王 琦，韓 菡，譚青青，馮 江，馬金龍，王鐵霖，任潔奇，李珊珊

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) a.電氣與信息學(xué)院；b.工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引言

我國是世界畜牧業(yè)大國之一，但畜牧業(yè)在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值中比重偏小，難以適應(yīng)人民生活不斷增長的需求。近年來，隨著人民生活水平的不斷提高，我國的豬肉需求量進(jìn)一步加大，養(yǎng)豬業(yè)地位也越來越受到人們的重視。有數(shù)據(jù)顯示，2012年我國豬肉生產(chǎn)量和消費量已達(dá)到全球比率的48.95%和49.39%[1]，可見我國養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展與重要。但是，由于防疫不合格、養(yǎng)殖無規(guī)模、飼養(yǎng)不正確等原因，導(dǎo)致生豬產(chǎn)量減少、豬肉質(zhì)量下降。因而，對生豬養(yǎng)殖的現(xiàn)代化、信息化技術(shù)的需求已提上日程。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是繼計算機、因特網(wǎng)以及移通訊網(wǎng)之后發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，其發(fā)展目標(biāo)是使人們可以在任意時間、任意地點與任何物品相聯(lián)系[2]。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引用到養(yǎng)豬業(yè)中，不僅可以實現(xiàn)對生豬的實時監(jiān)控與管理，還可以改善養(yǎng)殖環(huán)境，從而進(jìn)一步解決生豬產(chǎn)量低、豬肉質(zhì)量差等問題。

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)定義及起源

“物聯(lián)網(wǎng)”(Internet of things)，是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，是世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮[3]。物聯(lián)網(wǎng)是一種物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，指的是其核心和基礎(chǔ)是互聯(lián)網(wǎng)，在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上對網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展和延伸[4]，其最終目標(biāo)是讓任意物品之間進(jìn)行信息的交換和通信。

物聯(lián)網(wǎng)一詞最早出現(xiàn)于比爾蓋茨1995年《未來之路》中[5]，其概念最初是在1999年美國召開的移動計算和網(wǎng)絡(luò)國際會議上提出的，會議認(rèn)為“傳感網(wǎng)是下一個世紀(jì)人類即將面臨的又一個機遇與挑戰(zhàn)，物聯(lián)網(wǎng)是各類傳感器與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)銜接的一個新技術(shù)”。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成及特征

物聯(lián)網(wǎng)通過感知設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)將物體與物體連接起來，然后進(jìn)行智能化采集、傳輸與處理信息，最后實現(xiàn)智能化識別與科學(xué)管理的一種網(wǎng)絡(luò)。按其定義，物聯(lián)網(wǎng)大致有以下幾個基本特征：“感知化”“智能化”“物連化” “互聯(lián)化”“網(wǎng)絡(luò)化”。

從其定義與特征上看，物聯(lián)網(wǎng)在技術(shù)上通過智能識別、智能感知、智能處理等技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)相連接。因此，物聯(lián)網(wǎng)實質(zhì)上是以“虛擬”+“實體”的信息化系統(tǒng)，已不僅僅是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的范疇。物聯(lián)網(wǎng)以數(shù)據(jù)為核心、多業(yè)務(wù)融合的信息化應(yīng)用技術(shù)，其體系框架可分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層[6]，如圖1所示。其中，感知層感知全面信息，主要包括數(shù)據(jù)信息的獲取以及入網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)層將感知的信息進(jìn)行傳輸；應(yīng)用層對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)實例應(yīng)用

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用已經(jīng)逐漸進(jìn)入越來越多的行業(yè)中，如智能農(nóng)業(yè)、智能家具、智慧城市、智能醫(yī)療及智能養(yǎng)殖等；尤其是在智能養(yǎng)殖應(yīng)用中，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，包括無線傳感網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)等為一體，依托養(yǎng)殖生產(chǎn)現(xiàn)場的各種感知節(jié)點，如環(huán)境溫濕度、圖像、體重等，進(jìn)而實現(xiàn)養(yǎng)殖生產(chǎn)的智能化，為其提供精準(zhǔn)化飼喂、可視化管理及智能化決策。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of internet of things

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域起步較早，早期發(fā)展是1999年中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所對傳感網(wǎng)產(chǎn)品的研發(fā)，且研發(fā)的產(chǎn)品于2003年開始在“動態(tài)北侖”等項目中應(yīng)用。在科研上，我國的技術(shù)基本與國外保持同步；在產(chǎn)業(yè)上，我國各地相繼啟動了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的項目。可以說，對物聯(lián)網(wǎng)這個全新的產(chǎn)業(yè)，我國的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)水平都已處于世界前列，掌握了物聯(lián)網(wǎng)世界的部分話語權(quán)。2012年2月，國家發(fā)布了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的“十二五”規(guī)劃中指出：物聯(lián)網(wǎng)對加快我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)型具有重大的推動作用，并成為我國的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。

我國對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的智能養(yǎng)殖飼喂管理的研究起步較晚，母豬智能化群養(yǎng)管理系統(tǒng)最早在2007年面市。廣東省農(nóng)業(yè)機械研究所是我國最先進(jìn)行在豬只自動飼喂方面的研究，由甘玲團(tuán)隊研制了一套關(guān)于豬只的自動飼喂測定系統(tǒng)以記錄豬只的飼喂情況[7]。該系統(tǒng)采用了微電子技術(shù)，主要監(jiān)測被測豬只的采食時長、日采食量、采食速度及采食次數(shù)等，通過系統(tǒng)的監(jiān)測能準(zhǔn)確獲取同一欄里所有豬只的采食情況，同時記錄下體重變化，從而可計算每頭豬在不同生長時期的飼料轉(zhuǎn)化率。

上海河順自動化科技發(fā)展有限公司(HHIS)設(shè)計研發(fā)了一個能夠自動飼喂裝置傳感器，判斷豬的身份，傳輸給計算機，系統(tǒng)根據(jù)終端獲取的數(shù)據(jù)(耳標(biāo)號、體重)和計算機數(shù)據(jù)庫(懷孕日期)運算出該豬當(dāng)天需要的進(jìn)食量[8]，把進(jìn)食量分量分時間的傳輸給飼喂設(shè)備為該豬下料。其工作原理圖如2所示。

圖2 工作原理圖Fig.2 Working diagram

隨著養(yǎng)豬業(yè)的不斷發(fā)展，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化飼喂管理已經(jīng)成為智能養(yǎng)殖中一種不可或缺的技術(shù)。依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化飼喂管理不但節(jié)省人力、有效地保護(hù)環(huán)境、減少疫病，還能改善生豬生長環(huán)境、提高母豬產(chǎn)量。我國目前對于養(yǎng)豬場的智能化飼喂管理系統(tǒng)已經(jīng)基本成型，但由于起步較晚，系統(tǒng)并不完善，因此還需要更進(jìn)一步的研究。

2.2 國外研究現(xiàn)狀

在國外，物聯(lián)網(wǎng)被稱作“危機時代的救世主”，很多發(fā)達(dá)國家對物聯(lián)網(wǎng)非常重視，將其視作新的經(jīng)濟(jì)增長點，并把物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展列為了國家計劃。2009年，美國政府將“智慧地球”計劃上升至國家戰(zhàn)略，除高校和科研院所之外，各大知名企業(yè)也都先后參與了開發(fā)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究。同年，歐盟推出了《歐洲物聯(lián)網(wǎng)行動計劃》，其他國家也相繼制定了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)計劃。

其中，對基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化飼養(yǎng)管理的研究比較早。在國外，尤其是歐美地區(qū)，現(xiàn)代信息化養(yǎng)殖技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)普遍和成熟，大部分養(yǎng)殖場已經(jīng)實現(xiàn)飼喂自動化以及管理智能化。目前，國際上比較先進(jìn)的自動飼喂設(shè)備有荷蘭Nedap公司的Velos系統(tǒng)[9](見圖3)以及格式塔智能化繁殖母豬飼養(yǎng)管理系統(tǒng)等等。

Velos系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)、智能化技術(shù)，以50頭母豬為一個自動飼養(yǎng)管理單位，小、中、大型養(yǎng)豬場均可采用。從運行10年多的實踐來看，母豬平均年產(chǎn)胎次可以增加到2.40胎，母豬年平均產(chǎn)仔豬數(shù)可達(dá)26.83頭，較原來年產(chǎn)仔豬數(shù)22頭有大幅度提高。因此，對母豬實施自動化飼養(yǎng)管理可以大幅度提高母豬群體的生產(chǎn)效率[10-11]。

圖3 荷蘭 Nadap-VelosFig.3 Holand Nadap-Velos

格式塔智能化繁殖母豬飼養(yǎng)管理系統(tǒng)是一套基于電腦和無線網(wǎng)絡(luò)連接的繁殖母豬智能化飼養(yǎng)管理系統(tǒng)。截止2010年，加拿大魁北克省超過30%的母豬使用格式塔繁育母豬智能化飼喂管理系統(tǒng)，北美全境有超過125 000頭母豬使用該系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過數(shù)字化的分析管理，最大化地滿足了分娩母豬的動態(tài)營養(yǎng)需求，提高了產(chǎn)子率與每窩產(chǎn)數(shù)，并可根據(jù)母豬的年齡、胎次、體況和小豬頭數(shù)，對每頭母豬進(jìn)行精確管理。

以上這些系統(tǒng)都具備自動管理、自動報警、數(shù)據(jù)自動傳輸、自動供料及發(fā)情檢測等功能[12]，通過這樣一套高度自動化的系統(tǒng)能夠極大地提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，在緩解環(huán)境壓力的同時，進(jìn)一步解放了人力。但是，由于進(jìn)口設(shè)備價格昂貴，售后服務(wù)跟不上，國內(nèi)使用者并不多見。

3 物聯(lián)網(wǎng)在養(yǎng)豬場智能管理應(yīng)用的技術(shù)組成

3.1 射頻識別技術(shù)(RFID)

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)，又稱無線射頻識別，是一種通過無線射頻信號達(dá)到自動識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)的目的，實現(xiàn)無接觸信息采集和傳遞的通訊技術(shù)[13]。1948年，哈里發(fā)表了《利用反射功率的通信》奠定了RFID技術(shù)的理論基礎(chǔ)，直到1999年Auto-ID Center誕生后，提出了產(chǎn)品電子代碼EPC概念及物聯(lián)網(wǎng)的概念與架構(gòu)，才使RFID技術(shù)的應(yīng)用越來越受到人們的重視。

RFID技術(shù)是一種非接觸的、雙向通訊的自動識別技術(shù)，由閱讀器以及電子標(biāo)簽兩個基本器件構(gòu)成。RFID技術(shù)分為兩個部分：一個是標(biāo)簽，另一個是解讀器。在標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，解讀器就會憑借感應(yīng)電流發(fā)出射頻信號或者是標(biāo)簽發(fā)射某一個頻率的信號讓解讀器讀取里面的信息并對其進(jìn)行解碼后送至中央信息系統(tǒng)，再對有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

在基于物聯(lián)網(wǎng)的智能管理養(yǎng)豬場中，在母豬身上安裝電子標(biāo)簽，并根據(jù)標(biāo)簽中的唯一的編碼與每頭母豬一一對應(yīng)；當(dāng)母豬進(jìn)入RFID閱讀器的識別范圍，閱讀器就會自動的將母豬的信息識別出來。

3.2 傳感器技術(shù)

傳感器是一種能夠感知外界信號及物理條件等信息并傳遞給其他設(shè)備的裝置，在物聯(lián)網(wǎng)中除了負(fù)責(zé)獲取相關(guān)信息外還能對當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行識別，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化時也能夠作出實時有效的反應(yīng)并對其他單元發(fā)出信號[14]。我國國家標(biāo)準(zhǔn)對傳感器的定義是：“能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。

現(xiàn)代新型傳感器的種類繁多，如激光傳感器、濕度傳感器、速度傳感器、液位傳感器及重力傳感器等等。其中，電阻應(yīng)變式傳感器是被廣泛用于電子秤和各種測力裝置。傳感器所選取的精度和范圍度是至關(guān)重要的，過高的精度對于有些使用無太大意義，而過寬的范圍度也會是測量精度降低，因此要根據(jù)測量對象的要求來選擇恰當(dāng)?shù)木群头秶取?/p>

在物聯(lián)網(wǎng)中，傳感器技術(shù)是一個重要的組成部分，如果將物聯(lián)網(wǎng)比作一個人的話，那傳感器就是人的神經(jīng)末梢，是全面感知外界的最核心的元件。這些傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的感知層，負(fù)責(zé)將對物體的具體有關(guān)的信息測取出來，從而傳給上層進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、處理。新型傳感器技術(shù)的發(fā)展對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的支撐作用[15]，可以通過壓力傳感器、圖像傳感器等設(shè)備來獲取母豬的日常生活信息，從而達(dá)到智能管理的效果。

3.3 云計算技術(shù)

云計算(Cloud Computing)，作為一種近幾年新型的計算模式，是通過一種共享的形式來實現(xiàn)的。廣大的用戶可以共享它們的軟硬件設(shè)備或者信息，來實現(xiàn)云計算的可擴(kuò)展性和高可靠性等優(yōu)點。

云計算的主要特點是其計算并不是在一個本地的計算機中進(jìn)行，也不是通過遠(yuǎn)程服務(wù)器來進(jìn)行；云計算的計算分布在大量的分布式計算機上，好比是從古老的單臺發(fā)電機模式轉(zhuǎn)向了電廠集中供電的模式[16]。云計算是一種具有商業(yè)概念的共享計算過程，是網(wǎng)絡(luò)計算、并行處理和分布式處理的發(fā)展和延續(xù)。

云計算與物聯(lián)網(wǎng)之間雖然存在很大的區(qū)別，但是二者也有著千絲萬縷的聯(lián)系：物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器采集到難以計數(shù)的龐大的數(shù)據(jù)量，而云計算可以對這些龐大的數(shù)據(jù)量進(jìn)行智能處理，二者相輔相成。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高度發(fā)展的今天，云計算技術(shù)所具有的高可靠性、可擴(kuò)展性和虛擬化等特點，正好為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供了技術(shù)支持。在智能化母豬管理中，使用云計算技術(shù)可以快速、安全地將通過傳感器獲取的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4 結(jié)論

針對物聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)在養(yǎng)殖智能飼喂管理中的應(yīng)用進(jìn)行了分析介紹，指出了物聯(lián)網(wǎng)在養(yǎng)殖業(yè)智能化發(fā)展中的必要性與不可或缺性?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能化飼喂管理系統(tǒng)必將促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)的現(xiàn)代化、精準(zhǔn)化發(fā)展，必將改善養(yǎng)殖環(huán)境、精確飼喂管理、增加產(chǎn)值數(shù)量，從而提高豬肉質(zhì)量，必將促使養(yǎng)殖業(yè)向更好的方向發(fā)展。

[1] 王亞輝，洪藝珊.在變化中預(yù)測風(fēng)險從風(fēng)險中尋早機遇-2014年中國養(yǎng)豬業(yè)前景分析[J]．中國豬業(yè)，2014(2)：2-8.

[2] 孫瑤.物聯(lián)網(wǎng)在畜牧業(yè)中的應(yīng)用[J]．家禽科學(xué)，2011(12)：7-9．

[3] 曹青林.物聯(lián)網(wǎng)研究現(xiàn)狀綜述[J]．軟件導(dǎo)刊，2010，9(5)：6-7．

[4] 彭力.基于案例的物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012．

[5] 李志清，李璇.淺談物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息，2009(22)：327．

[6] 徐穎秦.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012：8-10．

[7] 黃川，季晨，蘆惟本．?dāng)?shù)字化技術(shù)是精細(xì)養(yǎng)豬的核心[J]．豬業(yè)核心，2008(5)：34-35．

[8] 柳平增，丁為民，汪小旵，等．奶牛個體識別及信息采集系統(tǒng)的設(shè)計[J]．計算機測量與控制，2006，14(10)：1410-1416．

[9] 葉娜，黃川．荷蘭Velos智能化母豬飼養(yǎng)管理系統(tǒng)在國內(nèi)豬場的應(yīng)用[J]．養(yǎng)豬，2009(2)：41-42．

[10] 楊曉丹．奧斯本公司TEAM系統(tǒng)開始在中國豬場應(yīng)用[J]．中國畜牧獸醫(yī)，2009(1)：108．

[11] 張海平．淺談豬場的安全養(yǎng)殖模式[J]．農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2010(12B)：47-49．

[12] 郭忠利．規(guī)?；B(yǎng)豬場群體母豬精細(xì)飼喂控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D]．哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008．

[13] 郝文江，武捷.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)安全問題探析[J].信息網(wǎng)絡(luò)安全，2010(1)：49-50．

[14] 李晉瑤.物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究[D]．武漢：華中師范大學(xué)，2014．

[15] 宮紅彩，韓慶玉，劉影.淺析無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用[J]．企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2012(8)：25-26．

[16] 陳康，鄭緯民.云計算系統(tǒng)實例與研究現(xiàn)狀[J]．軟件學(xué)報，2009，20(5)：257-268.