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SWINE INDUSTRY SCIENCE
如何挑战智慧楼房养猪模式
摘要
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楼房养猪已经逐渐降温， 在建或者已经建成的楼房如何有效的投入生产，高效运营，探索楼房养猪的运营方案成为楼房养猪未来的主要课题。智能化管理模式是解决楼房养猪管理困境、挑战楼房养猪模式的一个重要手段，本文着重从技术迭代较快的精准饲喂和机器人等关键场景介绍了最新的解决方案，同时介绍了消除信息孤岛和协议差异，统一管理智慧养猪设备的物联网平台的基础架构，以期为从业者提供决策参考。
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前言
2019—2022年超级猪周期催生了许多新生事物，防控非洲猪瘟技术、生物安全、智慧养猪、楼房养猪都是这轮猪周期的标志性变革事件。楼房养猪不是新鲜事物，从20世纪70年代黑龙江肇东四方粮库4层楼房养猪到2021年投产的牧原为代表的21栋6层楼房，楼房养猪已经进行了至少4次技术迭代。据不完全统计，全国楼房养猪在建和已经投产的项目达200个之多，总投资近1 000 亿元，产能约1亿头。楼房养猪争议仍然很大，造价太高，环保处理难度大，缺乏成熟的模式，实际投产的案例较少等，需要时间的检验是楼房养猪面临的主要问题。
随着新周期的到来，楼房养猪逐渐降温，新上项目大面积减少，楼房养猪大规模建设阶段已经接近尾声，楼房养猪进入运营模式探索阶段。经过2年的筹备，湖北中新开维26层楼房猪场（中新开维绿色食品产业园）于2022年7月22日举行了开工仪式，标志全球最大的楼房猪场项目进入了运营探索阶段。
很多公司都在挑战楼房养猪技术，希望取得先发优势。楼房养猪的显著特点是占地面积减少、人员投入减少、投资增加、自动化和智能化设备增加。利用现代的ICT（信息与通信技术）技术寻求管理模式的突破，打造智慧楼房养猪模式是挑战楼房养猪技术的主要路径。由于生产线人员大量减少，楼房猪舍必须安装大量的自动化设备，楼房养猪的管理移到线上，对通信产生了巨大需求，以5G为代表的WIFI6技术的发展为楼房养猪提供了巨大支持。楼房养猪不可能取代传统单层猪舍，但楼房养猪对于实现“城郊猪场”的工厂化生产的场景，对实现产业园就地生产猪肉的保障供应模式，提高城市猪肉自给能力和应急供应能力，适应国家对于猪肉从“调猪”向“调肉”模式转变具有重要的探索意义。
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智慧楼房养猪模式主要技术迭代方案
尽管每个公司的楼房设计差异很大，但是其差异主要体现在层数和功能布局上不同，同层同类猪舍内部差异是不大的。主流设计基本上为每层饲养母猪1 000~1 200头左右，每个单元饲养母猪240~260头；每层饲养保育猪10 000头，每个单元饲养保育猪540~600头；每层饲养育肥猪5 000头，每个单元饲养育肥猪 540~600头。智慧楼房养猪模式主要体现在智慧环控、精准饲喂、机器人应用、智慧卖猪和智慧入场几个主要场景。其中技术迭代较快的是精准饲喂、机器人两个场景，具有规模化应用的价值。
2.1 精准饲喂场景技术迭代
智能精准饲喂是楼房养猪大规模应用的主要智能场景之一。智能精准饲喂器可以根据猪的不同生理阶段生长所需的采食量不同，构建智能化养殖平台。整套系统包含了云管理平台（猪场管理APP）、无线网关、网络设备、智能饲喂器（触碰杆、余料检测器、电磁水阀等相关配件）等4部分组成。产品类型根据功能分为：产房型、妊娠母猪型、保育型和育肥型，基本实现了养殖过程的全覆盖；根据驱动电机类型可以分为：关风器型、蛟龙型和步进电机型。目前国内生产精准饲喂器的厂家有数十家，表1列举了市场上主流智能饲喂器的组成和差异。
智能精准饲喂器可以模拟人工喂料，实现定时定量喂料，大大节省人工成本，饲养员可以把主要精力放在异常猪只的观察处理上，避免重复劳动。智能精准饲喂器能根据预先制定的基础饲喂策略（饲喂量曲线），实现每头猪精准投喂；还能根据猪只个体差异，根据生长情况实现单独加餐功能或减少饲喂量功能，从而避免传统料线统一下料带来的饲料浪费。
智能精准饲喂器出现的时间比较短，大部分基于种猪测定站和国外同型产品（如GESTAL）改进而来。早期的精准饲喂器没有网络通信功能，适用于家庭农场。楼房养猪发展起来以后，由于装机量比较大，对每台设备设置和更改参数工作量比较大，汇总信息困难，因此网络模块成为必须的功能。20世纪90年代，以加拿大”佳饲达”母猪产房精准饲喂器为代表的精准饲喂器开始进入市场，经过近30年的发展和完善，现在的精准饲喂器在功能要求、机械要求、产品稳定性、电控要求和平台通信要求等5个方面都进行了技术迭代。
精准饲喂器的功能比较强大，主要包括上报功能和下发功能。其中上报功能主要包括：饲喂器运行时间（设备编号/在线/离线/断电/重启/电机故障），下料数据（下料次数/时间/每日下料量/缺料），下水数据（下水次数/时间/每日下水量/缺水），探针数据（触碰次数/时间），猪只数据（一键盘点/日龄）；下发主要功能包括：饲喂曲线（猪号、栏号、胎次、带仔数、每日采食量、下料时间和下料次数等），饲料容重、每餐百分比，三餐饲喂时间，饲喂模式（自动/触发）；可以通过网络、手机APP和精准饲喂器操作面板设定喂料方案，水料比，分餐次数和百分比等功能。精准饲喂器原则上要通过国家3C认证，通过低温、高温、恒定湿热试验。有的公司通过的是医疗器械生产许可证，有的通过的农业机械生产许可证。精准饲喂整机寿命不低于10年，防水等级为IP67。同一批次饲料单次下料精度误差±1%以内，单次下水误差±5%以内。电机使用直流有刷电机，也有使用交流无刷电机，但是造价会高昂很多。外壳一般采用ABS工程塑料，触碰杆、下水管使用食品级304不锈钢。精准饲喂器电源一般采用直流24 V，也有部分厂家采用220 V电压，但是要做好隔离，实际使用中容易造成漏电。通信方式一般采用485有线串联通信方式，同时支持LORA、蓝牙、433、WIFI， Zigbee等无线组网方式。网关至少支持百兆以太网，建议使用4G网络作为通讯异常的备份方案。网关要支持MQTTS协议，能接入相关行业物联网管理平台（如华为IoTDA）,基于物联网平台实现产品管理、设备连接、数据收发、命令下发、数据转发和远程升级等功能。
根据智能程度，精准饲喂器分为3种：定时定量、定时不定量和不定时定量。定时定量是指一次进餐的饲喂量在指定的时间完成，一次性将本餐设计的料量下完；定时不定量是到一次进餐开始时间后猪触碰杆多次下料，但是本餐料量吃完后，猪只再触碰触碰杆也不下料；不定时定量是指完全自由采食，根据猪只触碰触碰杆的行为由电脑决定是否下料，下多少料。
2.2 机器人场景技术迭代
机器人在楼房养猪中具有应用价值的是两个场景：巡舍和清粪，其中应用最多的是巡舍，清粪机器人尚未看到规模使用的报道。巡舍机器人又分为视觉轨道机器人和陆地巡航机器人，现在比较成熟的是视觉轨道机器人，牧原自研的保育舍和育肥舍轨道机器人已经规模化使用，其他公司研发的机器人也在向社会推广，如北京小龙潜行科技有限公司守望者轨道机器人、南京天创电子技术有限公司全向微型机器人以及合肥拉塞特机器人科技有限公司巡检机器人。
视觉轨道巡检机器人系统（解决方案）主要由机器人、供电单元、通讯单元、轨道单元及附属设备单元组成。整个系统以机器人为核心，结合智能附属设备，可以兼容现场的各类传感器以及监控摄像头，通过智能组网的形式接入到同一机器人运维平台，形成完整的场景解决方案。机器人可以搭载的设备有：高清摄像机、环境监测传感器、四合一气体检测仪和高精度面阵避障雷达等，能够精准收集猪舍的各类信息。后台系统包括巡检任务管理模块、存储模块、图像处理模块、图像显示模块、查询模块和报警模块。
巡检机器人物理指标主要有，重量约18~25 kg左右，尺寸约600 mm×300 mm×400 mm（长×宽×高），电池容量为24 V，15 Ah；行走速度1~20 m/min可调，续航里程大于5 km；通讯方式为无线WIFI、 4G或5G；转弯半径0.6 m，可自主充电，防护等级IP65。最大功率600 W，待机功率20 W，待机时间大于12 h，可自动返回充电仓充电。超声波防碰撞，双层阻燃，电池双防护（见图1）。
图1 巡舍机器人主要部件
巡检机器人的主要功能分为以下几大类：一是机器视觉分析类；二是环境传感器感知类；三是热成像类。机器视觉类主要分为猪只盘点，猪只估重，猪只行为分析等应用场景，目前除了育肥舍猪只盘点应用价值比较大一点外，在其他几个场景的应用都不是很成熟。如估重误差太大，没有应用价值，行为分析算法开发困难且对生产指导用处不大等等。环境感知类，可以感知温度、湿度、烟雾和氨气等有害气体，但是从实用角度来说，一般安装2~3个传感器就够了。热成像可以用来进行猪只测温，但是也存在误差过大，采集信息有限，应用价值不大的问题。目前规模应用的巡检机器人，考虑到造价和场景等因素，主要有2种，一种是完全版搭载4种设备：1个半球摄像头+温湿度传感器+拾音器+红外热成像仪+3D摄像头，用于母猪；另外一种简化版搭载3种设备：1个半球摄像头+温湿度传感器+3D摄像头+拾音器，用于保育和育肥。
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物联网管理系统构建
随着智慧养猪的推进，出现了大量的物联网设备，猪场里常见的物联网设备有环控器、水电表、饲喂器、机器人，视频安防设备、猪只身份识别和可穿戴设备、温湿度传感器等感知设备等。这些设备使用的协议差异很大，对网速、带宽和时延的要求也不尽相同。使用的APP也是独立的，管理员手机上安装了各种APP，相互切换十分不方便，构建统一的基于物联网设备管理平台的物联网管理系统成为挑战楼房养猪技术的一个突破点。
3.1 系统组成
构建一个完整的基于物联网平台的物联网解决方案主要包括3部分：物联网平台、业务应用和设备（如图2）。物联网平台作为连接业务应用和设备的中间层，屏蔽了各种复杂的设备接口，实现设备的快速接入；同时提供强大的开放能力，支撑行业用户快速构建各种物联网业务应用。设备可以通过固网、2/3/4/5G、NB-IoT、WIFI等多种网络接入物联网平台，平台支持LWM2M/CoAP与MQTT协议，设备可通过上述协议将业务数据上报到平台，平台也可以将控制命令下发给设备。业务应用通过调用物联网平台提供的API，实现设备管理、数据上报、命令下发等业务场景。
图2 基于物联网管理平台的物联网管理系统（引自华为物联网终端设备及信息系统接入规范）
物联网平台采用混合架构，整体分为IOT管理平台和IOT接入平台两部分。IOT管理平台采用B/S架构，IOT接入平台按照功能划分为数据采集、数据处理、数据上报和运维管理四部分。IOT物联网平台提供两大核心能力：
（1）IOT设备管理服务。主要负责设备管理，鉴权认证，故障诊断，联动规则，告警过滤和分析。可将现场中采集到的智能设备或传感器的数据、状态和经过分析和过滤过的告警上报给业务平台的各个应用。
（2）IOT设备接入服务。支持多网络、多协议设备接入，提供多语言SDK支持，屏蔽物联网设备碎片化，实现设备快速接入。
通过标准化的北向接口和南向接口可以快速实现各种设备、网络、APP的互联互通，提高管理的效能。北向接口（Northbound Interface）是为厂家或运营商进行接入和管理网络的接口，即向上提供的接口。南向接口指为养猪各种场景APP提供的接口。南向接口（Southbound Interface）是管理其他厂家网管或设备的接口，即向下提供的接口。北向接口在这里指物联网管理平台提供的接口，南向接口指养猪设备制造商必须遵守的协议。
3.2 设备通信能力
平台支持直连平台、网关接入平台以及边缘接入平台3种接入方式（图3），此外，如果设备支持MQTT协议，可快速、稳定地接入平台。直连平台，则要求设备自身需具备泛网络接入能力。常见泛网络接入方式有固定网络、运营商网络（2G/3G/4G/5G/NB-IoT）、WLAN等，用户可根据实际物联网应用场景选择设备并约束具体接入方式。精准饲喂器适合平台直连方式接入物联网管理平台。在实际应用场景，基于功耗、成本的考虑，如某些温湿度传感器、烟雾报警器等超低功耗、低带宽要求的设备，不需要也不具备功耗相对较高泛网络接入能力，而采用串口（RS485标准等）、蓝牙、Zigbee等进场通信协议接入。此场景需要经终端的网关做数据转换对接到物联网平台。边缘网关较普通网关，更适用于外部网络不稳定、时延要求高以及复杂物联网接入协议的场景，比如视频安防设备比较适合此类边缘接入方式。
图3 物联网设备接入方式（引自华为物联网终端设备及信息系统接入规范）
3.3 设备物模型
设备物模型用于描述设备具备的能力和特性。为统一各设备厂家的设备模型，方便应用与设备解耦，要求设备都使用物模型的方式接入。设备物模型在物联网平台构建一款设备的抽象模型，使平台理解该款设备支持的服务、属性、命令等信息，如颜色、开关等。当定义完一款设备物模型后，在进行注册设备时，就可以使用该模型。描述一款设备的基本信息，包括厂商ID、厂商名称、设备类型、协议类型。例如：水表的厂商名称为“HZYB”，厂商ID为“TestUtf8ManuId”，设备类型为“WaterMeter”，协议类型为“CoAP”。
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结语
楼房养猪已经逐渐降温，在建或者已经建成的楼房如何有效的投入生产，高效运营，探索楼房养猪的运营方案成为楼房养猪未来的主要课题。智能化管理模式是解决楼房养猪管理困境、挑战楼房养猪模式的一个重要手段，本文着重从技术迭代较快的精准饲喂和机器人等关键场景介绍了最新的解决方案，同时介绍了消除信息孤岛和协议差异，统一管理智慧养猪设备的物联网平台的基础架构，以期为从业者提供决策参考。
● 本文来源：《猪业科学 》 2022年39 卷第10期
校对│黄海涛
排版│黄海涛
审核│甄梦莹
