王 廣，張永濤，李德嫻，袁宇欣，陳 璐，余夢琦，韓少卿，王 浩，李 廣*

(1.西北農(nóng)林科技大學動物科技學院，奶羊產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新實驗室，陜西 楊凌 712100；2.楊凌農(nóng)業(yè)云服務有限公司，陜西 楊凌 712100)

以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)及人工智能為代表的新一輪信息技術革命推動粗放式傳統(tǒng)畜牧養(yǎng)殖向知識型、技術型、現(xiàn)代化的智慧畜牧養(yǎng)殖轉變，利用智能化技術優(yōu)勢已成為驅動畜牧業(yè)快速發(fā)展的重要因素[1-9]。奶山羊是我國的特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一，羊奶以易消化好吸收，含有多種生物活性物質，如上皮細胞生長因子(EGF)、類胰島素因子、涎酸(SA)、核甘酸、腦磷脂等，且不易發(fā)生乳糖不耐癥和乳蛋白(A1β-酪蛋白、αs-1酪蛋白)過敏反應[10]，以及奶山羊養(yǎng)殖投資小，帶動農(nóng)民增收量大面廣等優(yōu)勢，成為脫貧致富和鄉(xiāng)村振興優(yōu)勢特色產(chǎn)業(yè)。但長期以來，奶山羊產(chǎn)業(yè)存在著“繁殖效率低，改良效率差”等瓶頸問題，嚴重制約了我國奶山羊產(chǎn)業(yè)優(yōu)質高質量的快速發(fā)展。隨著傳感器、移動通信和物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，通過傳感器獲得相關繁育參數(shù)，將之傳輸?shù)皆贫?，并在手機、PDA(掌上電腦)、計算機等信息終端進行顯示，已成為規(guī)?；?、標準化養(yǎng)殖場采用的信息化管理手段[9-14]。對獲取的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)如何科學有效地加以利用，進一步指導奶山羊生產(chǎn)，是當前亟待解決的突出問題。

在奶山羊的繁殖管理中，采用精準的選配選育技術與相應的繁殖裝備結合起來，應符合奶山羊的繁育生理需求。選配選育技術狀況直接影響奶山羊的遺傳進度和后裔的產(chǎn)奶性能，體型外貌和產(chǎn)奶性能是評價奶山羊高效繁育效果的基本指標。目前，奶山羊的飼喂管理是按照產(chǎn)奶量進行分群，頻繁分群對奶山羊造成一定的應激，且各組群內(nèi)由于奶山羊的個體差異，致使高產(chǎn)奶山羊精準的選配選育技術受到限制，針對該技術存在的問題，智能化精確智能化精準繁育系統(tǒng)的應用在一定程度上彌補了這方面的技術不足。

1 規(guī)?；躺窖驁龅淖詣颖O(jiān)測及聯(lián)動控制

對于奶山羊產(chǎn)業(yè)而言，開發(fā)奶山羊場監(jiān)控系統(tǒng)可以幫助管理人員在不到現(xiàn)場的情況下，實現(xiàn)羊場生產(chǎn)的監(jiān)督和管理。同時，根據(jù)需要還可以通過遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)邀請專家，向羊場提供遠程指導和繁育信息。此外，一套監(jiān)控系統(tǒng)可以有效地實現(xiàn)羊場信息管理，大大減少人員數(shù)量，有效地提高養(yǎng)羊業(yè)的管理水平。但目前，市場上所使用的養(yǎng)羊場管理系統(tǒng)效果均不理想，這些系統(tǒng)還不能解決我國規(guī)模化奶山羊場監(jiān)控所面臨的關鍵問題。奶山羊的繁殖信息包括羊舍環(huán)境因素及體溫、行為等，由于規(guī)?；躺窖驁錾婕暗谋O(jiān)控參數(shù)較多，需要采取的措施較為復雜，導致信息采集困難。為此，我們自主研發(fā)了一個規(guī)?；躺窖驁龈咝Х敝彻芾硐到y(tǒng)，它可對奶山羊的養(yǎng)殖環(huán)境信息和生理信息進行自動監(jiān)測及相關聯(lián)動控制。

2 奶山羊場監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件整體設計

2.1 奶山羊場監(jiān)控網(wǎng)絡設計

通過巡檢機器人監(jiān)控系統(tǒng)、奶山羊羊臉識別系統(tǒng)、奶山羊體溫感知和行為感知系統(tǒng)進行監(jiān)控，各個羊舍中的各類傳感器和攝像頭可廣泛采集各種數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關傳輸?shù)窖驁霰O(jiān)控數(shù)據(jù)服務中心，以對獲取的大量奶山羊養(yǎng)殖數(shù)據(jù)進行分析、處理及顯示。所建設的奶山羊場智能監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)奶山羊養(yǎng)殖的全過程監(jiān)控、科學管理和即時服務，進而實現(xiàn)奶山羊產(chǎn)業(yè)集約、高產(chǎn)、高效、優(yōu)質、生態(tài)和安全的目標。具體的系統(tǒng)功能包括視頻監(jiān)控功能、環(huán)境遠程監(jiān)測功能、環(huán)境調節(jié)設備遠程控制功能、奶山羊生理信息采集功能和報警功能。視頻監(jiān)控功能可以實時地傳送活動圖像信息到用戶客戶端。同時，客戶端還可以控制前端攝像機，改變攝像角度、方位、鏡頭焦距等，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場大范圍的觀察和近距離的特寫；環(huán)境遠程監(jiān)測設備，可對羊場設備如水簾、風機、加熱器等進行遠程操作；奶山羊生理信息采集功能可實現(xiàn)對奶山羊采食、飲水、體溫、運動、搖尾等信息的采集；報警功能可實現(xiàn)用戶可根據(jù)需求在智能平臺上設置閾值，當采集到的數(shù)據(jù)超過閾值的時候，系統(tǒng)可以進行自動報警。

2.2 規(guī)?；驁霰O(jiān)控系統(tǒng)的Web服務設計

規(guī)?；驁鲋悄芑芾砥脚_系統(tǒng)包括登錄管理、首頁顯示、公告中心、信息總覽、地理位置、特殊操作和用戶注冊等。其中，信息總覽是本系統(tǒng)的核心模塊，它包括用戶管理、配置管理、監(jiān)控管理、文章管理和智能管理。登錄管理模塊主要實現(xiàn)管理員登錄功能。成功登錄后，系統(tǒng)可發(fā)送短信及郵件提醒。公告中心模塊主要實現(xiàn)后臺編輯相關文章內(nèi)容的展示；信息總覽模塊的主要功能包括監(jiān)控管理、配置管理、用戶管理和智能管理；地理位置模塊主要實現(xiàn)養(yǎng)殖區(qū)域的百度地圖展示；監(jiān)控管理包括圖像監(jiān)控、視頻監(jiān)控、羊生理信息監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控和設備監(jiān)控，其中，圖像監(jiān)控主要實現(xiàn)以圖片形式對羊舍羊群情況進行監(jiān)控；視頻監(jiān)控主要實現(xiàn)以視頻播放的形式對羊舍羊群進行監(jiān)控；環(huán)境監(jiān)控主要實現(xiàn)綜合性監(jiān)控，包括設備控制及視頻、環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)控；設備監(jiān)控主要實現(xiàn)對設備進行監(jiān)控管理，包括攝像頭、網(wǎng)關、節(jié)點、繼電器及其它水電氣設備(如燈、風扇等)；配置管理是羊場智能監(jiān)控系統(tǒng)的一個重要模塊，它主要實現(xiàn)區(qū)域配置和設備配置功能；用戶管理主要包括羊個體信息管理與用戶列表及操作管理；特殊操作模塊包括權限管理、角色管理、用戶管理和日志管理。權限管理主要實現(xiàn)對系統(tǒng)用戶的權限進行查詢及編輯操作；角色管理主要負責對角色的增加刪除修改查找和為指定角色分配權限；用戶管理主要實現(xiàn)用戶角色授予的編輯及清空權限的操作；日志管理主要實現(xiàn)管理員有關寫操作的記錄。另外，用戶注冊模塊主要實現(xiàn)注冊新的管理員，但新管理員并沒有任何權限，需要超級管理員后臺授予相關權限。

2.3 奶山羊場管理平臺主要數(shù)據(jù)庫表格設計

奶山羊場實時監(jiān)控過程中，各種數(shù)據(jù)匯集到智能羊場監(jiān)控系統(tǒng)信息平臺所在的數(shù)據(jù)服務中心，該中心使用Oracle、MySQL及MS SQL Server等數(shù)據(jù)庫來管理及存儲數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)建立所涉及的主要數(shù)據(jù)表格包括用戶表(adminuser)、網(wǎng)關表(gateway)、傳感器表(sensor)、傳感器數(shù)據(jù)表(sensor_data)和控制命令表(controlorder)，各個表格之間用主鍵外鍵之間的關系進行聯(lián)系；在奶山羊精準繁育數(shù)據(jù)服務中心的主要數(shù)據(jù)庫內(nèi)容包括：表型數(shù)據(jù)(體征狀況數(shù)據(jù)、健康狀況數(shù)據(jù)、聲音狀況數(shù)據(jù))、行為數(shù)據(jù)(活動軌跡數(shù)據(jù)、采食狀況數(shù)據(jù)、產(chǎn)奶狀況數(shù)據(jù)、繁育狀況數(shù)據(jù))、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)(環(huán)境溫度數(shù)據(jù)、環(huán)境濕度數(shù)據(jù)、安全環(huán)保數(shù)據(jù))、基因組數(shù)據(jù)、轉錄組數(shù)據(jù)、蛋白組數(shù)據(jù)、代謝組數(shù)據(jù)、微生物組數(shù)據(jù)等。

2.4 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

無線繼電器PC控制盒可實現(xiàn)網(wǎng)關對各路電器設備的電源的“開”或“關”進行無線方式控制，它擺脫了有線繼電器需要拉很長電線的制約。PC智能控制盒通過使用RS232接口同網(wǎng)關進行通信。通過標配的無線遙控模塊，可以發(fā)射無線信號來控制可視距離1 000 m范圍內(nèi)的無線繼電器設備。OT139氣體檢測儀可以檢測8種氣體檢測儀+溫濕度+粉塵，支持GPRS定位，4G數(shù)據(jù)傳輸，具備物聯(lián)、無線、藍牙、可連接無線藍牙打印機；軌道巡視機器人及多功能電子耳標是基于養(yǎng)殖標準體系、飼草飼料、生長環(huán)境、體征監(jiān)測等數(shù)據(jù)的分析應用，通過對奶山羊羊臉識別、個體信息、飼草料信息、羊舍環(huán)境信息、奶山羊生理感知信息(體溫、運動、行為等)、巡視機器人感知信息的采集、整合和管理，對羊場的奶山羊的生理體征以快速響應模式獲得精準、及時的數(shù)據(jù)，進行巡查監(jiān)測和預警，通過物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測及設施智能控制系統(tǒng)建設，對奶山羊生長環(huán)境進行監(jiān)測預警，通過對羊舍通風照明等設備的智能控制，滿足奶山羊養(yǎng)殖正常的環(huán)境需求；通過動物體征監(jiān)測系統(tǒng)建設，實時監(jiān)測奶山羊生理體征、發(fā)情狀況及體征異常情況進行預警。

3 規(guī)?；躺窖驁鲋悄芑珳史庇δ艿膶崿F(xiàn)

規(guī)模化奶山羊場監(jiān)控數(shù)據(jù)服務中心接收網(wǎng)關發(fā)來的傳感器及視頻數(shù)據(jù)，在對數(shù)據(jù)進行分析和處理后，通過Web服務器向用戶展示。同時，用戶可通過Android手機客戶端或者PC客戶端對遠程設備進行控制，控制命令通過Web服務器轉發(fā)給安裝在奶山羊場羊舍中的網(wǎng)關。網(wǎng)關通過RS 232或者RS 485串口向繼電器設備發(fā)送控制命令來實現(xiàn)通電電路打開和關閉，進而控制設備的運行。

3.1 系統(tǒng)登錄界面

管理員需要輸入賬號、密碼及驗證碼，經(jīng)后臺驗證通過后才算登錄成功。成功登錄后，系統(tǒng)會自動給管理員發(fā)送郵件提示。

3.2 靜態(tài)數(shù)據(jù)管理

靜態(tài)數(shù)據(jù)管理界面，通過區(qū)域管理模塊可實現(xiàn)對用戶、養(yǎng)殖區(qū)、設備等靜態(tài)信息的基本管理，包括增加、刪除、修改和查詢等操作。

3.3 傳感器實時數(shù)據(jù)分析處理及動態(tài)顯示界面

通過實時數(shù)據(jù)處理模塊可對收集的各種傳感器數(shù)據(jù)進行處理，并通過報表的方式顯示實時環(huán)境監(jiān)控信息以及網(wǎng)關下屬傳感器組成比例等信息。報表方式有折線圖、時序分布圖和餅狀圖等。同時，用戶通過查看報表可更直觀地了解羊場的實時環(huán)境信息和個體生理、繁殖行為信息。

4 設備的手動控制及智能化控制管理界面

通過羊場的手動控制系統(tǒng)，用戶通過查看羊場不同區(qū)域的數(shù)據(jù)分析后，如發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境因素和個體生理、繁殖行為信息不在合適的范圍內(nèi)時，可主動對遠端的相應設備進行控制，通過管理界面，實現(xiàn)溫濕度調節(jié)、光照調節(jié)及加強空氣流通性等；對于奶山羊個體生理、繁殖行為信息的異常變化，可以及時發(fā)現(xiàn)發(fā)情母羊，并通過個體表型、系譜分析、基因組數(shù)據(jù)、蛋白組數(shù)據(jù)及代謝組數(shù)據(jù)等進行最佳的配對組合，為了避免對羊舍環(huán)境調節(jié)和繁殖配對的不精確性，以及人工監(jiān)控的不足，可通過設置“智能模式”來實現(xiàn)對羊場環(huán)境和繁殖配對的智能化調節(jié)。通過設置傳感器的參數(shù)，并啟用該模式，服務器將會傳輸相關的配置參數(shù)到不同的網(wǎng)關，并將智能化控制參數(shù)存儲到網(wǎng)關的嵌入式數(shù)據(jù)庫中。網(wǎng)關根據(jù)嵌入式數(shù)據(jù)庫控制命令管理表格中的參數(shù)，對各自收集的數(shù)據(jù)做出分析處理，在無須人工干涉的情況下，就可實現(xiàn)對設備的智能控制，從而加速遺傳進度和繁育效果。

5 結論

本系統(tǒng)是運用C編程技術、Java編程技術、物聯(lián)網(wǎng)信息化技術及數(shù)據(jù)融合技術，依據(jù)奶山羊個體生理信息、行為信息、個體表型、系譜分析、基因組數(shù)據(jù)、蛋白組數(shù)據(jù)及代謝組數(shù)據(jù)等進行最佳的配對組合，開發(fā)了規(guī)?；躺窖驁鲋悄芑珳史庇到y(tǒng)，主要包括Web服務器端及智能手機客戶端，本系統(tǒng)通過設置“智能模式”來實現(xiàn)對羊場環(huán)境和繁殖配對的智能化調節(jié)，在無須人工干涉的情況下，就可實現(xiàn)智能控制，從而加速遺傳進度和繁育效果，在現(xiàn)代化奶山羊養(yǎng)殖領域必將得到快速推廣和應用。