如何挑戰智慧樓房養豬模式

高勤學 ，張 偉

（1.江蘇農牧科技職業學院，江蘇 泰州 225300；2.華為技術有限公司，廣東 深圳 518116）

1 前言

2019—2022 年超級豬周期催生了許多新生事物，防控非洲豬瘟技術、生物安全、智慧養豬、樓房養豬都是這輪豬周期的標志性變革事件。樓房養豬不是新鮮事物，從20世紀70年代黑龍江肇東四方糧庫4層樓房養豬到2021年投產的牧原為代表的21棟6層樓房，樓房養豬已經進行了至少4次技術迭代。據不完全統計，全國樓房養豬在建和已經投產的項目達200個之多，總投資近1 000 億元，產能約1億頭。樓房養豬爭議仍然很大，造價太高，環保處理難度大，缺乏成熟的模式，實際投產的案例較少等，需要時間的檢驗是樓房養豬面臨的主要問題。

隨著新周期的到來，樓房養豬逐漸降溫，新上項目大面積減少，樓房養豬大規模建設階段已經接近尾聲，樓房養豬進入運營模式探索階段。經過2年的籌備，湖北中新開維26層樓房豬場（中新開維綠色食品產業園）于2022年7月22日舉行了開工儀式，標志全球最大的樓房豬場項目進入了運營探索階段。

很多公司都在挑戰樓房養豬技術，希望取得先發優勢。樓房養豬的顯著特點是占地面積減少、人員投入減少、投資增加、自動化和智能化設備增加。利用現代的ICT（信息與通信技術）技術尋求管理模式的突破，打造智慧樓房養豬模式是挑戰樓房養豬技術的主要路徑。由于生產線人員大量減少，樓房豬舍必須安裝大量的自動化設備，樓房養豬的管理移到線上，對通信產生了巨大需求，以5G為代表的WIFI6技術的發展為樓房養豬提供了巨大支持。樓房養豬不可能取代傳統單層豬舍，但樓房養豬對于實現“城郊豬場”的工廠化生產的場景，對實現產業園就地生產豬肉的保障供應模式，提高城市豬肉自給能力和應急供應能力，適應國家對于豬肉從“調豬”向“調肉”模式轉變具有重要的探索意義。

2 智慧樓房養豬模式主要技術迭代方案

盡管每個公司的樓房設計差異很大，但是其差異主要體現在層數和功能布局上不同，同層同類豬舍內部差異是不大的。主流設計基本上為每層飼養母豬1 000～1 200頭左右，每個單元飼養母豬240～260頭；每層飼養保育豬10 000頭，每個單元飼養保育豬540～600頭；每層飼養育肥豬5 000頭，每個單元飼養育肥豬 540～600頭。智慧樓房養豬模式主要體現在智慧環控、精準飼喂、機器人應用、智慧賣豬和智慧入場幾個主要場景。其中技術迭代較快的是精準飼喂、機器人兩個場景，具有規?；瘧玫膬r值。

2.1 精準飼喂場景技術迭代

智能精準飼喂是樓房養豬大規模應用的主要智能場景之一。智能精準飼喂器可以根據豬的不同生理階段生長所需的采食量不同，構建智能化養殖平臺。整套系統包含了云管理平臺（豬場管理APP）、無線網關、網絡設備、智能飼喂器（觸碰桿、余料檢測器、電磁水閥等相關配件）等4部分組成。產品類型根據功能分為：產房型、妊娠母豬型、保育型和育肥型，基本實現了養殖過程的全覆蓋；根據驅動電機類型可以分為：關風器型、蛟龍型和步進電機型。目前國內生產精準飼喂器的廠家有數十家，表1列舉了市場上主流智能飼喂器的組成和差異。

表1 主要精準飼喂器系統組成對比表

智能精準飼喂器可以模擬人工喂料，實現定時定量喂料，大大節省人工成本，飼養員可以把主要精力放在異常豬只的觀察處理上，避免重復勞動。智能精準飼喂器能根據預先制定的基礎飼喂策略（飼喂量曲線），實現每頭豬精準投喂；還能根據豬只個體差異，根據生長情況實現單獨加餐功能或減少飼喂量功能，從而避免傳統料線統一下料帶來的飼料浪費。

智能精準飼喂器出現的時間比較短，大部分基于種豬測定站和國外同型產品（如GESTAL）改進而來。早期的精準飼喂器沒有網絡通信功能，適用于家庭農場。樓房養豬發展起來以后，由于裝機量比較大，對每臺設備設置和更改參數工作量比較大，匯總信息困難，因此網絡模塊成為必須的功能。20世紀90年代，以加拿大”佳飼達”母豬產房精準飼喂器為代表的精準飼喂器開始進入市場，經過近30年的發展和完善，現在的精準飼喂器在功能要求、機械要求、產品穩定性、電控要求和平臺通信要求等5個方面都進行了技術迭代。

精準飼喂器的功能比較強大，主要包括上報功能和下發功能。其中上報功能主要包括：飼喂器運行時間（設備編號/在線/離線/斷電/重啟/電機故障），下料數據（下料次數/時間/每日下料量/缺料），下水數據（下水次數/時間/每日下水量/缺水），探針數據（觸碰次數/時間），豬只數據（一鍵盤點/日齡）；下發主要功能包括：飼喂曲線（豬號、欄號、胎次、帶仔數、每日采食量、下料時間和下料次數等），飼料容重、每餐百分比，三餐飼喂時間，飼喂模式（自動/觸發）；可以通過網絡、手機APP和精準飼喂器操作面板設定喂料方案，水料比，分餐次數和百分比等功能。精準飼喂器原則上要通過國家3C認證，通過低溫、高溫、恒定濕熱試驗。有的公司通過的是醫療器械生產許可證，有的通過的農業機械生產許可證。精準飼喂整機壽命不低于10年，防水等級為IP67。同一批次飼料單次下料精度誤差±1%以內，單次下水誤差±5%以內。電機使用直流有刷電機，也有使用交流無刷電機，但是造價會高昂很多。外殼一般采用ABS工程塑料，觸碰桿、下水管使用食品級304不銹鋼。精準飼喂器電源一般采用直流24 V，也有部分廠家采用220 V電壓，但是要做好隔離，實際使用中容易造成漏電。通信方式一般采用485有線串聯通信方式，同時支持LORA、藍牙、433、WIFI， Zigbee等無線組網方式。網關至少支持百兆以太網，建議使用4G網絡作為通訊異常的備份方案。網關要支持MQTTS協議，能接入相關行業物聯網管理平臺（如華為IoTDA）,基于物聯網平臺實現產品管理、設備連接、數據收發、命令下發、數據轉發和遠程升級等功能。

根據智能程度，精準飼喂器分為3種：定時定量、定時不定量和不定時定量。定時定量是指一次進餐的飼喂量在指定的時間完成，一次性將本餐設計的料量下完；定時不定量是到一次進餐開始時間后豬觸碰桿多次下料，但是本餐料量吃完后，豬只再觸碰觸碰桿也不下料；不定時定量是指完全自由采食，根據豬只觸碰觸碰桿的行為由電腦決定是否下料，下多少料。

2.2 機器人場景技術迭代

機器人在樓房養豬中具有應用價值的是兩個場景：巡舍和清糞，其中應用最多的是巡舍，清糞機器人尚未看到規模使用的報道。巡舍機器人又分為視覺軌道機器人和陸地巡航機器人，現在比較成熟的是視覺軌道機器人，牧原自研的保育舍和育肥舍軌道機器人已經規?；褂?，其他公司研發的機器人也在向社會推廣，如北京小龍潛行科技有限公司守望者軌道機器人、南京天創電子技術有限公司全向微型機器人以及合肥拉塞特機器人科技有限公司巡檢機器人。

視覺軌道巡檢機器人系統（解決方案）主要由機器人、供電單元、通訊單元、軌道單元及附屬設備單元組成。整個系統以機器人為核心，結合智能附屬設備，可以兼容現場的各類傳感器以及監控攝像頭，通過智能組網的形式接入到同一機器人運維平臺，形成完整的場景解決方案。機器人可以搭載的設備有：高清攝像機、環境監測傳感器、四合一氣體檢測儀和高精度面陣避障雷達等，能夠精準收集豬舍的各類信息。后臺系統包括巡檢任務管理模塊、存儲模塊、圖像處理模塊、圖像顯示模塊、查詢模塊和報警模塊。

巡檢機器人物理指標主要有，重量約18～25 kg左右，尺寸約600 mm×300 mm×400 mm（長×寬×高），電池容量為24 V，15 Ah；行走速度1～20 m/min可調，續航里程大于5 km；通訊方式為無線WIFI、 4G或5G；轉彎半徑0.6 m，可自主充電，防護等級IP65。最大功率600 W，待機功率20 W，待機時間大于12 h，可自動返回充電倉充電。超聲波防碰撞，雙層阻燃，電池雙防護（見圖1）。

圖1 巡舍機器人主要部件

巡檢機器人的主要功能分為以下幾大類：一是機器視覺分析類；二是環境傳感器感知類；三是熱成像類。機器視覺類主要分為豬只盤點，豬只估重，豬只行為分析等應用場景，目前除了育肥舍豬只盤點應用價值比較大一點外，在其他幾個場景的應用都不是很成熟。如估重誤差太大，沒有應用價值，行為分析算法開發困難且對生產指導用處不大等等。環境感知類，可以感知溫度、濕度、煙霧和氨氣等有害氣體，但是從實用角度來說，一般安裝2～3個傳感器就夠了。熱成像可以用來進行豬只測溫，但是也存在誤差過大，采集信息有限，應用價值不大的問題。目前規模應用的巡檢機器人，考慮到造價和場景等因素，主要有2種，一種是完全版搭載4種設備：1個半球攝像頭+溫濕度傳感器+拾音器+紅外熱成像儀+3D攝像頭，用于母豬；另外一種簡化版搭載3種設備：1個半球攝像頭+溫濕度傳感器+3D攝像頭+拾音器，用于保育和育肥。

3 物聯網管理系統構建

隨著智慧養豬的推進，出現了大量的物聯網設備，豬場里常見的物聯網設備有環控器、水電表、飼喂器、機器人，視頻安防設備、豬只身份識別和可穿戴設備、溫濕度傳感器等感知設備等。這些設備使用的協議差異很大，對網速、帶寬和時延的要求也不盡相同。使用的APP也是獨立的，管理員手機上安裝了各種APP，相互切換十分不方便，構建統一的基于物聯網設備管理平臺的物聯網管理系統成為挑戰樓房養豬技術的一個突破點。

3.1 系統組成

構建一個完整的基于物聯網平臺的物聯網解決方案主要包括3部分：物聯網平臺、業務應用和設備（如圖2）。物聯網平臺作為連接業務應用和設備的中間層，屏蔽了各種復雜的設備接口，實現設備的快速接入；同時提供強大的開放能力，支撐行業用戶快速構建各種物聯網業務應用。設備可以通過固網、2/3/4/5G、NB-IoT、WIFI等多種網絡接入物聯網平臺，平臺支持LWM2M/CoAP與MQTT協議，設備可通過上述協議將業務數據上報到平臺，平臺也可以將控制命令下發給設備。業務應用通過調用物聯網平臺提供的API，實現設備管理、數據上報、命令下發等業務場景。

圖2 基于物聯網管理平臺的物聯網管理系統（引自華為物聯網終端設備及信息系統接入規范）

物聯網平臺采用混合架構，整體分為IOT管理平臺和IOT接入平臺兩部分。IOT管理平臺采用B/S架構，IOT接入平臺按照功能劃分為數據采集、數據處理、數據上報和運維管理四部分。IOT物聯網平臺提供兩大核心能力：

（1）IOT設備管理服務。主要負責設備管理，鑒權認證，故障診斷，聯動規則，告警過濾和分析?？蓪F場中采集到的智能設備或傳感器的數據、狀態和經過分析和過濾過的告警上報給業務平臺的各個應用。

（2）IOT設備接入服務。支持多網絡、多協議設備接入，提供多語言SDK支持，屏蔽物聯網設備碎片化，實現設備快速接入。

通過標準化的北向接口和南向接口可以快速實現各種設備、網絡、APP的互聯互通，提高管理的效能。北向接口（Northbound Interface）是為廠家或運營商進行接入和管理網絡的接口，即向上提供的接口。南向接口指為養豬各種場景APP提供的接口。南向接口（Southbound Interface）是管理其他廠家網管或設備的接口，即向下提供的接口。北向接口在這里指物聯網管理平臺提供的接口，南向接口指養豬設備制造商必須遵守的協議。

3.2 設備通信能力

平臺支持直連平臺、網關接入平臺以及邊緣接入平臺3種接入方式（圖3），此外，如果設備支持MQTT協議，可快速、穩定地接入平臺。直連平臺，則要求設備自身需具備泛網絡接入能力。常見泛網絡接入方式有固定網絡、運營商 網 絡（2G/3G/4G/5G/NB-IoT）、WLAN等，用戶可根據實際物聯網應用場景選擇設備并約束具體接入方式。精準飼喂器適合平臺直連方式接入物聯網管理平臺。在實際應用場景，基于功耗、成本的考慮，如某些溫濕度傳感器、煙霧報警器等超低功耗、低帶寬要求的設備，不需要也不具備功耗相對較高泛網絡接入能力，而采用串口（RS485標準等）、藍牙、Zigbee等進場通信協議接入。此場景需要經終端的網關做數據轉換對接到物聯網平臺。邊緣網關較普通網關，更適用于外部網絡不穩定、時延要求高以及復雜物聯網接入協議的場景，比如視頻安防設備比較適合此類邊緣接入方式。

圖3 物聯網設備接入方式（引自華為物聯網終端設備及信息系統接入規范）

3.3 設備物模型

設備物模型用于描述設備具備的能力和特性。為統一各設備廠家的設備模型，方便應用與設備解耦，要求設備都使用物模型的方式接入。設備物模型在物聯網平臺構建一款設備的抽象模型，使平臺理解該款設備支持的服務、屬性、命令等信息，如顏色、開關等。當定義完一款設備物模型后，在進行注冊設備時，就可以使用該模型。描述一款設備的基本信息，包括廠商ID、廠商名稱、設備類型、協議類型。例如：水表的廠商名稱為“HZYB”，廠商 ID 為“TestUtf8ManuId”，設備類型為“WaterMeter”，協議類型為“CoAP”。

4 結語

樓房養豬已經逐漸降溫，在建或者已經建成的樓房如何有效的投入生產，高效運營，探索樓房養豬的運營方案成為樓房養豬未來的主要課題。智能化管理模式是解決樓房養豬管理困境、挑戰樓房養豬模式的一個重要手段，本文著重從技術迭代較快的精準飼喂和機器人等關鍵場景介紹了最新的解決方案，同時介紹了消除信息孤島和協議差異，統一管理智慧養豬設備的物聯網平臺的基礎架構，以期為從業者提供決策參考。