012年的56.24%;羊年出欄30頭以下養(yǎng)殖戶比重由2003年的56.60%下降到2012年的45.04%。養(yǎng)殖方式的根本性轉變，迫切需要物聯網技術進行實時監(jiān)測，減少人力物力的投入，提高生產的規(guī)模效益。

（二）飼養(yǎng)管理自動化

適應養(yǎng)殖方式規(guī)?；⒓s化的發(fā)展，單純地依靠傳統(tǒng)的人力飼養(yǎng)，很難滿足精準飼喂、自動喂養(yǎng)、科學管理的需要。在物聯牧場中，通過畜禽個體傳感器（如壓力傳感器、紅外傳感器等），實時傳輸畜禽個體生理狀態(tài)數據，監(jiān)測畜禽個體數據異常情況，并將數據及時反饋生產者，同時，通過對不同個體生理狀態(tài)的監(jiān)測，結合專家系統(tǒng)，對畜禽飼料進行科學配比，精細飼喂，既保證畜禽生長所需能量，又能節(jié)約生產成本，是自動化飼養(yǎng)的核心內容。目前，我國肉雞、蛋雞、規(guī)模養(yǎng)豬的自動化程度相對比較高，而肉牛、肉羊、綿羊的自動化程度和國外相比仍有較大的差距。據統(tǒng)計，2010年我國奶牛養(yǎng)殖量為1258萬頭，產奶3600萬噸，而美國奶牛養(yǎng)殖量僅為910萬頭，產奶量卻高達8750萬噸，是中國的2.43倍，按每頭年產奶量計算，美國是中國的3.36倍。澳大利亞和新西蘭的奶牛單產分別是中國奶牛單產的2.02和1.26倍。世界發(fā)達國家普遍使用了DHI（Dairy Herd Improvement ）技術，實施奶牛牛群改良，而我國只是在個別地方才應用。DHI是以物聯網技術為基礎，測定奶牛個體單產數據、牛群基礎資料，綜合評定奶牛生產性能和遺傳性能，是世界公認的飼養(yǎng)管理的科學手段。

（三）質量控制追溯化

畜禽及產品質量安全，涉及到畜牧業(yè)的持續(xù)、穩(wěn)定、健康發(fā)展，涉及到人民群眾的身體健康和生命安全，已經成為國家安全的重要組成部分;但目前，畜產品質量安全事件頻頻發(fā)生，成為了社會和人民群眾關注的焦點問題。畜禽產品質量安全問題主要包括動物疫病、獸藥殘留、加工流通過程中的二次污染，是覆蓋從“牧場到餐桌”的關鍵問題。近年來，隨著信息技術的迅猛發(fā)展，利用物聯網的RFID、條形碼、電子“藥丸”等技術，對畜禽生產、加工、流通和消費實施全過程監(jiān)管，對發(fā)現的問題產品進行追蹤溯源，實現全過程、全環(huán)節(jié)、全方位的可追溯，是有效防止畜禽產品安全事件發(fā)生的重要手段。在物聯牧場中，畜產品物聯網溯源平臺已經基本完善，每一種產品都可以通過標識在物聯牧場的溯源平臺中查到其產地、銷地，并通過溯源系統(tǒng)對其質量進行嚴格把關。

（四）疫病防治即時化

重大動物疫病如高致病性禽流感、口蹄疫、新城疫、豬瘟，以及其他流行性動物疫病，不僅關系到畜牧業(yè)的發(fā)展，而且關系到農民增收和人民群眾健康。近年來，世界各地多次發(fā)生動物疫情失控事件，對于畜牧業(yè)的發(fā)展產生了災難性的影響，造成了嚴重的經濟損失，如何及時有效地開展監(jiān)測預警工作、進行動物疫病防治，是一直以來困擾畜牧業(yè)發(fā)展的難題。以物聯網技術為代表的信息化運用于畜禽生產實際，為動物疫病防治工作提供了廣闊的空間。物聯網技術可以感知畜禽個體及群體的生理變化和行為特征，如溫度、采食量、活動量等數據，結合歷史數據，及時監(jiān)測畜禽個體的差異性，見微知著、防患于未然，進而有效防控動物疫病的產生、發(fā)展和蔓延。

（五）養(yǎng)殖環(huán)境清潔化

用循環(huán)經濟的理念發(fā)展現代畜牧業(yè)，通過資源利用節(jié)約化、生產過程清潔化、廢物利用再生化等環(huán)節(jié)，減少畜禽生產污染物排放、控制畜禽養(yǎng)殖環(huán)境，以達到改善畜禽產品質量的目標，是實現畜禽清潔化生產的重要途徑。畜牧業(yè)生長環(huán)境是影響畜禽產品產量和質量的關鍵因素，傳統(tǒng)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境很難做到精確控制，畜禽產品產量和質量都難以保證，物聯網技術為畜禽生長環(huán)境的自動控制提供了條件。通過傳感器采集牧場環(huán)境信息（光照、溫度、濕度、CO2、H2S等），并將信息通過無線傳輸技術（GPRS、ZigBee等）傳輸到服務器，應用程序通過將收集到的數據與標準數據庫中的數據相比較，結合專家系統(tǒng)，科學準確地計算畜禽養(yǎng)殖環(huán)境信息，并通過自動控制技術（溫度控制器、光照強度控制器、CO2發(fā)生器等）等對畜禽生長環(huán)境進行精確控制，為畜禽提供一個更加良好的生長環(huán)境。

（六）畜禽品種良種化

畜禽良種是畜牧業(yè)發(fā)展的物質基礎，是和畜牧業(yè)現代化同步發(fā)展的生產要素，屬于技術密集型產業(yè)。正在興起的生物信息學是研究生物信息的采集、處理、存儲、傳播、分析和解釋等各方面的學科，它通過綜合利用生物學、計算機科學和信息技術揭示大量復雜的生物數據的生物學奧秘。在分子水平上，進行畜禽品種的選擇、培育，是現代育種的重要方式。利用物聯網技術，通過監(jiān)測發(fā)情期母畜生理變化情況和仔畜生長發(fā)育情況，對于畜禽良種選擇具有重要意義。以奶牛為例，發(fā)情期的奶牛，其活動量、步行數等都遠遠大于其他奶牛，通過對奶牛行為進行監(jiān)測，可以實時了解奶牛的發(fā)情狀況，科學預測奶牛發(fā)情時間，及時進行人工授精，保證奶牛產奶質量。

物聯牧場理論方法與技術體系

以農業(yè)物聯網的全要素、全過程和全系統(tǒng)“三全”理論為基礎，物聯牧場針對養(yǎng)殖環(huán)境、畜禽生產資料、勞動投入、飼養(yǎng)管理技術等的全要素，和畜禽生產、流通、加工和消費的全過程，以及自然界、人類社會和思維的全系統(tǒng)，形成了以感知、傳輸和應用為主線的技術體系，研究重點和方向也日益明晰。

（一）物聯牧場的相關理論

牧場是經營畜牧業(yè)的生產單位，也是包含畜牧、自然、經濟和人類活動的復雜系統(tǒng)。因此物聯牧場必須遵循農業(yè)物聯網中的全要素、全過程和全系統(tǒng)的“三全”化發(fā)展理念，才能確保其科學持續(xù)性發(fā)展。

物聯牧場是將物聯網技術應用在牧場的生產、經營、管理和服務中，運用養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測傳感器、生理體征監(jiān)測傳感器、視頻信息采集傳感器等設備感知飼料、水、生命體、生產器械、能源動力、運輸、勞動力等生產要素，通過無線傳感網絡、互聯網和智能化處理等現代技術，構建包含牧場正常運轉所涉及的自然、社會、生產、人力資源等的復雜系統(tǒng)，實現牧場產前、產中、產后的過程監(jiān)控、科學決策和實時服務，達到牧場人、機、牧一體化，進而實現畜牧養(yǎng)殖的高產、優(yōu)質、集約化和精細化的目標。

（二）物聯牧場的技術體系

要使物聯牧場健康持續(xù)發(fā)展，必須綜合考慮人、機、牧的綜合配置與協(xié)調，實現人機牧一體化發(fā)展，才能真正發(fā)揮物聯牧場的作用。其技術體系是通過感知、傳輸、處理、控制等現代技術，將人機牧三者相互融合，提供更透明、更智能、更泛在、更安全的一體化服務。

感知技術包括：溫度、濕度、光照、降雨量、風速等氣象環(huán)境類傳感器技術;二氧化碳、氧氣、氨氣、甲烷、硫化氫等氣體類傳感器技術;飼料量、飲水量、運動量、產奶量、體表溫度等生命本體傳感器技術;視頻、聲音等多媒體傳感器技術。

傳輸技術包括：互聯網技術、短信通信技術、Zigbee無線傳輸技術、GPRS無線傳輸技術、3G無線通信技術（TD-SCDMA、WSCDMA、SCDMA2000）、4G通信傳輸技術（TD-LTE、FDD-LTE）。

處理技術包括：數據處理技術、圖形圖像處理技術、聲音處理技術、視頻處理技術、多信息融合處理技術、智能信息處理技術。

控制技術包括：最優(yōu)控制技術、自適應控制技術、專家控制技術（即以專家知識庫為基礎建立控制規(guī)則和程序）、模糊控制技術、容錯控制技術、智能控制技術。

（三）物聯牧場的研究重點

物聯牧場是一個包含畜牧、自然、經濟和人類活動的復雜系統(tǒng)，必須找準重點進行系統(tǒng)研究，才能突破發(fā)展瓶頸，提升物聯牧場發(fā)展水平。物聯牧場的研究重點包括研究領域和技術研發(fā)兩個方面。研究領域主要集中在環(huán)境、飼養(yǎng)、疫病、繁育等畜牧養(yǎng)殖關鍵環(huán)節(jié)方面，通過物聯網與現代信息技術，提高畜牧養(yǎng)殖環(huán)境的清潔、促進飼料喂養(yǎng)的精細化、降低疫病防治的滯后性、加快畜禽優(yōu)良品種的推廣。技術研發(fā)主要集中在傳感器技術、傳輸技術與智能裝備上，在物聯牧場發(fā)展中，傳感器技術仍然是發(fā)展的關鍵，是否能研發(fā)出低成本、高精端、高靈敏度的傳感設備，將直接影響物聯牧場發(fā)展的水平，光纖、紅外、生物等新型傳感器的研發(fā)，以及自動化智能化兼具可遠程操控裝備的研制，將為物聯牧場的發(fā)展奠定技術基礎。