規?；躺窖驁鲋悄芑珳史庇到y設計與實現

王 廣，張永濤，李德嫻，袁宇欣，陳 璐，余夢琦，韓少卿，王 浩，李 廣*

(1.西北農林科技大學動物科技學院，奶羊產業技術創新實驗室，陜西 楊凌 712100；2.楊凌農業云服務有限公司，陜西 楊凌 712100)

以物聯網、云計算、大數據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畜牧養殖向知識型、技術型、現代化的智慧畜牧養殖轉變，利用智能化技術優勢已成為驅動畜牧業快速發展的重要因素[1-9]。奶山羊是我國的特色優勢產業之一，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]，以及奶山羊養殖投資小，帶動農民增收量大面廣等優勢，成為脫貧致富和鄉村振興優勢特色產業。但長期以來，奶山羊產業存在著“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業優質高質量的快速發展。隨著傳感器、移動通信和物聯網技術的發展，通過傳感器獲得相關繁育參數，將之傳輸到云端，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?；?、標準化養殖場采用的信息化管理手段[9-14]。對獲取的大量監測數據如何科學有效地加以利用，進一步指導奶山羊生產，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奶性能，體型外貌和產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，且各組群內由于奶山羊的個體差異，致使高產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的應用在一定程度上彌補了這方面的技術不足。

1 規?；躺窖驁龅淖詣颖O測及聯動控制

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

2 奶山羊場監控系統的軟硬件整體設計

2.1 奶山羊場監控網絡設計

通過巡檢機器人監控系統、奶山羊羊臉識別系統、奶山羊體溫感知和行為感知系統進行監控，各個羊舍中的各類傳感器和攝像頭可廣泛采集各種數據，并將數據通過網關傳輸到羊場監控數據服務中心，以對獲取的大量奶山羊養殖數據進行分析、處理及顯示。所建設的奶山羊場智能監控系統可實現奶山羊養殖的全過程監控、科學管理和即時服務，進而實現奶山羊產業集約、高產、高效、優質、生態和安全的目標。具體的系統功能包括視頻監控功能、環境遠程監測功能、環境調節設備遠程控制功能、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，從而實現對現場大范圍的觀察和近距離的特寫；環境遠程監測設備，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；報警功能可實現用戶可根據需求在智能平臺上設置閾值，當采集到的數據超過閾值的時候，系統可以進行自動報警。

2.2 規?；驁霰O控系統的Web服務設計

規?；驁鲋悄芑芾砥脚_系統包括登錄管理、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，信息總覽是本系統的核心模塊，它包括用戶管理、配置管理、監控管理、文章管理和智能管理。登錄管理模塊主要實現管理員登錄功能。成功登錄后，系統可發送短信及郵件提醒。公告中心模塊主要實現后臺編輯相關文章內容的展示；信息總覽模塊的主要功能包括監控管理、配置管理、用戶管理和智能管理；地理位置模塊主要實現養殖區域的百度地圖展示；監控管理包括圖像監控、視頻監控、羊生理信息監控、環境監控和設備監控，其中，圖像監控主要實現以圖片形式對羊舍羊群情況進行監控；視頻監控主要實現以視頻播放的形式對羊舍羊群進行監控；環境監控主要實現綜合性監控，包括設備控制及視頻、環境數據的監控；設備監控主要實現對設備進行監控管理，包括攝像頭、網關、節點、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控系統的一個重要模塊，它主要實現區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。權限管理主要實現對系統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；日志管理主要實現管理員有關寫操作的記錄。另外，用戶注冊模塊主要實現注冊新的管理員，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據庫表格設計

奶山羊場實時監控過程中，各種數據匯集到智能羊場監控系統信息平臺所在的數據服務中心，該中心使用Oracle、MySQL及MS SQL Server等數據庫來管理及存儲數據。該系統建立所涉及的主要數據表格包括用戶表(adminuser)、網關表(gateway)、傳感器表(sensor)、傳感器數據表(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系；在奶山羊精準繁育數據服務中心的主要數據庫內容包括：表型數據(體征狀況數據、健康狀況數據、聲音狀況數據)、行為數據(活動軌跡數據、采食狀況數據、產奶狀況數據、繁育狀況數據)、環境監測數據(環境溫度數據、環境濕度數據、安全環保數據)、基因組數據、轉錄組數據、蛋白組數據、代謝組數據、微生物組數據等。

2.4 監控系統的硬件實現

無線繼電器PC控制盒可實現網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接口同網關進行通信。通過標配的無線遙控模塊，可以發射無線信號來控制可視距離1 000 m范圍內的無線繼電器設備。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數據傳輸，具備物聯、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殖標準體系、飼草飼料、生長環境、體征監測等數據的分析應用，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、及時的數據，進行巡查監測和預警，通過物聯網環境監測及設施智能控制系統建設，對奶山羊生長環境進行監測預警，通過對羊舍通風照明等設備的智能控制，滿足奶山羊養殖正常的環境需求；通過動物體征監測系統建設，實時監測奶山羊生理體征、發情狀況及體征異常情況進行預警。

3 規?；躺窖驁鲋悄芑珳史庇δ艿膶崿F

規?；躺窖驁霰O控數據服務中心接收網關發來的傳感器及視頻數據，在對數據進行分析和處理后，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服務器轉發給安裝在奶山羊場羊舍中的網關。網關通過RS 232或者RS 485串口向繼電器設備發送控制命令來實現通電電路打開和關閉，進而控制設備的運行。

3.1 系統登錄界面

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

3.2 靜態數據管理

靜態數據管理界面，通過區域管理模塊可實現對用戶、養殖區、設備等靜態信息的基本管理，包括增加、刪除、修改和查詢等操作。

3.3 傳感器實時數據分析處理及動態顯示界面

通過實時數據處理模塊可對收集的各種傳感器數據進行處理，并通過報表的方式顯示實時環境監控信息以及網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，用戶通過查看羊場不同區域的數據分析后，如發現養殖區環境因素和個體生理、繁殖行為信息不在合適的范圍內時，可主動對遠端的相應設備進行控制，通過管理界面，實現溫濕度調節、光照調節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，可以及時發現發情母羊，并通過個體表型、系譜分析、基因組數據、蛋白組數據及代謝組數據等進行最佳的配對組合，為了避免對羊舍環境調節和繁殖配對的不精確性，以及人工監控的不足，可通過設置“智能模式”來實現對羊場環境和繁殖配對的智能化調節。通過設置傳感器的參數，并啟用該模式，服務器將會傳輸相關的配置參數到不同的網關，并將智能化控制參數存儲到網關的嵌入式數據庫中。網關根據嵌入式數據庫控制命令管理表格中的參數，對各自收集的數據做出分析處理，在無須人工干涉的情況下，就可實現對設備的智能控制，從而加速遺傳進度和繁育效果。

5 結論

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