邵毅

摘要：在農(nóng)業(yè)信息化大背景下，文章思考以物聯(lián)網(wǎng)Iot、傳感器、攝像監(jiān)控、自動化技術(shù)，對山羊養(yǎng)舍進行信息化、智能化升級和改造，提出了一種山羊養(yǎng)舍的環(huán)境監(jiān)測和自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，并進行了初步實踐。通過UML建模語言，使用VISIO2013工具設(shè)計系統(tǒng)UML用例圖、部署圖；使用CAD設(shè)計羊舍、構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、布局、剖切圖。實踐中，視頻監(jiān)控選用先進AI訓(xùn)練攝像監(jiān)控及其系統(tǒng)；選用NH3傳感器、溫濕度傳感器及其云平臺軟件采集和分析數(shù)據(jù)。最終實現(xiàn)了羊舍智能化管理，對山羊懷孕檢測和看護起到了較好的效果。本研究期望使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)助力山羊智慧養(yǎng)殖和高繁研究，為智慧農(nóng)業(yè)貢獻力量。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；傳感器；山羊；智能養(yǎng)舍；懷孕檢測；看護

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）35-0102-04

研究背景

如今在鄉(xiāng)村振興工作中，提出了數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)，其中對于山羊養(yǎng)殖來說，就要通過信息化如物聯(lián)網(wǎng)IOT、傳感器、自動化等技術(shù)提高山羊養(yǎng)殖效率。目前，養(yǎng)殖中對山羊懷孕的判斷通常是依靠臨床知識和經(jīng)驗來判斷，時間較長，飼養(yǎng)人員對母羊檢測工作量大，容易忽略對母羊的特殊照顧，導(dǎo)致懷孕的母羊容易受到傷害。因此，為解決此類問題，畢節(jié)市科技局2019立項了聯(lián)合基金項目：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的山羊懷孕檢測系統(tǒng)研究（文件編號：畢科發(fā)〔2020〕2號；項目編號：畢科聯(lián)合字zy〔2019〕4號）。針對項目，本文旨在提出設(shè)計一種山羊養(yǎng)舍的環(huán)境監(jiān)測和自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，部署一間山羊懷孕檢測和看護智能養(yǎng)舍。

1研究思路

研究的思路為：數(shù)字農(nóng)業(yè)背景下找問題→通過物聯(lián)網(wǎng)IOT、傳感器、自動化技術(shù)分析問題→通過物聯(lián)網(wǎng)IOT、傳感器、自動化技術(shù)規(guī)劃設(shè)計解決方案→通過物聯(lián)網(wǎng)IOT、傳感器、自動化技術(shù)實踐探索→通過信息化設(shè)計和部署的情況進行思考歸納→形成專利。

2 研究意義和必要性

（1）我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展處于初級階段，國外，信息化和農(nóng)業(yè)正在快速整合。（2）國家、地方出臺大力支持發(fā)展數(shù)字農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)政策和文件。（3）孕羊檢測和看護缺乏信息化、數(shù)字化手段。對山羊懷孕的判斷通常是靠臨床知識和經(jīng)驗，時間較長，飼養(yǎng)員對母羊孕測工作量大，易忽略對母羊的特殊照顧，導(dǎo)致孕羊易受到傷害。

3提出問題

由上見信息技術(shù)（如：物聯(lián)網(wǎng)IOT、傳感器、自動化技術(shù)）應(yīng)用到孕羊檢測和看護工作方面勢在必行。以孕羊的養(yǎng)舍為著眼點，利用物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、攝像監(jiān)控、自動化技術(shù)，對山羊養(yǎng)舍進行智能化升級和改造，從而對羊舍的環(huán)境監(jiān)測和自動化控制的目的，最終實現(xiàn)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)山羊懷孕檢測和看護，助力山羊智慧養(yǎng)殖和高繁事業(yè)。這里提出設(shè)計一種山羊的養(yǎng)舍的環(huán)境監(jiān)測和自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。

4分析問題

具體怎么設(shè)計，經(jīng)過大量調(diào)查和實踐，孕羊的養(yǎng)舍是孕羊的重要活動場所，解決上述問題，這里提出設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)IOT、傳感器、自動化技術(shù)的山羊懷孕檢測和看護智能養(yǎng)舍。以下根據(jù)業(yè)務(wù)需要分析，使用visio2013工具繪制羊舍信息系統(tǒng)的UML用例圖，主要涉及兩個重要角色[1]。

5 解決問題

根據(jù)以上分析情況，為解決問題，對基于物聯(lián)網(wǎng)IOT、傳感器、自動化技術(shù)的山羊懷孕檢測和看護智能養(yǎng)舍進行設(shè)計。具體內(nèi)容如下：

5.1 架構(gòu)設(shè)計

利用傳感器感知系統(tǒng)采集，到網(wǎng)絡(luò)傳輸、到云平臺使用、到門戶應(yīng)用設(shè)計，到集成架構(gòu)功能（報警推送、數(shù)據(jù)服務(wù)、平臺維護、報表統(tǒng)計），對系統(tǒng)架構(gòu)進行了初步設(shè)計，具體見下圖2（左）系統(tǒng)架構(gòu)[2]。

5.2 部署設(shè)計

使用visio2013，對系統(tǒng)進行部署繪制設(shè)計。上位機和下位機配合，通過傳感器采集溫度、氨氣、感應(yīng)等指標，當達到臨界值觸發(fā)電磁閥開啟和關(guān)閉，從而實現(xiàn)自動開啟/關(guān)閉供暖系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)，羊舍自動開關(guān)門系統(tǒng)，從而實現(xiàn)自動控制管理。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云平臺，通過手機app等門戶應(yīng)用平臺監(jiān)測和管理數(shù)據(jù)，集成服務(wù)實現(xiàn)羊舍的智能管理，具體見下圖2（右）系統(tǒng)部署[3-4]。

5.3 網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計

通過物聯(lián)網(wǎng)通信感知技術(shù)，設(shè)計Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)繼電器把溫濕度傳感器、氨氣傳感器、抽風(fēng)機、暖風(fēng)機、通風(fēng)格柵等通過新的方式聯(lián)在一起。通過NB-I0T或4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞?，定時將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺最終完成數(shù)據(jù)采集的目的，除了聯(lián)動通風(fēng)機等控制系統(tǒng)外，還可預(yù)警，用戶可對遠程設(shè)備控制，調(diào)節(jié)智能設(shè)備，改善養(yǎng)殖環(huán)境[5-6]。

5.4 整體設(shè)計摘要

包括羊舍本體，羊舍本體上開設(shè)有含感應(yīng)傳感器的智能門禁感應(yīng)開關(guān)柜門，且羊舍本體的設(shè)置有獨立圍倉，獨立圍倉的一側(cè)鉸接有保護欄桿，且獨立圍倉上端設(shè)置有監(jiān)測結(jié)構(gòu)，每個獨立圍倉相鄰之間設(shè)置有人行通道，羊舍本體一側(cè)外壁固定安裝有抽風(fēng)機，抽風(fēng)機的輸出端固定安裝有出風(fēng)管道，出風(fēng)管道的末端延伸至羊舍本體的內(nèi)部，羊舍本體的另一側(cè)外壁上固定安裝有含氨氣傳感器和溫度傳感器的智能溫控通風(fēng)格柵，實現(xiàn)自動感知開啟關(guān)閉格柵和啟動關(guān)閉抽風(fēng)機。最終達到輔助山羊懷孕檢測、智能監(jiān)測、輔助報警、智能化管理的作用，也可以起到保護懷孕母羊的作用，節(jié)約人力工時，提高工作效率[7]。

5.5 整體圖紙設(shè)計

通過使用CAD軟件，對羊舍結(jié)構(gòu)繪制設(shè)計。下圖3為 CAD繪制羊舍系列結(jié)構(gòu)圖，舍a是本設(shè)計的結(jié)構(gòu)示意圖；舍b是本設(shè)計的羊舍本體的布局圖；舍c是本設(shè)計的剖切圖；舍d是本設(shè)計的監(jiān)測結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。結(jié)構(gòu)圖中：1、羊舍本體；2、含感應(yīng)傳感器的智能感應(yīng)開關(guān)門禁柜門；3、抽風(fēng)機；4、出風(fēng)管道；5、暖風(fēng)機；6、進風(fēng)管道；7、智能溫控通風(fēng)格柵；8、獨立圍倉；9、分段溫度傳感器檢測儀；10、人行通道；11、保護欄桿；12、無線傳輸模塊；13、總控模塊；14、暖風(fēng)罩；15、暖風(fēng)分管道；16、電磁閥；17、連接框架；18、攝像結(jié)構(gòu)；19、HCG傳感器。

5.6 整體設(shè)計內(nèi)容說明

設(shè)計一種山羊懷孕檢測和看護智能養(yǎng)舍，達到輔助山羊懷孕檢測、智能監(jiān)測、輔助報警、智能化管理的作用，同時也可以起到保護懷孕母羊的作用，節(jié)約人力工時，提高工作效率[8-9]。

上述技術(shù)目的是通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)的：包括羊舍本體，所述羊舍本體上開設(shè)有含感應(yīng)傳感器的智能感應(yīng)開關(guān)門禁柜門，且所述羊舍本體的內(nèi)部呈均勻設(shè)置有獨立圍倉，每個所述獨立圍倉的一側(cè)鉸接有保護欄桿，且每個所述獨立圍倉上端設(shè)置有監(jiān)測結(jié)構(gòu)，每個所述獨立圍倉相鄰之間設(shè)置有人行通道[10]。

通過采用上述技術(shù)方案，該結(jié)構(gòu)中設(shè)置有多個單獨設(shè)置的獨立圍倉，可以對懷孕的母羊進行單獨保護，防止羊群聚集的過程中出現(xiàn)爭斗的問題，導(dǎo)致母羊受傷的問題，從而起到了保護母羊的作用。

進一步設(shè)置為：所述羊舍本體一側(cè)外壁固定安裝有抽風(fēng)機，所述抽風(fēng)機的輸出端固定安裝有出風(fēng)管道，所述出風(fēng)管道的末端延伸至羊舍本體的內(nèi)部，所述羊舍本體的另一側(cè)外壁上固定安裝有智能溫控通風(fēng)格柵，所述智能溫控通風(fēng)格柵的內(nèi)部設(shè)置有氨氣傳感器和溫度傳感器。

通過采用上述技術(shù)方案，該結(jié)構(gòu)中設(shè)置有抽風(fēng)機和智能溫控通風(fēng)格柵，抽風(fēng)機和智能溫控通風(fēng)格柵可以通過氨氣傳感器被觸發(fā)啟閉，從而實現(xiàn)對整體的羊舍本體內(nèi)部進行置換空氣，防止在對母羊養(yǎng)護的過程中，羊舍本體內(nèi)部出現(xiàn)異味的問題，此外，通過溫度傳感器感知羊舍頂端溫度變化，從而觸發(fā)智能溫控通風(fēng)格柵的啟閉，從而達到實現(xiàn)對羊舍自動保溫和散熱的作用。

進一步設(shè)置為：每個所述獨立圍倉的上端固定安裝有連接框架，所述連接框架上呈對稱設(shè)置分別固定安裝有攝像結(jié)構(gòu)和HCG傳感器（本傳感器需要人為取下操作采集數(shù)據(jù)），每個所述攝像結(jié)構(gòu)位于每個所述獨立圍倉的上端。

通過采用上述技術(shù)方案，通過設(shè)置的攝像結(jié)構(gòu)，可以對每個單獨存在的獨立圍倉進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)可視化監(jiān)測，視頻數(shù)據(jù)采集，視頻數(shù)據(jù)訓(xùn)練、深度學(xué)習(xí)，并通過HCG傳感器采集的數(shù)據(jù)對母山羊進行實時檢測，最終輔助對山羊懷孕進行預(yù)警。

進一步設(shè)置為：所述連接框架上呈對稱設(shè)置固定安裝有暖風(fēng)罩，每個所述暖風(fēng)罩上連接有暖風(fēng)分管道，每個所述暖風(fēng)分管道的末端固定安裝有進風(fēng)管道，所述進風(fēng)管道延伸至羊舍本體的外壁一側(cè)，且所述進風(fēng)管道的末端固定安裝有暖風(fēng)機，暖風(fēng)機通過智能溫控通風(fēng)格柵上的溫度傳感器且獨立圍倉庫的攝像結(jié)構(gòu)智能判斷是否有山羊，從而最終觸發(fā)自動啟閉暖風(fēng)機。

通過采用上述技術(shù)方案，針對環(huán)境溫度對母羊懷孕期間的影響，設(shè)置有暖風(fēng)罩，對單獨的獨立圍倉內(nèi)部進行輔助升溫。

進一步設(shè)置成：每個所述暖風(fēng)分管道與連接框架的相交處固定安裝有電磁閥。

使用上面方式后，在暖風(fēng)罩開始進行輔助升溫的過程中，通過獨立圍倉庫的攝像結(jié)構(gòu)智能感知和判斷是否有山羊，從而啟動每個對應(yīng)位置的電磁閥，實現(xiàn)單獨輔助升溫，獨立控制。

進一步設(shè)置為：每個所述獨立圍倉的內(nèi)部一側(cè)固定安裝有分段溫度傳感器檢測儀。

通過采用上述技術(shù)方案，在對每個母羊進行養(yǎng)護的過程中，設(shè)置的分段溫度傳感器檢測儀，可以對每個獨立存在的母山羊進行實時溫度檢測。

進一步設(shè)置為：所述羊舍本體內(nèi)壁一側(cè)固定安裝有無線傳輸模塊和總控模塊，所述無線傳輸模塊與總控模塊之間電性連接，且所述總控模塊與分段溫度傳感器檢測儀、攝像結(jié)構(gòu)、HCG傳感器和電磁閥之間電性連接。

通過采用上述技術(shù)方案，整體羊舍中每個分段溫度傳感器檢測儀、攝像結(jié)構(gòu)、HCG傳感器和電磁閥均通過總控模塊控制，而總控模塊通過無線傳輸模塊與使用終端連接，實現(xiàn)遠程控制，每個分端溫度檢測儀檢測每個獨立圍倉內(nèi)部的山羊體溫溫度變化，單獨感知，實時監(jiān)控。

綜上所述，本設(shè)計具有以下有益效果：該結(jié)構(gòu)中設(shè)置有多個單獨存在的獨立圍倉，可以對批量羊群進行獨立養(yǎng)護。在養(yǎng)護過程中，可以實現(xiàn)可視化管理，實現(xiàn)對圖像的采集、訓(xùn)練、深度學(xué)習(xí)人工智能分析懷孕山羊的懷孕行為；對羊舍內(nèi)部溫度和氨氣利用傳感器感知進行自動控制，實現(xiàn)智能操控，操作方便；對山羊體溫和HCG指標進行檢測，輔助檢測懷孕狀況。

5.7 實施部署詳情

結(jié)合羊舍系列結(jié)構(gòu)圖中的舍a-d在威寧自治縣蘆虹養(yǎng)殖場試驗羊舍實施，詳細說明如下：

一種山羊懷孕檢測和看護智能養(yǎng)舍，包括羊舍本體1，羊舍本體1上開設(shè)有含感應(yīng)傳感器的智能感應(yīng)開關(guān)門禁柜門2，且羊舍本體1的內(nèi)部呈均勻設(shè)置有獨立圍倉8，每個獨立圍倉8的一側(cè)鉸接有保護欄桿11，且每個獨立圍倉8上端設(shè)置有監(jiān)測結(jié)構(gòu)，每個獨立圍倉8相鄰之間設(shè)置有人行通道10。

如舍a所示，羊舍本體1一側(cè)外壁固定安裝有抽風(fēng)機3，抽風(fēng)機3的輸出端固定安裝有出風(fēng)管道4，出風(fēng)管道4的末端延伸至羊舍本體1的內(nèi)部，羊舍本體1的另一側(cè)外壁上固定安裝有智能溫控通風(fēng)格柵7。

如舍c和舍d所示，每個獨立圍倉8的上端固定安裝有連接框架17，連接框架17上呈對稱設(shè)置分別固定安裝有攝像結(jié)構(gòu)18和HCG傳感器19，每個攝像結(jié)構(gòu)18位于每個獨立圍倉8的上端，連接框架17上呈對稱設(shè)置固定安裝有暖風(fēng)罩14，每個暖風(fēng)罩14上連接有暖風(fēng)分管道15，每個暖風(fēng)分管道15的末端固定安裝有進風(fēng)管道6，進風(fēng)管道6延伸至羊舍本體1的外壁一側(cè)，且進風(fēng)管道6的末端固定安裝有暖風(fēng)機5，每個暖風(fēng)分管道15與連接框架17的相交處固定安裝有電磁閥16，每個獨立圍倉8的內(nèi)部一側(cè)固定安裝有分段溫度傳感器檢測儀9，羊舍本體1內(nèi)壁一側(cè)固定安裝有無線傳輸模塊12和總控模塊13，無線傳輸模塊12與總控模塊13之間電性連接，且總控模塊13與分段溫度傳感器檢測儀9、攝像結(jié)構(gòu)18、HCG傳感器19和電磁閥16之間電性連接。

工作原理：在使用期間，可以將批量的懷孕母羊驅(qū)趕到獨立存在的獨立圍倉8中，防止羊群中出現(xiàn)爭斗導(dǎo)致母羊受到傷害；在養(yǎng)護過程中，可以根據(jù)實際使用情況，通過智能溫控通風(fēng)格柵7，感知羊舍內(nèi)部的空氣變化，開啟抽風(fēng)機3，對羊舍本體1內(nèi)部進行抽換氣，減少羊舍本體1內(nèi)部的異味；并設(shè)置有單獨存在的攝像結(jié)構(gòu)18，對獨立存在的獨立圍倉8內(nèi)部進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)可視化監(jiān)測；并通過分段溫度傳感器檢測儀9，對每個獨立存在的獨立圍倉8的山羊進行實時溫度監(jiān)測；因為設(shè)置的暖風(fēng)機5處于開啟的狀態(tài)，通過智能溫控通風(fēng)格柵7的溫度傳感器和攝像結(jié)構(gòu)18感知，所以當某一個獨立存在的獨立圍倉8內(nèi)部出現(xiàn)溫度過低和有山羊在時，對應(yīng)位置的自動電磁閥16開啟，通過暖風(fēng)罩14向獨立圍倉8內(nèi)部輸送暖風(fēng)，起到輔助升溫的作用。

本具體實施通過各種傳感器實現(xiàn)了羊舍的智能化管理，提高了養(yǎng)殖場的工作效率。

5.8 實施使用的信息硬件、軟件、部署現(xiàn)場

傳感器：溫濕度傳感器、氨氣傳感器（其他類似氣體傳感器有：二氧化碳傳感器、pm2.5傳感器、二氧化硫傳感器、一氧化碳傳感器等）。

Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)繼電器：利用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的電控制器件4路，輸入的變量到達一定值后，從而觸發(fā)輸出電路數(shù)字發(fā)生變化從而起到控制電器的一種電器。

應(yīng)用軟件：選用精訊云，是一款全新的云平臺大數(shù)據(jù)操作系統(tǒng)，系統(tǒng)的可操作性強，直觀的顯示界面，更完美的轉(zhuǎn)發(fā)管理系統(tǒng)：監(jiān)控選用螢石云。

5.9 實踐結(jié)論

作為試驗的羊舍，通過物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)的使用，實現(xiàn)了羊舍養(yǎng)殖的智能化提升，設(shè)計的羊舍合理、可行。另一面，在羊舍內(nèi)部署的各種線路，因為老鼠的泛濫被咬壞，影響了系統(tǒng)的使用，這也是將來下一步在推廣中應(yīng)該考慮到的環(huán)境因素。

6 結(jié)論和展望

撰寫本文，筆者查閱了大量的國內(nèi)、省、市資料，調(diào)查了物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、自動化技術(shù)山羊畜牧養(yǎng)殖、智慧養(yǎng)殖的文獻[11-12]，針對問題提出了一種山羊的養(yǎng)舍的環(huán)境監(jiān)測和自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，然后通過在威寧自治縣蘆虹養(yǎng)殖場以當?shù)睾谏窖蚝蛨龅剡M行初步實踐部署，通過物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)實現(xiàn)了羊舍的智能化控制，并以“一種山羊懷孕檢測和看護智能養(yǎng)舍”為名提交了實用新型專利申請，取得了較好的成效。但也遇到設(shè)備、線路被鼠害等問題。

本文期望為山羊智慧養(yǎng)殖和高繁項目研究產(chǎn)生引領(lǐng)和借鑒價值。本研究還比較淺顯，還有艱巨的工作要去完成。筆者計劃將來對本成果進行推廣，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在其他家畜的智慧養(yǎng)殖和高繁項目上開展更多研究，爭取新的成績。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】