基于衛星物聯網的牧場管理應用及其經濟性分析

文|梅國濤 邱慶舉 熊福焰

1.青島上合航天科技有限公司

2.煙臺大學經濟管理學院

一、前言

物聯網很大程度上受制于通信基礎設施的發展，目前的三種通信方式為地面有線網、地面無線網和衛星通信網。地面通信網在覆蓋能力上有一定受限：我國80%以上的陸地和95%以上的海洋無地面網絡覆蓋。我國天通一號衛星在2016 年首發01 星，目前已完成3 顆衛星發射，可覆蓋中國及周邊、西太平洋、東南亞地區，具有語音、短信、數據服務能力。2021 年11 月12 日，天通衛星運營商中國電信衛星公司發布天通物聯網應用，天通物聯網開啟試運行。北斗三號全球衛星導航系統已于2020 年7 月31 日全面建成開通。北斗三號系統相比北斗二號系統，在覆蓋范圍、定位精度、授時精度、短報文容量方面有較大升級，區域短報文容量從120 個漢字/次升級到1000 個漢字/次，通信容量大幅提升，覆蓋范圍也從亞太地區提升到全球。

一直以來，牧場管理因牲畜移動性受到很多管理技術的限制。發展牧場物聯網技術，特別是牧場牛羊監控物聯網，對牧場的管理水平提升有重要意義。我國重要的畜牧基地有新疆、西藏、內蒙古、青海等，在這些偏遠地區，放養牲畜的數量一般比較龐大，上千只羊群、牛群和馬群在草原上放牧隨處可見。傳統放牧存在牲畜盜竊難防范、牲畜丟失難找回等問題，以及牛羊進入危險區域或者莊稼地、森林等造成財產損失，對勞動力的需求是剛性的，同時過度放牧導致生態惡化，也影響畜牧業的發展。因此，通過智能設備獲取牲畜所處環境、位置、健康和生理信息等數據，經由網絡傳輸到大數據平臺進行統計分析，再將結果可視化后呈現給用戶端，一方面實現信息數據的科學準確采集，為政府及養殖基地管理、決策提供科學依據，另一方面牧民可通過手機APP 輕松實現智能化、信息化養殖。國內外已有如瑞典Sveaverken、澳大利亞Moovement、國內幾米物聯等多個企業推出基于地面蜂窩通信的牛羊監控物聯網終端，但這些畜牧基地地處偏遠，存在無移動網絡信號覆蓋地區的數據遠程傳輸問題，所以通過衛星通信終端來實現牧場牛羊監控，如北斗短報文通信，可實現感知信息的全天候、全天時及無縫傳遞，可有效支持牧場的智能化管理，特別是牛馬羊定位與監控管理。

二、國內外基于衛星物聯網的牧場管理應用

1.國外基于衛星物聯網的牧場管理應用

2019 年，蒙古國Spotter 應用Globalstar 的SmartOne C IoT 進行馬匹監控。該地區馬匹有時會跋涉數百千米尋找好草，也可能會在暴風雨中迷路，從而增加了失蹤和被盜的風險，目前現場部署了5000個Spotter 項圈。

2021 年，美國Global Satellite Engineering 基于低軌衛星星座Globalstar 資源開發了一款GSatSolar太陽能衛星監控終端，并于2021 年2 季度上市。產品僅有22g，以耳標方式安裝，與衛星直連。澳大利亞Ceres 同樣基于低軌衛星星座Globalstar 開發了Ceres Tag 太陽能衛星監控終端，與GSatSolar 產品相近，于2021 年12 月開始陸續應用。

荷蘭Hiber 基于Inmarsat 衛星星座開發了一款集成LoRa WAN 的網關產品，通過安裝在牛羊身上的LoRa 終端，將牛羊定位數據傳送至網關，然后網關與衛星直連，實現數據回傳。

通過對國外基于衛星物聯網的牧場管理終端進行分析（表1），其實現方式分為兩類，一類是與衛星直連的衛星終端，一類是借助衛星網關進行數據回傳的LoRa 終端。

表1 國外牧場管理衛星終端對比分析

2.國內基于衛星物聯網的牧場管理應用

在新疆、西藏、內蒙古、青海等主要畜牧基地，牧民通常每天都要騎著摩托車追趕六十到八十千米外的牛群。早在“十二五”期間，牧民就已經開始通過給牛羊安裝北斗項圈，用手機準確定位牛羊位置，從而一定程度上降低了牧民的勞動強度。除了國內，該應用也在蒙古、哈薩克斯坦、塔吉克斯坦等“一帶一路”國家落地。2017 年，對于無地面蜂窩網絡覆蓋區域，出現了通過北斗短報文進行牛羊監控的牧場管理應用，采用的是類似于GSatSolar 和Ceres，即與衛星直連的衛星終端的方式，但受限于成本較高，基于衛星物聯網的監控終端未大規模應用，目前牧場牛羊監控管理還是以地面蜂窩通信為主（圖1）。

圖1 地面蜂窩網絡與無地面蜂窩網絡衛星直連方式網絡鏈路示意圖

三、基于衛星網關+LoRa 終端的衛星物聯網牧場管理系統設計

國內衛星物聯網應用主要有北斗衛星和天通衛星資源，北斗衛星已有產品應用于牧場牛羊監控管理，天通衛星具有更高的通信速率，但終端尺寸要大于北斗，因此結合牧場牛羊管理場景特點，結合LoRa 無線通信模塊具有低功耗、低成本、相對長距離通信的優勢，針對性提出天通衛星+LoRa 結合的通信方式，實現高通信速率的應用與低成本、小型化LoRa 終端的集合，滿足牧場牛羊監控大批量、小型化、低成本的需求。

1.系統架構

本方案采用天通衛星網關+LoRa 終端方式（圖2）。通過開發一款具備衛星通信和LoRaWAN 通信功能的網關終端，和一款具備LoRa 通信和GNSS 定位功能的節點終端，以區域組網的方式實現小范圍內大批量終端應用場景下的低成本應用。

圖2 衛星網關+LoRa 終端方式與衛星直連方式網絡鏈路示意圖

2.系統硬件設計

（1）天通物聯網網關

網關硬件原理框圖設計采用MCU 模塊+天通通信模塊+4G 的架構，外圍配合LoRa、WiFi、ETH、FLASH、DDR3、電源管理等模塊來實現功能要求。終端軟件功能包含天通衛星通信、地面4G 通信、北斗/GPS 定位、網關狀態顯示/上報、手機APP 訪問、網頁訪問、數據文件收發、遠程/本地固件升級、遠程/本地終端配置、LoRa 網關、節點數據轉發。圖3 為網關終端與安裝示意圖。

（2）帶有溫度、運動量監測傳感器的LoRa 節點

節點硬件原理框圖設計采用MCU 模塊+LoRa通信模塊+定位的架構，外圍配合FLASH、溫度傳感器、運動量監測芯片、電源管理等模塊來實現功能要求。軟件功能包含北斗/GPS 定位、溫度監控、運動量監控、數據文件收發頻率可調、遠程固件升級、LoRa 網關通信、本地終端數據存儲。

3.系統應用——以東北某牧場應用為例

（1）應用場景情況

圖3 網關終端與安裝示意圖

以偏遠的東北某牧場為例進行系統應用闡釋。牧場所在區域，僅村鎮所在地有地面蜂窩網絡信號，放牧區域無網絡信號覆蓋。整個牧場區域共有7 萬～8 萬頭牛。牧場內平均每個養牛戶有80 ～120頭牛，不需要全部監控，只需重點監控其中10 ～20 頭領頭牛。每年6—9 月牛群會散養在牧場，每個農戶100多頭牛的牛群分布在方圓10km范圍內。

（2）應用測試情況

經過上千次點位測試，數據回傳成功率100%，未出現丟點現象。位置、溫度、加速度數據回傳正常。展示平臺直觀、易操作，滿足用戶監管需求。

（3）應用價值

1）降低失蹤和被盜的風險。主要通過兩方面控制：一是可以設置電子圍欄，一旦牛群跑出電子圍欄，可以短信或電話方式向農戶報警，農戶可基于位置信息及時采取措施；二是終端具有拆卸報警功能，防止惡意拆除和偷盜。

2）降低勞動力成本。每年6—9 月份放牧期間，養牛戶會雇傭工人現場監管放牧，每個工人每月工資4000 ～5000 元，放牧時間4 個月左右。通過監控終端的應用，可以取代或者減少放牧工人。

3）降低病死風險。通過對牛的運動和溫度的監測，可以監控牛的健康狀況，對出現問題的牛及時進行治療和管理，可有效降低病死損失。

4）提高繁殖效率。通過對牛的運動監測，進行行為分析，及時提醒發情期進行人工干預，提高繁殖效率。

5）增加產量。通過對食草區域分析，結合后期牛的增重情況，可以識別優質食草區域，實施針對性放牧，從而增加產量。

（4）牧場監管成本

牧場現有的監管成本主要有顯性的監管工人工資，以及隱性的牛失蹤、被盜、生病等風險成本。

根據與牧場主的現場調研，監管工人工資按4000 元/月計算，每年放牧時間預計4 個月，合計每年1.6 萬元。牛失蹤、被盜、生病等風險成本按照3 年損失一頭牛計算，一頭牛成本預估1.5 萬元，平均每年損失為0.5 萬元。公式如下：

式中：CS 是牧場監管年投入成本，CH 是年工人工資，CR 是年牛失蹤、被盜、生病等風險成本。

未安裝衛星監控終端情況下，合計年監管成本CS=1.6 萬元+0.5 萬元=2.1 萬元。

安裝衛星監控終端后，仍需要一部分工人監管，根據現場測試，按減少3 個月的工人監管進行計算，可減少人工成本1.2 萬元，失蹤、被盜、生病等風險成本0.5 萬元，合計每年可減少監管成本約1.7 萬元。

四、國內外系統方案成本分析

目前，主要有衛星終端直連、衛星網關+LoRa終端兩種方式。首先對兩種方式中不同衛星星座應用的使用成本進行對比分析，使用成本主要由終端硬件成本和終端流量成本組成，衛星網關+LoRa 終端的方式5 年使用成本較低，為800 ～870 元/終端。

采用衛星終端直連的方式，GSatSolar 終端成本最低，但使用壽命短，第4 年需更換新終端，會造成成本增加；澳大利亞Ceres累計5年使用成本最低，為1040 元；北斗終端采用北斗二號RDSS 方案進行計算，累計5 年使用成本最高，為3500 元。

采用衛星網關+LoRa 的方式，按照多個農戶共用一個網關進行計算，將網關成本平均分攤到終端成本中，Inmarsat 網關成本按照2.5 萬元計算，100個終端分攤成本為250 元/終端，LoRa 終端成本按照500 元計算，Inmarsat 年流量費為24 元/終端，因此第1 年每個終端使用成本為250+500+24=774元；天通網關成本預估1.5 萬元，100 個終端分攤成本為150元/終端，LoRa終端成本按照500元計算，天通年流量費為30 元/終端（天通采用9.6kbps 流量年套餐進行計算），因此第1 年每個終端使用成本為150+500+30=680 元。后續，每年使用費用主要是流量費用和終端更新費用。

由以上計算，Inmarsat 第1 年終端使用成本為774 元，第5 年使用成本為870 元；天通第1 年終端使用成本最低為680 元，第5 年使用成本最低，為800 元。

計算依據：按照部署100 個終端，每天回傳4條小于42byte 數據，計算國內外不同方案累計使用成本。公式如下：

式中：CI 為終端使用成本，C1 為終端硬件成本，C2 為終端流量成本。具體計算結果如表2 所示。

表2 國內外典型牧場管理衛星終端累計使用成本計算結果 元

五、國內外系統方案應用經濟性分析

1.100 頭牛安裝12 個終端的經濟性分析

基于成本效益分析，以東北某牧場應用為例，按100 頭牛計算，以最經濟的方式，只在頭牛安裝衛星物聯網終端，預計安裝12 個終端。

采用衛星物聯網系統后每年可降低成本約1.7萬元，五年可降低成本8.5 萬元。

按照以下公式計算效益：

式中：CP 即是安裝衛星監控終端后效益，CI 為采用衛星物聯網系統所增加的成本，CH 是年工人工資，CR 是年牛失蹤、被盜、生病等風險成本，X 為安裝終端數量，其中（CH×3/4+CR）=1.7 萬元/年。

由此計算，若采用衛星物聯網系統，按照采用天通衛星網關+LoRa 終端方式，五年累計使用成本為0.96 萬元，五年累計可節約成本為8.5 萬元-0.96 萬元=7.54 萬元，節約成本最多。不同方案5年效益如表3 所示。根據表3 計算，除北斗終端需要約2.5 年投資回收期外，其余方案均小于1 年即可收回投資成本。

表3 按照12 個衛星終端計算牧場年效益 元

2.100 頭牛全部安裝終端的經濟性分析

但是如果為了達到更好的監控效果，對首次投入成本不敏感，牧場主對每頭牛都進行監控，總計安裝100 個終端，五年可降低的成本仍是8.5 萬元，經過計算，五年增加的成本為8萬元至35 萬元。按照成本最低的天通衛星網關+LoRa 終端方式，五年累計使用成本為8 萬元，五年累計可節約成本為8.5 萬元-8 萬元=0.5 萬元，與采用人工監管方式成本基本相當。不同方案5 年效益如表4 所示。據表4 計算，除天通終端能夠在5 年內完成投資回收外，其余方案投資回收周期均大于5 年。

表4 按照100 個衛星終端計算牧場年效益 元

3.小結

雖然衛星網關+LoRa 終端方式從效益上計算更經濟，但也要認識到，衛星網關安裝架設成本較高，且后期需要不斷維護，對于普通農戶，難以接受前期的較大投入，并且衛星網關覆蓋區域有限，且容易受障礙物遮擋，對于部分有遮擋或者放牧區域較大的場景不適用。

整體來看，衛星通信終端在牧場管理的應用可以首先從小范圍頭牛安裝、衛星終端直連的方式進行，以降低前期成本投入，快速取得效益；在后期大批量應用可以考慮衛星網關+LoRa 終端的方式進行，以降低整體成本，提高監管質量，同時可以推動衛星通信應用的快速發展。

六、結語

通過在偏遠無地面蜂窩網絡信號覆蓋區域的牧場安裝應用衛星監控終端，可以有效提高監管效率，降低監管成本，增加農戶效益。同時也要看到，作為一項新技術，特別是衛星網關方式，如果有政策或者組織、企業推動網關設備的安裝建設，從而帶動農戶的衛星物聯網終端、系統應用，將會對偏遠地區牧場管理起到較大的促進作用，同時也會加快衛星物聯網的發展和應用領域拓展。