傳感器技術在智能養豬中的應用研究＊

周 波 ， 周華茂 ， 楊衛平 ， 劉仁鑫 ， 張 凱

（1.江西農業大學工學院，江西 南昌 330045；2.江西增鑫科技股份有限公司，江西 新余 338000）

0 引言

目前，工廠規模化養豬分為機械化、信息化、智能化三個發展階段，我國工廠規模化生豬養殖正經歷由機械化向信息化轉型的關鍵階段[1]。隨著生豬養殖規模和數量的不斷擴大，傳統人工監測豬舍內部環境、豬只健康和行為的方式將耗費大量的時間和精力，且不能得到精確的監測結果，還會容易造成人畜疫病的交叉感染[2-3]。現代智能養豬可解決上述問題，它是物聯網、大數據、人工智能等新型信息技術在養豬行業上的整合，在信息采集、信息處理與分析決策等階段結合機器學習能力，使得各數據信息之間相互連接，形成高度協調的自動化處理系統，分析決策階段機器模擬人的大腦思維進行智能管理[1]。

傳感器技術作為信息采集與處理的有效輔助技術，是支撐未來智能養豬行業發展的關鍵基礎。隨著傳感器技術的發展和生豬養殖規模的擴大，在智能養豬領域，傳感器技術已經顯現出廣泛的應用前景。筆者介紹了傳感器技術在豬舍環境監控、體溫監測、豬只行為識別等方面的應用現狀，討論了傳感器技術在智能養豬應用過程中存在的問題，并提出相應的解決辦法。以期為傳感器技術在智慧養豬行業中的應用提供借鑒與參考，促進養豬業的智能化發展。

1 豬舍環境監控

隨著生豬養殖模式向集約化、精細化方向發展，豬舍的環境控制受到眾多學者的廣泛關注[4]。豬舍環境的好壞，對豬只疾病的傳染、豬只生長福利等有著重要的影響。早期豬舍環境的控制方法還停留在人工控制階段，豬舍內的溫度和濕度的調節需要人工頻繁地開啟通風和供暖設備，從而使豬舍環境達到要求[5]。但這種控制方法不僅增加成本，而且對豬舍環境的控制效果也會有很大的影響。近年來，隨著電子信息技術、傳感器技術與計算機技術的快速發展，智能化豬場已經利用傳感器技術對豬舍環境進行自動監控，進一步提高了豬舍環境監控的自動化水平[6]，使得豬只處于適宜的生長環境中，減少豬只疾病傳染，提高豬只福利。

豬舍環境監控已經逐步應用于大型養殖場建設中，豬舍環境信息監測基于傳感器技術，對豬舍環境數據進行采集，是豬舍環境精準調控的基礎和支撐[7]。影響豬舍環境的主要因素有溫度、濕度、PM2.5、硫化氫和氨氣等。李理等[5]提出將溫度和濕度傳感器應用于生豬養殖環境監測過程中。設計出基于無線傳感器豬舍環境監控系統，傳感器將豬舍的溫度與濕度數據進行實時采集并發送至服務器。后臺服務器對采集到的溫濕度信息進行處理，并根據處理結果發布指令調節豬舍內溫濕度，最終使得豬只處于適宜的生長環境。王斌等[8]使用溫度、濕度和氨氣傳感器監測豬舍環境，并基于上述環境參數，設計出一套豬舍環境監測和清潔控制系統。該系統不僅能監測多區域豬舍環境參數，還能自動調節豬舍溫濕度及清理糞便。

然而，傳感器技術用于監測豬舍環境時存在著不足，例如豬舍內的有害氣體對傳感器具有腐蝕性，需要對傳感器進行防腐處理，要考慮對測量精度的影響。不同安裝位置的傳感器對數據采集也有偏差，因此，需要在豬舍進行多點采集數據。當對豬舍環境提出更高要求時，需要利用不同類型的傳感器進行數據采集，它們采集的數據互不影響，但會導致工作量的增加，也割斷各個傳感器之間的信息聯系，這時需要采用融合算法對采集到的數據進行處理，準確地得到豬舍環境的參數。

2 豬只體溫監測

豬只養殖過程中，豬只的健康情況備受關注，其中體溫是判斷豬只健康狀況的重要指標之一，準確獲取體溫數據成為疾病診斷的關鍵性問題。由于疾病及環境等因素會導致豬只體溫出現異常，若沒有發現并及時治療，不僅會危害到豬只自身健康，同時也會影響同舍豬只的健康與生長。Hentzen等[9]設計出一款膠囊狀溫度傳感器，傳感器需要放入小豬體內，在豬欄附近安裝體溫采集器，當小豬路過信號接收區時，可以監測到小豬的體溫，但是該方法需要對小豬手術，且費用成本高。王龍等[10]采用了數字溫度傳感器對豬只的不同部位溫度進行測量，并將采集到的溫度信息傳輸至后臺服務器進行存儲與分析，可以對各個豬只的體溫進行查看。采用接觸式傳感器對豬只進行體溫測量容易引起豬只啃咬等應激反應，會對豬只生長和傳感器壽命產生一定的影響。柏廣宇等[11]采用非接觸紅外傳感器對豬只體溫進行實時監測，將紅外溫度傳感器放置在限位欄兩端，數據采集完成后，利用網絡發送至服務器，后臺服務器對采集到的體溫數據進行分析與判斷，進而獲取豬只的健康狀況。盛顯超[12]結合耳標溫度監測與直腸溫度監測，設計出能更精準獲取豬只體溫的報警系統。該系統不僅可對體溫異常的豬只進行自動報警，還可實時監測豬只體溫，將豬只體溫信息上傳云平臺，飼養人員也可以利用手機對豬只體溫進行遠程監測。

傳感器技術在監測豬只體溫時也存在局限性，當貼耳式體溫傳感器裝在生豬身上時，容易引起豬只應激反應，影響豬只生長，且會對傳感器的使用壽命造成影響。使用紅外傳感器進行體溫測量時，傳感器安裝在固定位置，由于豬只在不斷移動，且姿勢可能發生變化，測量的部位不同均會導致測量的體溫出現誤差，這時需多位置布置傳感器進行體溫數據采集。傳感器技術在生豬養殖中的應用存在時間延遲，時效性不強，從傳感器測得生豬體溫數據到后臺服務器接收到數據需要一個時間節點，無法實時查看各豬只的體溫信息，需要對無線網絡傳輸技術進行改進。另外，現代生豬養殖飼養規模大，利用傳感器技術對生豬進行體溫監測需要大量傳感器，成本增加，管理難度大，難以大規模應用。未來利用傳感器技術對豬只進行體溫監測應具備成本低、結構簡單、便于大規模應用等特點。

3 豬只行為識別

豬只行為是反映豬只健康狀況的重要表現之一。高效準確地監測、分析出豬只行為能夠了解豬只健康和福利情況。及時發現異常豬只，對疾病預防、降低養豬場損失與提高豬只福利有著重要意義。Traulsen等[13]使用耳貼式加速度傳感器對母豬的加速度進行采集，設計出基于加速度傳感器的數據采集系統。該系統在100米范圍內可以實時上傳豬只加速度數據至后臺服務器，服務器對該數據進行處理，并根據處理結果判別母豬處于進食、平走、翻滾、平臥或側臥等狀態，進而實現豬只行為識別。該系統不僅能夠對母豬的日常行為進行分析與識別，還可對母豬的發情與產仔等行為進行監測，具有重要的實際應用價值。李頎等[14]針對目前單一類型傳感器對生豬行為識別率不高的問題，提出一種多類型傳感器的豬只行為識別系統。通過豬舍的聲音傳感器與豬只佩戴加速度傳感器，利用支持向量機算法對采集到的聲音與運動特征進行處理，進而辨別出豬只行為。然后利用無線網絡將識別結果送入數據庫中進行存儲，同時將豬只實時的行為狀態顯示在前端界面上。該系統將聲音與運動特征兩種信息結合起來，能夠更精確地辨識出豬只進食、飲水和咳嗽等行為，利用采集到的數據，分析并獲取豬只的日常行為習慣，幫助養殖企業掌握豬只日常行為規律，合理地分配資源，提高豬場管理效率。

傳感器技術在識別豬只行為時同樣存在一些問題。加速度傳感器需要固定在豬只脖子或腿上，豬只的不斷移動和豬群體之間相互摩擦容易導致傳感器磨損，影響數據的精確性。且豬只生長周期一般為4個月，需要不停更換適配傳感器，頻繁地人工介入會讓生豬產生應激反應，影響豬只生長。傳感器技術可以完成對豬只行為識別，但無法對豬只的行為習慣全面分析，今后可采用大數據分析方法，建立豬只日常行為模型[15]，掌握豬只不同時刻、不同季節的行為習慣，從而根據豬只不同特性，合理地分配資源，降低企業成本。另外，不同學者研究豬只行為分類沒有統一的標準。豬只行為特征的定義，對復合動作的處理，保證度量值的標準，都是目前急需解決的問題。

4 其他

隨著現代養豬場規模越來越大，傳感器技術在智能養豬行業應用越來越廣泛。胡振楠等[16-17]基于傳感器技術設計出豬舍刮糞板運行監測系統，在人工監測不到的情況下運用加速度傳感器獲取刮糞板工作時的俯仰角，并將其與正常運行狀態時的俯仰角進行對比，可以精準識別出運行故障并及時反饋給工作人員，提高刮糞板的運行效率和使用壽命。

同時利用傳感器技術可以無接觸地對豬只體重進行測量，減少豬只應激反應，工作人員也可以及時了解豬只的生長情況。除此之外，傳感器技術能夠對豬只每天飲水量和飲水時長進行監測，準確監測飲水數據可以為豬只早期疾病診斷提供依據，有效降低疾病傳播風險。

5 結語

傳感器技術在智能養豬中的應用大多數還處于探索階段。目前在實際應用中，相關傳感器設備存在價格偏高、性價比低、大規模部署困難等問題。此外，豬場內蚊蟲多、濕度大、粉塵多等其他不利環境因素都會影響傳感器性能的正常發揮，長期暴露在不利環境中，大大影響其使用壽命，頻繁更換傳感器設備導致護理維修成本提高，增加養殖企業生產成本。但可以預見，隨著傳感器技術不斷發展與生豬養殖產業的深度融合，傳感器技術將為智慧養豬行業帶來一場巨大的變革。