基于物聯網技術的孕羊養舍監測和控制系統研究

邵毅

摘要：在農業信息化大背景下，文章思考以物聯網Iot、傳感器、攝像監控、自動化技術，對山羊養舍進行信息化、智能化升級和改造，提出了一種山羊養舍的環境監測和自動化控制系統的設計方案，并進行了初步實踐。通過UML建模語言，使用VISIO2013工具設計系統UML用例圖、部署圖；使用CAD設計羊舍、構件的結構、布局、剖切圖。實踐中，視頻監控選用先進AI訓練攝像監控及其系統；選用NH3傳感器、溫濕度傳感器及其云平臺軟件采集和分析數據。最終實現了羊舍智能化管理，對山羊懷孕檢測和看護起到了較好的效果。本研究期望使用物聯網技術助力山羊智慧養殖和高繁研究，為智慧農業貢獻力量。

關鍵詞：物聯網；傳感器；山羊；智能養舍；懷孕檢測；看護

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）35-0102-04

研究背景

如今在鄉村振興工作中，提出了數字農業建設，其中對于山羊養殖來說，就要通過信息化如物聯網IOT、傳感器、自動化等技術提高山羊養殖效率。目前，養殖中對山羊懷孕的判斷通常是依靠臨床知識和經驗來判斷，時間較長，飼養人員對母羊檢測工作量大，容易忽略對母羊的特殊照顧，導致懷孕的母羊容易受到傷害。因此，為解決此類問題，畢節市科技局2019立項了聯合基金項目：基于物聯網技術的山羊懷孕檢測系統研究（文件編號：畢科發〔2020〕2號；項目編號：畢科聯合字zy〔2019〕4號）。針對項目，本文旨在提出設計一種山羊養舍的環境監測和自動化控制系統的設計方案，部署一間山羊懷孕檢測和看護智能養舍。

1研究思路

研究的思路為：數字農業背景下找問題→通過物聯網IOT、傳感器、自動化技術分析問題→通過物聯網IOT、傳感器、自動化技術規劃設計解決方案→通過物聯網IOT、傳感器、自動化技術實踐探索→通過信息化設計和部署的情況進行思考歸納→形成專利。

2 研究意義和必要性

（1）我國智慧農業發展處于初級階段，國外，信息化和農業正在快速整合。（2）國家、地方出臺大力支持發展數字農業、智慧農業政策和文件。（3）孕羊檢測和看護缺乏信息化、數字化手段。對山羊懷孕的判斷通常是靠臨床知識和經驗，時間較長，飼養員對母羊孕測工作量大，易忽略對母羊的特殊照顧，導致孕羊易受到傷害。

3提出問題

由上見信息技術（如：物聯網IOT、傳感器、自動化技術）應用到孕羊檢測和看護工作方面勢在必行。以孕羊的養舍為著眼點，利用物聯網、傳感器、攝像監控、自動化技術，對山羊養舍進行智能化升級和改造，從而對羊舍的環境監測和自動化控制的目的，最終實現利用物聯網技術實現山羊懷孕檢測和看護，助力山羊智慧養殖和高繁事業。這里提出設計一種山羊的養舍的環境監測和自動化控制系統的設計方案。

4分析問題

具體怎么設計，經過大量調查和實踐，孕羊的養舍是孕羊的重要活動場所，解決上述問題，這里提出設計一種基于物聯網IOT、傳感器、自動化技術的山羊懷孕檢測和看護智能養舍。以下根據業務需要分析，使用visio2013工具繪制羊舍信息系統的UML用例圖，主要涉及兩個重要角色[1]。

5 解決問題

根據以上分析情況，為解決問題，對基于物聯網IOT、傳感器、自動化技術的山羊懷孕檢測和看護智能養舍進行設計。具體內容如下：

5.1 架構設計

利用傳感器感知系統采集，到網絡傳輸、到云平臺使用、到門戶應用設計，到集成架構功能（報警推送、數據服務、平臺維護、報表統計），對系統架構進行了初步設計，具體見下圖2（左）系統架構[2]。

5.2 部署設計

使用visio2013，對系統進行部署繪制設計。上位機和下位機配合，通過傳感器采集溫度、氨氣、感應等指標，當達到臨界值觸發電磁閥開啟和關閉，從而實現自動開啟/關閉供暖系統、通風系統，羊舍自動開關門系統，從而實現自動控制管理。利用物聯網技術、云平臺，通過手機app等門戶應用平臺監測和管理數據，集成服務實現羊舍的智能管理，具體見下圖2（右）系統部署[3-4]。

5.3 網絡拓撲設計

通過物聯網通信感知技術，設計Wi-Fi網絡繼電器把溫濕度傳感器、氨氣傳感器、抽風機、暖風機、通風格柵等通過新的方式聯在一起。通過NB-I0T或4G網絡傳輸的方式，定時將采集的數據發送到云平臺最終完成數據采集的目的，除了聯動通風機等控制系統外，還可預警，用戶可對遠程設備控制，調節智能設備，改善養殖環境[5-6]。

5.4 整體設計摘要

包括羊舍本體，羊舍本體上開設有含感應傳感器的智能門禁感應開關柜門，且羊舍本體的設置有獨立圍倉，獨立圍倉的一側鉸接有保護欄桿，且獨立圍倉上端設置有監測結構，每個獨立圍倉相鄰之間設置有人行通道，羊舍本體一側外壁固定安裝有抽風機，抽風機的輸出端固定安裝有出風管道，出風管道的末端延伸至羊舍本體的內部，羊舍本體的另一側外壁上固定安裝有含氨氣傳感器和溫度傳感器的智能溫控通風格柵，實現自動感知開啟關閉格柵和啟動關閉抽風機。最終達到輔助山羊懷孕檢測、智能監測、輔助報警、智能化管理的作用，也可以起到保護懷孕母羊的作用，節約人力工時，提高工作效率[7]。

5.5 整體圖紙設計

通過使用CAD軟件，對羊舍結構繪制設計。下圖3為 CAD繪制羊舍系列結構圖，舍a是本設計的結構示意圖；舍b是本設計的羊舍本體的布局圖；舍c是本設計的剖切圖；舍d是本設計的監測結構的結構示意圖。結構圖中：1、羊舍本體；2、含感應傳感器的智能感應開關門禁柜門；3、抽風機；4、出風管道；5、暖風機；6、進風管道；7、智能溫控通風格柵；8、獨立圍倉；9、分段溫度傳感器檢測儀；10、人行通道；11、保護欄桿；12、無線傳輸模塊；13、總控模塊；14、暖風罩；15、暖風分管道；16、電磁閥；17、連接框架；18、攝像結構；19、HCG傳感器。

5.6 整體設計內容說明

設計一種山羊懷孕檢測和看護智能養舍，達到輔助山羊懷孕檢測、智能監測、輔助報警、智能化管理的作用，同時也可以起到保護懷孕母羊的作用，節約人力工時，提高工作效率[8-9]。

上述技術目的是通過以下技術方案得以實現的：包括羊舍本體，所述羊舍本體上開設有含感應傳感器的智能感應開關門禁柜門，且所述羊舍本體的內部呈均勻設置有獨立圍倉，每個所述獨立圍倉的一側鉸接有保護欄桿，且每個所述獨立圍倉上端設置有監測結構，每個所述獨立圍倉相鄰之間設置有人行通道[10]。

通過采用上述技術方案，該結構中設置有多個單獨設置的獨立圍倉，可以對懷孕的母羊進行單獨保護，防止羊群聚集的過程中出現爭斗的問題，導致母羊受傷的問題，從而起到了保護母羊的作用。

進一步設置為：所述羊舍本體一側外壁固定安裝有抽風機，所述抽風機的輸出端固定安裝有出風管道，所述出風管道的末端延伸至羊舍本體的內部，所述羊舍本體的另一側外壁上固定安裝有智能溫控通風格柵，所述智能溫控通風格柵的內部設置有氨氣傳感器和溫度傳感器。

通過采用上述技術方案，該結構中設置有抽風機和智能溫控通風格柵，抽風機和智能溫控通風格柵可以通過氨氣傳感器被觸發啟閉，從而實現對整體的羊舍本體內部進行置換空氣，防止在對母羊養護的過程中，羊舍本體內部出現異味的問題，此外，通過溫度傳感器感知羊舍頂端溫度變化，從而觸發智能溫控通風格柵的啟閉，從而達到實現對羊舍自動保溫和散熱的作用。

進一步設置為：每個所述獨立圍倉的上端固定安裝有連接框架，所述連接框架上呈對稱設置分別固定安裝有攝像結構和HCG傳感器（本傳感器需要人為取下操作采集數據），每個所述攝像結構位于每個所述獨立圍倉的上端。

通過采用上述技術方案，通過設置的攝像結構，可以對每個單獨存在的獨立圍倉進行實時監測，實現可視化監測，視頻數據采集，視頻數據訓練、深度學習，并通過HCG傳感器采集的數據對母山羊進行實時檢測，最終輔助對山羊懷孕進行預警。

進一步設置為：所述連接框架上呈對稱設置固定安裝有暖風罩，每個所述暖風罩上連接有暖風分管道，每個所述暖風分管道的末端固定安裝有進風管道，所述進風管道延伸至羊舍本體的外壁一側，且所述進風管道的末端固定安裝有暖風機，暖風機通過智能溫控通風格柵上的溫度傳感器且獨立圍倉庫的攝像結構智能判斷是否有山羊，從而最終觸發自動啟閉暖風機。

通過采用上述技術方案，針對環境溫度對母羊懷孕期間的影響，設置有暖風罩，對單獨的獨立圍倉內部進行輔助升溫。

進一步設置成：每個所述暖風分管道與連接框架的相交處固定安裝有電磁閥。

使用上面方式后，在暖風罩開始進行輔助升溫的過程中，通過獨立圍倉庫的攝像結構智能感知和判斷是否有山羊，從而啟動每個對應位置的電磁閥，實現單獨輔助升溫，獨立控制。

進一步設置為：每個所述獨立圍倉的內部一側固定安裝有分段溫度傳感器檢測儀。

通過采用上述技術方案，在對每個母羊進行養護的過程中，設置的分段溫度傳感器檢測儀，可以對每個獨立存在的母山羊進行實時溫度檢測。

進一步設置為：所述羊舍本體內壁一側固定安裝有無線傳輸模塊和總控模塊，所述無線傳輸模塊與總控模塊之間電性連接，且所述總控模塊與分段溫度傳感器檢測儀、攝像結構、HCG傳感器和電磁閥之間電性連接。

通過采用上述技術方案，整體羊舍中每個分段溫度傳感器檢測儀、攝像結構、HCG傳感器和電磁閥均通過總控模塊控制，而總控模塊通過無線傳輸模塊與使用終端連接，實現遠程控制，每個分端溫度檢測儀檢測每個獨立圍倉內部的山羊體溫溫度變化，單獨感知，實時監控。

綜上所述，本設計具有以下有益效果：該結構中設置有多個單獨存在的獨立圍倉，可以對批量羊群進行獨立養護。在養護過程中，可以實現可視化管理，實現對圖像的采集、訓練、深度學習人工智能分析懷孕山羊的懷孕行為；對羊舍內部溫度和氨氣利用傳感器感知進行自動控制，實現智能操控，操作方便；對山羊體溫和HCG指標進行檢測，輔助檢測懷孕狀況。

5.7 實施部署詳情

結合羊舍系列結構圖中的舍a-d在威寧自治縣蘆虹養殖場試驗羊舍實施，詳細說明如下：

一種山羊懷孕檢測和看護智能養舍，包括羊舍本體1，羊舍本體1上開設有含感應傳感器的智能感應開關門禁柜門2，且羊舍本體1的內部呈均勻設置有獨立圍倉8，每個獨立圍倉8的一側鉸接有保護欄桿11，且每個獨立圍倉8上端設置有監測結構，每個獨立圍倉8相鄰之間設置有人行通道10。

如舍a所示，羊舍本體1一側外壁固定安裝有抽風機3，抽風機3的輸出端固定安裝有出風管道4，出風管道4的末端延伸至羊舍本體1的內部，羊舍本體1的另一側外壁上固定安裝有智能溫控通風格柵7。

如舍c和舍d所示，每個獨立圍倉8的上端固定安裝有連接框架17，連接框架17上呈對稱設置分別固定安裝有攝像結構18和HCG傳感器19，每個攝像結構18位于每個獨立圍倉8的上端，連接框架17上呈對稱設置固定安裝有暖風罩14，每個暖風罩14上連接有暖風分管道15，每個暖風分管道15的末端固定安裝有進風管道6，進風管道6延伸至羊舍本體1的外壁一側，且進風管道6的末端固定安裝有暖風機5，每個暖風分管道15與連接框架17的相交處固定安裝有電磁閥16，每個獨立圍倉8的內部一側固定安裝有分段溫度傳感器檢測儀9，羊舍本體1內壁一側固定安裝有無線傳輸模塊12和總控模塊13，無線傳輸模塊12與總控模塊13之間電性連接，且總控模塊13與分段溫度傳感器檢測儀9、攝像結構18、HCG傳感器19和電磁閥16之間電性連接。

工作原理：在使用期間，可以將批量的懷孕母羊驅趕到獨立存在的獨立圍倉8中，防止羊群中出現爭斗導致母羊受到傷害；在養護過程中，可以根據實際使用情況，通過智能溫控通風格柵7，感知羊舍內部的空氣變化，開啟抽風機3，對羊舍本體1內部進行抽換氣，減少羊舍本體1內部的異味；并設置有單獨存在的攝像結構18，對獨立存在的獨立圍倉8內部進行實時監測，實現可視化監測；并通過分段溫度傳感器檢測儀9，對每個獨立存在的獨立圍倉8的山羊進行實時溫度監測；因為設置的暖風機5處于開啟的狀態，通過智能溫控通風格柵7的溫度傳感器和攝像結構18感知，所以當某一個獨立存在的獨立圍倉8內部出現溫度過低和有山羊在時，對應位置的自動電磁閥16開啟，通過暖風罩14向獨立圍倉8內部輸送暖風，起到輔助升溫的作用。

本具體實施通過各種傳感器實現了羊舍的智能化管理，提高了養殖場的工作效率。

5.8 實施使用的信息硬件、軟件、部署現場

傳感器：溫濕度傳感器、氨氣傳感器（其他類似氣體傳感器有：二氧化碳傳感器、pm2.5傳感器、二氧化硫傳感器、一氧化碳傳感器等）。

Wi-Fi網絡繼電器：利用Wi-Fi網絡的電控制器件4路，輸入的變量到達一定值后，從而觸發輸出電路數字發生變化從而起到控制電器的一種電器。

應用軟件：選用精訊云，是一款全新的云平臺大數據操作系統，系統的可操作性強，直觀的顯示界面，更完美的轉發管理系統：監控選用螢石云。

5.9 實踐結論

作為試驗的羊舍，通過物聯網和傳感器技術的使用，實現了羊舍養殖的智能化提升，設計的羊舍合理、可行。另一面，在羊舍內部署的各種線路，因為老鼠的泛濫被咬壞，影響了系統的使用，這也是將來下一步在推廣中應該考慮到的環境因素。

6 結論和展望

撰寫本文，筆者查閱了大量的國內、省、市資料，調查了物聯網、傳感器、自動化技術山羊畜牧養殖、智慧養殖的文獻[11-12]，針對問題提出了一種山羊的養舍的環境監測和自動化控制系統的設計方案，然后通過在威寧自治縣蘆虹養殖場以當地黑山羊和場地進行初步實踐部署，通過物聯網和傳感器技術實現了羊舍的智能化控制，并以“一種山羊懷孕檢測和看護智能養舍”為名提交了實用新型專利申請，取得了較好的成效。但也遇到設備、線路被鼠害等問題。

本文期望為山羊智慧養殖和高繁項目研究產生引領和借鑒價值。本研究還比較淺顯，還有艱巨的工作要去完成。筆者計劃將來對本成果進行推廣，利用物聯網技術在其他家畜的智慧養殖和高繁項目上開展更多研究，爭取新的成績。

參考文獻：

[1] 劉峰，尤飛，康亞明.基于UML的嵌入式溫室環境監測系統設計[J].電子設計工程，2012，20（20）：138-140.

[2] 米娜瓦爾·吾買爾.中小型養雞場智能控制系統的開發設計分析[J].畜禽業，2022，33（3）：25-27.

[3] 曹長建.基于物聯網的智能養殖系統設計與實現[D].南昌：南昌大學，2020.

[4] 張秋晶，林旭珠，邱金波，等.一種基于物聯網技術的智能魚缸養殖系統設計[J].科學技術創新，2021（10）：103-104.

[5] 黃洲榮.羊場信息化系統設計與開發[D].南京：東南大學，2016.

[6] 田健，慕厚春，畢玉革，等.物聯網在種豬精細養殖中的應用示范——以內蒙古農業大學科技園為例[J].黑龍江畜牧獸醫，2018（6）：24-28，239.

[7] 李蘭秀.物聯網技術在農業領域現代發展中的應用——評《農業物聯網技術及其應用》[J].中國食用菌，2019，38（5）：I0036.

[8] 沈翠鳳.基于物聯網的畜禽舍環境遠程監控和評判系統研究[J].中國農機化學報，2020，41（12）：112-118，216.

[9] 張萬潮，陳長喜.肉雞舍內環境監控與預警系統的設計與應用[J].中國家禽，2022，44（4）：69-76.

[10] 段續峰.基于物聯網技術的生豬精準投飼系統設計與應用[J].飼料研究，2022，45（5）：123-127.

[11] 徐海川，白雪，劉曉雷，等.“智慧畜牧業”發展中的問題、對策及趨勢[J].黑龍江畜牧獸醫，2019（10）：11-14.

[12] 王琦，韓菡，譚青青，等.基于物聯網技術的妊娠母豬限緩飼喂裝置的研究[J].農機化研究，2018，40（3）：260-263.

【通聯編輯：光文玲】