物聯網技術在家禽養殖業的應用研究進展

邢偉杰 潘亞東 金波 李尚民 范建華 蔣一秀 趙華軒 竇新紅

摘要?物聯網技術作為信息產業第三次浪潮的代表，近年來發展速度迅猛，在農業生產領域得到了廣泛應用。綜述了我國畜禽編碼標準與標識的發展現狀，以及物聯網技術在家禽養殖業中的應用現狀和研究進展，分析了目前所面臨的主要問題，為我國家禽養殖業的智能化發展提供參考依據。

關鍵詞?物聯網;家禽;應用

中圖分類號?S126??文獻標識碼?A??文章編號?0517-6611（2020）17-0015-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.17.005

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research Progress on the Application of IOT in Poultry Industry

XING Weijie，PAN Yadong， JIN Bo et al

（Key Laboratory of Poultry Genetics and Breeding in Jiangsu Province， Jiangsu Institute of Poultry Sciences， Yangzhou， Jiangsu 225125）

Abstract?As a representative of the third wave in information industry， Internet of things （IOT） technology has developed rapidly in recent years and has been widely applied in agriculture. The paper reviewed the development of livestock and poultry coding standards and labeling in China and the application and research progress of IOT in poultry industry. The main problems faced currently were also analyzed in this paper. It provides reference for the intelligent development of poultry industry in China.

Key words?Internet of things;Poultry;Application

家禽養殖在我國具有悠久的歷史，是我國的基礎性產業，自改革開放以來取得了飛速發展，家禽飼養量和禽蛋產量已連續多年保持世界第一，禽肉產量位居世界第二，有效保障了我國居民的飲食消費。然而，現代家禽養殖業的發展正在發生戰略性轉變，正由數量型逐漸向質量型轉變，可持續發展和智慧養殖將是未來主要的發展方向。與此同時，伴隨著信息技術的高速發展，以物聯網技術等為代表的信息產業第三次浪潮正在蓬勃發展[1]，其在傳統行業的轉型升級中必將起到重要的推動作用。物聯網作為互聯網的延伸，是連接物品的網絡，其利用通信技術把傳感器、控制器、物品、機器和人員等通過新的方式連接在一起，形成物與物、人與物相連的智能化網絡[2]。相對于互聯網，物聯網提供更有深度、更加人性化且更為廣泛的內容和服務[3]。因此，引入物聯網技術將有助于推動家禽養殖業持續健康發展。筆者闡述了我國畜禽編碼標準與標識技術的制定現狀，概述了物聯網技術在家禽養殖業中的應用及研究進展，同時分析在發展過程中可能遇到的問題，旨在為我國家禽養殖業的信息化發展提供參考。

1?家禽編碼標準與標識

個體編碼與標識是家禽養殖業發展物聯網技術的重要基礎，不僅能夠解決家禽的育種、繁殖、精細飼喂與管理等問題，也能夠實現生產的全程跟蹤與溯源[4]。因此，制定家禽編碼與標識標準是家禽養殖業發展物聯網技術的前提。2006年，我國開始實施“動物標識及疫病可追溯體系建設”試點[5]，農業部頒布了《畜禽標識和養殖檔案管理辦法》[6]，對畜禽編碼與標識進行詳細規定，要求畜禽標識編碼由畜禽種類代碼、縣級行政區域代碼、標識順序號共15位數字及專用條碼組成，豬、牛、羊的畜禽種類代碼分別為1、2、3，但對家禽沒有規定種類代碼，標識產品有電子耳標、植入式電子芯片、電子腳環等。

目前，我國部分企業自主研發出RFID芯片與標簽，大幅度降低了生產成本，在畜禽生產中得到了廣泛應用，部分省份還制定了相應的技術規范[7]。家禽養殖業主要采用電子腳環，適用于標識禽類、家禽溯源、種禽繁育、飼養及疫病防控等信息化管理。其中最有代表性的公司有深圳市遠望谷信息技術股份有限公司、深圳市英米加電子標簽有限公司、上海生物電子標識公司、無錫富華科技責任有限公司等。RFID技術的快速發展，使得家禽養殖的各項生命體征和生產數據通過物聯網進行采集，有效指導家禽的育種和日常生產管理。

2?物聯網技術在現代家禽養殖業中的應用

2.1?在舍內環境調控中的應用

目前，家禽養殖業正朝著規模化、集約化方向發展，而精細化管理正是提高其經濟效益的重要手段，同時又能保障家禽產品質量安全[8]。家禽養殖內環境監控系統，通常包括氣體傳感器、溫濕度傳感器、光照度傳感器、稱重傳感器、攝像頭、網絡節點（傳感器網關）、中間服務器、系統監控軟件和遠程監控客戶端等（圖1）。以單棟禽舍作為獨立的監控區域，通過局域網和互聯網，實現對舍內環境狀況進行實時監測并對相關設備實現遠程智能控制。監控舍內環境，實施精細化管理越來越受到企業的重視，針對家禽的不同生長階段，在舍內安裝傳感器進行數據采集與傳輸，再通過電腦進行數據分析，實時反饋給環境控制系統并進行調節，最終提供最適宜的溫濕度、空氣質量、光照及水質等。李年攸等[9]開發了基于Arduino的家禽養殖場監控系統，使用Arduino mega 2560單片機、DHT11溫濕度傳感器、光照傳感器、蜂鳴器、繼電器、電機、WiFi通信模塊及顯示屏等電子元器件，可實現養殖場環境（溫度、濕度、光照）的自動監控;高瑞等[10]設計開發了基于ARM和WSN技術的環境信息監測系統。該系統通過采集禽舍溫度、濕度、NH3濃度等環境數據，利用無線傳感網絡技術將數據傳輸到數據監控平臺，用于后續管理、查看與分析;周鵬等[11]設計了智能畜禽養殖監控系統，采用ZigBee和以太網相結合的通信方式，在舍內部署各類環境監測傳感器，傳感器節點構成監控網絡，實現畜禽舍環境的實時監測和控制;朱鳳舞等[12]融合ZigBee和GPRS技術，設計開發了雞舍有害氣體監控系統，利用短距離無線傳感網絡監測雞舍的環境參數，然后通過遠距離GPRS無線傳輸網絡將數據傳送至上位機端口，利用上位機對節點繼電器發出反饋控制命令，實現雞舍內環境的預期調控。

2.2?在生產管理中的應用

在現代化養殖中，對家禽生產的日常信息進行精準監控至關重要，不但可有效評估家禽生產水平，還可反映家禽飼養過程的規范程度，為生產管理提供技術指導[13]。目前，家禽生產數據的記錄主要依靠人工，費時、費力、易錯，效率極其低下。隨著現代化發展的迫切需要與物聯網技術的飛速發展，相關企業和高校逐步建立起完善、規范、精準、實時的家禽數字信息化管理平臺，提升了生產和管理效率，節約了綜合成本[14]。陳羊陽等[15]設計了基于物聯網技術的家禽生產過程管理系統，該系統采用瀏覽器/服務器模式（B/S），記錄家禽的生產過程信息及智能傳感器傳輸的實時環境參數、棲架稱重、水電、音視頻等數據，對海量、多類型的數據進行有效提取，實現數據的有效直觀表達，構建面向企業用戶生產需求的環境數據、生產資料消耗數據、盈虧曲線統計分析報表，為企業優化生產過程提供基礎數據。該管理系統還可以通過手機、計算機等進行登錄、瀏覽、操作、控制，實現養殖過程遠程化管理，充分發揮物聯網技術在家禽養殖業中的作用。于群等[16]基于物聯網3級架構，采用C/S開發模式設計了種雞生產管理系統，實現種雞雞群引入、日常管理、孵化免疫等生產管理功能，并進行環境監測和溯源跟蹤，實現各個生產階段的指標直觀量化，為種雞養殖和品種改良提供數據參考。合肥萬合公司[17]發明了基于物聯網的蛋雞養殖系統，包括雞籠、喂食盤、喂水盤、集蛋盤、集糞盤、路由器和數據統計服務器等，利用重量傳感器、水量傳感器、壓力傳感器通過WiFi信號傳輸數據，自動監測蛋雞個體和群體在自然狀態下的采食量、飲水量、排泄量、產蛋時間、蛋重和產蛋個數的生產數據，為科學養殖提供參考。

2.3?在質量安全監管中的應用

近年來，畜產品質量安全事件時有發生，食品安全問題正受到全社會的廣泛關注，如何把控好畜產品質量安全已成為熱點[18]。動物標識及可追溯系統能對畜產品生產、加工、銷售等不同環節進行有效追蹤和溯源，并及時解決出現的問題。陳長喜等[19]研發了基于物聯網的肉雞養殖環境監控預警系統，并將其集成于肉雞可追溯與監管平臺，該平臺采用B/S與C/S架構相結合方式開發，可實現肉雞飼料、用藥、疫苗、屠宰加工、儲運、銷售等全程可追溯與監管，政府管理部門同時能進行出欄檢疫、產品檢疫、各項抽檢與統計查詢，實現肉雞疫情預警與質量安全預警;許曉華等[20]以Microsoft C#作為開發語言，SQL Server作為數據庫管理系統，RFID標簽作為信息傳遞載體，采用NET3層架構設計，研發了肉雞全程質量可追溯平臺，可實現肉雞從雛雞、肉仔雞養殖生產、屠宰、加工、銷售到消費者追溯評價的全程可追溯;詹小琳等[21]以Android手機為系統平臺，構建了基于智能手機的用QR碼進行雞蛋溯源的系統，可以讓消費者方便快捷地查詢雞蛋產地、飼養環境以及飼料等信息;申艷光等[22]采用Java EE（enterprise edition）技術架構，以Spring Side3為開發框架，結合My SQL數據庫管理系統和Tomcat服務器，設計了肉雞產品質量控制與追溯系統，可實現肉雞從生產、屠宰、儲運和銷售環節的質量控制與追溯，在生產管理的各個環節保證肉雞產品的質量安全。

2.4?在疫病監測中的應用

疫病是影響家禽生產的重要因素。物聯網技術可為家禽疫病監測與診斷提供技術支撐，通過佩戴具有感知生命信息的傳感器，配合室內攝像頭對家禽個體進行實時監測，及時了解個體生理狀態，傳感器將家禽個體的生理數據（如體重、體溫、步數等）通過網絡傳輸到數據庫，并與數據庫中的最新數據相比對，可做到對疫病的實時監控。欒宏梁[23]采用B/S結構模式進行設計，應用Visual Basic.NET、Asp.NET開發語言與SQL Server 2005數據庫等進行構建，開發了禽病輔助診斷與管理信息系統，利用后臺數據庫配備的家禽疾病知識數據庫進行診斷，依據用戶對懷疑疾病的描述或對實際癥狀的描述，自動生成疾病診斷結果，并提供合理的治療方案。該系統能夠滿足雞病臨床診斷和雞場管理的需求，為用戶提供參考;河南科技學院[24]研發了基于物聯網的畜禽疾病防控系統，包括溫濕度傳感器、脈搏傳感器、數據中轉站、智能控制終端和監測裝置等，實現對畜禽疾病診斷和生產的遠程實時監控。目前，物聯網技術應用于家禽疫病監測與診斷處于探索階段，其主要原因是缺乏專業靈敏的傳感器。

3?面臨的主要問題

雖然物聯網技術在家禽養殖業中已有不同程度的應用，但在實際發展過程中仍存在一些關鍵問題，限制了該技術的推廣應用。

3.1?個體編碼標準缺乏頂層設計

農業部發布的《畜禽標識及養殖檔案管理辦法》中的編碼未與國際標準接軌，且未規定家禽的種類代碼，因此需要盡快重新修訂。就地方標準（DB31/T 341—2005，DB65/T 3209—2011）而言，雖然考慮了與國際標準進行接軌，但與之配套的家禽編碼沒有統一標準，尤其是規模化養殖的家禽編碼規范還是空白，可以考慮將養殖場代碼與家禽品種及飼養批次結合起來進行編碼[3]。而在采集家禽生產過程數據標準上，目前尚無統一標準，導致數據的整合難度較大，無法充分利用數據資源進行研究。因此，亟需進行家禽編碼標準的頂層設計，實現家禽行業數據的有效整合與交換共享，節約行業資源。

3.2?系統建設成本過高

完整的物聯網系統，最主要的是各種核心傳感器，市場價格天壤之別，同時還需要配套各種輔助設施設備[14]，系統的建設成本較高。單個電子腳環價格看似不高，但家禽養殖量都較大，尤其肉雞出欄時間又短，如果給每只雞配戴電子腳環無疑是一筆大開銷，對養殖戶和企業而言，必然無法接受。物聯網技術雖然可以為家禽養殖業提質增效，但家禽養殖整體效益低，如果加裝物聯網系統，這部分成本勢必會轉嫁到消費者身上，使得養殖決策者不敢輕易嘗試。

3.3?技術和產品不夠成熟

當前，雖然相關單位研發了一些物聯網應用系統和平臺，但依然缺乏成熟的技術應用模式，與發達國家相比，存在著較大差距。國內自主研發的傳感器在可靠性、穩定性、精準度等性能指標上不能滿足當前應用需求，產品總體質量亟待提升。而在專業的感知生命信息的傳感器和識別標簽上，國產設備仍無法對數據進行有效采集，只能依賴國外進口，且價格較高。其次，基于家禽生產的知識模型及應用控制閾值研究遠遠不夠，缺乏像PIGWIN或阿菲牧這樣的將軟、硬件高度融合的專業物聯網解決方案[25]。

3.4?養殖人員的專業知識不足

家禽養殖主要以農戶散養為主，多數學歷不高，除基本的養殖知識以外，物聯網方面的專業知識儲備更是嚴重不足。物聯網技術是綜合性的技術，涉及傳感器技術、通訊技術、計算機網絡技術、軟件技術等技術，且對維護人員的要求也很高。因此，只有少數大企業才擁有這種復合型人才來滿足物聯網技術應用的需要，而很多散戶和中小企業不僅要承擔物聯網設備成本，還要承擔因無人會操作而閑置的風險。

3.5?缺乏政府相關政策支持

近年來，盡管政府層面不斷加強對家禽行業智能化設備和信息技術的重視程度，認為“信息化是現代農業的制高點”[26]。但政府的相關政策往往關注的是品種改良、生物安全和糞污資源利用化等方面，較少涉及家禽物聯網技術。因此，亟需要政府設立物聯網技術研發及應用專項政策補貼，全面提升養殖戶和企業對于物聯網技術改造升級的積極性。

3.6?缺乏全國性大數據平臺

雖然目前一些企事業單位建立有企業級或者跨企業的物聯網數據平臺，如溫氏集團內部的數據集成平臺、“中國飼料網絡數據庫”“中國家養動物遺傳資源網絡數據庫”等[25]，但這些還不是真正的大數據平臺。因此，依托5G通訊技術，建立全國性大數據平臺，將家禽養殖的各項數據實時上傳平臺并進行綜合分析，實現全國大數據共享，同時兼具海量、高速、可變的特點，為國家和企業制定相關決策提供依據。

4?展望

規模化、標準化和智能化是我國家禽養殖業的發展趨勢。隨著通訊技術的不斷發展，特別是最新的5G技術，物聯網技術必定向著低成本、自適應、高可靠和微功耗方向發展[13]，建設物聯網系統和開發現代智能裝備，實現整個養殖過程乃至于產品流通過程的全覆蓋[27]，從而為家禽養殖業保駕護航，實現家禽產業的可持續健康發展。

48卷17期??邢偉杰等?物聯網技術在家禽養殖業的應用研究進展

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