無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在生態(tài)養(yǎng)殖的應(yīng)用

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摘要：將RFID和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入智能生態(tài)養(yǎng)殖模式中，對智能生態(tài)養(yǎng)殖模式中的果林生長環(huán)境、禽畜舍的室內(nèi)環(huán)境進行監(jiān)測和控制，并對禽畜個體進行行為研究，可以及早發(fā)現(xiàn)異常情況，使生態(tài)養(yǎng)殖更加健康有序的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：生態(tài)養(yǎng)殖；RFID；畜禽行為研究；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

我國果林面積巨大，至2015年底，全國果林總面積達1536.71hm2，果品產(chǎn)業(yè)在我國經(jīng)濟發(fā)展中占有重要地位。近年來將禽畜養(yǎng)殖與果林種植相結(jié)合的綠色生態(tài)養(yǎng)殖模式發(fā)展迅速，這一模式是在果林環(huán)境中養(yǎng)殖合適的禽畜，使其共同生長，如已取得成功的果-草-雞、豬-沼-果模式等。生態(tài)養(yǎng)殖能夠充分利用資源，減少農(nóng)藥化肥的使用，獲得高產(chǎn)量高品質(zhì)的肉蛋產(chǎn)品，增加農(nóng)民收入，維持生態(tài)平衡，取得良好的經(jīng)濟效益、社會效益及生態(tài)效益。但是生態(tài)養(yǎng)殖要求在同樣的果林面積上投入更多的人手，試驗表明，其勞動力需求為單作果林的2.5倍。將現(xiàn)代化的智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于生態(tài)養(yǎng)殖模式中，對勞動力的需求會降低，且準確可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠及時地發(fā)現(xiàn)環(huán)境異常和禽畜異常行為，保證生態(tài)養(yǎng)殖的健康發(fā)展。本文以果-草-雞為例，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID相結(jié)合應(yīng)用于生態(tài)養(yǎng)殖模式中，實現(xiàn)生態(tài)養(yǎng)殖的智能化，并進一步增加其經(jīng)濟效益。

1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用數(shù)量眾多的節(jié)點采集數(shù)據(jù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點體積小，部署方便，能及時提供準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，現(xiàn)已在工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等多個領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。通過集成各種傳感器可以探測果林環(huán)境和禽舍環(huán)境，建立智能化的生態(tài)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)。RFID是利用射頻信號自動識別目標，獲得目標對象的相關(guān)信息。RFID獲取的數(shù)據(jù)真實準確，芯片使用壽命長，在物流等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。在生態(tài)養(yǎng)殖中，針對雞群中每一個體分配一個RFID芯片，用來記錄這一個體的所有相關(guān)信息，如目標所處的位置、活動量、活動范圍、體溫及叫聲等。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，可以盡早發(fā)現(xiàn)個體異常行為，防止疫情擴散，保證畜禽健康生長。RFID可以完成目標識別并采集數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)傳輸距離只有幾米遠，故將其與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)配合使用，構(gòu)建RFID無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，綜合二者的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)更多功能。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳遞RFID芯片收集到的數(shù)據(jù)，再把所有的數(shù)據(jù)進行整理匯總，傳送給控制終端，方便工作人員隨時查看并進行分析判斷。

2RFID和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在生態(tài)養(yǎng)殖模式中的應(yīng)用

將RFID和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于梨-草-雞生態(tài)養(yǎng)殖模式中，能夠大大解放人手，降低成本，進一步增加農(nóng)戶收入，同時實現(xiàn)禽舍的智能化控制，并建立個體健康評價體系，杜絕傳染疾病的發(fā)生和傳播，具有良好的發(fā)展前景。建設(shè)生態(tài)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)以無線傳感器節(jié)點部署為起點，采集監(jiān)測數(shù)據(jù)為重點，數(shù)據(jù)整理與分析為核心，實現(xiàn)智能化管理控制。2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在果林環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用。果林環(huán)境的監(jiān)測可以通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。環(huán)境監(jiān)測時，主要監(jiān)測數(shù)據(jù)包括環(huán)境溫濕度、光照度、CO2濃度、土壤pH值、土壤濕度等，方便了解果園的環(huán)境信息和土壤狀態(tài)，進而調(diào)整施肥控制及澆灌作業(yè)。在確定了果林范圍和面積后，首先要部署傳感器節(jié)點，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點在使用時最大的問題是其壽命有限，在能量耗盡后就失去作用，退出網(wǎng)絡(luò)。可以通過選擇合適的節(jié)點部署方式，如平面的均勻部署或者隨機部署，或選擇更好的算法等方法節(jié)約節(jié)點能耗，延長節(jié)點使用壽命。對于傳感器節(jié)點進行定位已經(jīng)在技術(shù)上可行。通過對節(jié)點定位的研究，可對果林環(huán)境中數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的節(jié)點進行分析，及時發(fā)現(xiàn)異常狀況，避免出現(xiàn)人畜受傷或發(fā)生火災(zāi)，特別是可能導(dǎo)致嚴重后果的事故。2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在禽舍環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用。禽舍應(yīng)該建設(shè)在合適的位置，特別是在農(nóng)業(yè)朝著智能化、電子化發(fā)展的現(xiàn)在，建設(shè)現(xiàn)代化的智能禽舍勢在必行。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在對智能畜禽舍環(huán)境進行監(jiān)測時，實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)包括禽舍的溫度、濕度、光照強度、大氣壓和各種有害氣體（如CO2、氨氣等）濃度等指標。根據(jù)禽舍的規(guī)模，在進行節(jié)點部署時，需要進行邊緣部署和內(nèi)部空間部署，一般沒有大的障礙物時，采用兩層大體上的均勻部署即可。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比預(yù)先設(shè)定好的相關(guān)指標，自動控制和管理智能畜禽舍的相關(guān)設(shè)備，如換風系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和溫控設(shè)備等，精確控制禽舍環(huán)境，促進禽畜的健康成長。如有需要可另外檢測禽舍內(nèi)圖像、視頻和聲音等信息。2.3RFID和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在雞群個體行為監(jiān)測中的應(yīng)用。目前，我國禽畜飼養(yǎng)中主要依靠人工觀測的方式監(jiān)測動物個體信息，耗時費力且主觀性強，結(jié)果也不理想。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，國外學者對動物個體行為監(jiān)測方法和技術(shù)進行了大量研究，利用電子手段采集動物的個體信息，分析動物的生理、健康、福利等狀況，為畜禽養(yǎng)殖提供指導(dǎo)。用于采集雞群個體信息的RFID芯片可以直接安放在雞身上，收集數(shù)據(jù)時，采用RFID和傳感器網(wǎng)絡(luò)兩種技術(shù)的融合。利用RFID和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對雞群個體的行為信息和健康信息進行監(jiān)測，可以獲取雞的活動范圍、活動軌跡和運動特點，能夠幫助養(yǎng)殖者進一步了解雞的生活習性，獲得雞群個體行為研究的第一手資料。主要監(jiān)測數(shù)據(jù)包括雞群個體的溫度、位置、叫聲等特征參數(shù)，經(jīng)過分析得到關(guān)于雞群活動范圍、活動量、個體溫度和叫聲等信息。將其與飼養(yǎng)人員的養(yǎng)殖經(jīng)驗相結(jié)合，總結(jié)設(shè)定一套簡單易行、可以量化的個體行為評價體系；還可以進一步建立異常行為分析方法，分析得到被測個體的健康狀況，指導(dǎo)生態(tài)養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展。2.4監(jiān)測數(shù)據(jù)的分類整理與分析。智能化生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)量很大，要分類進行處理。果園環(huán)境監(jiān)測的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以幫助了解果樹的生長環(huán)境，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實施施肥、打藥、灌溉等操作。對明顯異常的數(shù)據(jù)自動進行報警，并通知工作人員進一步對異常狀況進行確認，防止發(fā)生火災(zāi)等災(zāi)害。雞舍環(huán)境的監(jiān)測數(shù)據(jù)主要用于控制智能化雞舍的設(shè)備運行，包括溫濕度控制、有害氣體控制、換風系統(tǒng)及各種進風設(shè)備等，為畜禽生長提供良好的生活環(huán)境。雞群個體行為信息的相關(guān)數(shù)據(jù)可以用于建立雞群個體日常行為評價體系和異常行為評價系統(tǒng)。檢測到的數(shù)據(jù)分為幾類進行研究：雞趴臥不動時，記錄其趴臥的時間分布和持續(xù)時間等，分析雞主要在什么時間趴臥不動，其行為是否異常，如一只雞長時間不動，就要考慮其是否生病；雞處于運動狀態(tài)時，其走動的速度、距離等信息都要進行收集，然后分析在哪些時間段內(nèi)雞比較興奮、愛活動，其最大活動量持續(xù)時間等，一旦雞過度興奮，活動量過大，找出其原因；定位信息的分析，可以將每只雞平時所處的主要位置進行記錄，觀察其習性，如喜光還是喜陰，哪種地理位置更適合雞群生長等；溫度檢測數(shù)據(jù)，這一數(shù)據(jù)能夠很明顯的分析出雞的體溫是否異常，一旦出現(xiàn)異常，是否有感染瘟疫的可能，及時發(fā)現(xiàn)，及早處理，給工作人員提供可靠的指導(dǎo)；雞鳴叫的信息數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)可以反映雞的健康狀況，如公雞打鳴，母雞下蛋后的鳴叫聲，在受到驚嚇或碰到異常情況時的叫聲是否有異常等。有學者對雞的鳴叫聲進行過專業(yè)研究，可以作為參考，結(jié)合飼養(yǎng)人員的養(yǎng)殖經(jīng)驗分析雞叫聲異常情況。除了以上數(shù)據(jù)之外，還可以對雞的發(fā)情信息、體重信息等進行監(jiān)測，并考慮到個體差異，作為進一步研究雞行為的方向。總體來說，通過對數(shù)據(jù)的分析，建立個體行為評價體系，建立單體行為與福利水平之間的聯(lián)系，設(shè)定雞異常行為評分標準，及時發(fā)現(xiàn)異常行為，實現(xiàn)生態(tài)養(yǎng)殖的智能化管理和控制。

3智能生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)建立中需要解決的關(guān)鍵問題

在整個監(jiān)測系統(tǒng)的建立和工作過程中，需要解決幾個關(guān)鍵性的問題，才能保證智能生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)的有序運行，實現(xiàn)其相應(yīng)的經(jīng)濟價值及生態(tài)價值。一是大量信息的分類處理和分析。系統(tǒng)針對多組目標同時進行檢測，監(jiān)測數(shù)據(jù)種類復(fù)雜且數(shù)據(jù)量大，加大了數(shù)據(jù)處理的難度。只有對于接收到的所有數(shù)據(jù)進行有效的分類處理，各自針對不同的對象，同時了解不同數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，才能實現(xiàn)關(guān)于果-草-雞綠色生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)的智能控制。二是建立雞群個體異常行為評價系統(tǒng)。對于個體信息進行分析能夠反映出動物個體的健康狀況，具有很高的研究前景與價值，國內(nèi)近幾年也逐漸開始重視對于畜禽行為和健康的研究。目前國內(nèi)外對雞行為監(jiān)測研究主要是針對行為特征提取和監(jiān)測方法，對雞行為實時監(jiān)測的裝備研究較少，可參考的數(shù)據(jù)也極其少。如何能夠研究一套低成本、針對個體特征、彌補群體檢測不足的系統(tǒng)已成為了養(yǎng)殖業(yè)中的熱點領(lǐng)域。建立個體行為評價體系時，每只雞的行為特點會略有不同，但大體方向上不會差別太大。進行異常行為分析時，通過將一天中某一被測個體的活動特點與周圍其他個體的活動特點、該被測個體與其前7天活動特點分別進行對比得到異常等級，同時通過將被測個體的數(shù)據(jù)與生病個體的數(shù)據(jù)進行對比來進行健康判定，綜合分析以上情況得到警告等級，評價雞的健康狀況。三是將RFID和傳感器網(wǎng)絡(luò)兩種技術(shù)進行融合。RFID系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)通常采用有線通訊，但在某些應(yīng)用環(huán)境下，可以用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。將射頻識別技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行融合，可以彌補兩者的不足，擴大應(yīng)用領(lǐng)域。四是針對不同類別數(shù)據(jù)間的聯(lián)系，進行可能的關(guān)聯(lián)分析。例如禽舍有害氣體、溫度和濕度之間的相互關(guān)系，畜禽舍內(nèi)多種氣體傳感器存在交叉敏感的問題，果林土壤特性與禽類糞便間的關(guān)系等。五是傳感器節(jié)點由于受到體積、價格和電源供給等因素的限制，在整個被觀測區(qū)域中相鄰節(jié)點不能相隔太遠，而且單個節(jié)點無法監(jiān)測整個禽舍的環(huán)境信息，故節(jié)點數(shù)量不會太少。

4生態(tài)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢分析

從有限的土地上獲得更多的產(chǎn)出，同時保證土地資源的可持續(xù)發(fā)展，是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的主題。果-草-雞生態(tài)養(yǎng)殖不但能增加農(nóng)戶收入，獲得較高品質(zhì)的禽畜肉蛋產(chǎn)品，還能實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的良好循環(huán)。但是生態(tài)養(yǎng)殖業(yè)需要因地制宜，從當?shù)丨h(huán)境實際出發(fā)，找出良性生態(tài)循環(huán)的養(yǎng)殖模式，國家政策應(yīng)在這方面傾斜；同時積極開發(fā)生態(tài)飼料業(yè)，逐漸向有機養(yǎng)殖業(yè)方向發(fā)展；還要發(fā)展糞便無害化處理和糞便資源的多元化再利用。

作者:朱立麗 單位:廊坊師范學院