畜禽物联网理论、技术及应用PPT 第9章 物联网与畜禽生态环境保护

物联网与畜禽生态环境保护第9章9.1生态畜禽业 9.2物联网畜禽生态环境保护应用 9.2.1畜禽物联网土壤监测 9.2.2畜禽物联网水质监测 9.2.3畜禽物联网空气质量监测 9.2.4碳排放监测 9.2.5智慧路灯

国家政策和资金的扶持，动物育种、营养与饲料科学、卫生防疫等技术的普及与发展，对我国畜禽业发展起了极大的推动作用。畜禽业扩大发展规模使得畜产品种类和产量均有所增加，畜禽业总产值占农业总产值的比例逐年提高，为农业饲料产品提供市场的同时也参与产品加工与流通，已经成为生产形式相对独立、与人民生活和经济发展息息相关的农业产业之一。值得注意的是，我国畜禽业在资源配置、环境保护等方面还有所不足，对产业发展的可持续性缺乏足够的重视。畜禽业发展必不可少的自然资源包括生产饲料所需的耕地资源、放牧所需的草地资源、水资源。长期以来，畜禽业发展模式呈现出“重开发轻环保”的特点，不合理的资源利用方式导致自然资源日益枯竭，草场退化、水资源短缺问题突出。过度依赖资源消耗来促进生产，忽视生态平衡，也加剧了水土流失、土地沙漠化等生态环境问题。污染物未经处理直接流向自然环境，对空气、水体、土壤等造成严重污染，不仅不利于牲畜生长，而且对人体健康也会产生负面影响。这些问题如果不能得到解决，将会给畜禽业自身的发展造成很大的阻碍。9.1生态畜禽业1.生态畜禽业特征（1）促进废弃物再利用。对动物排泄物、养殖废水等畜禽业废弃物实行再利用，减少养殖污染。（2）结合其他农业产业。根据畜禽业发展实际情况合理配置种植业、渔业等产业，推动不同农业产业之间的资源转化和利用。（3）维护生态秩序。协调畜禽养殖系统内的各种要素，促进物质和能量有序循环，维护畜禽养殖生态平衡。（4）统一生态和经济效益。推动畜禽养殖及其他农业产业高效、优质发展，增加经济效益，同时减少废弃物与污染物，发挥其利用价值，挖掘生态效益。2.生态畜禽业建设模式1）建设生态养殖场（1）改善饲料生产与精准搭配。科学选址、优化环境，提高饲料质量，巧妙设计饲料组合，满足畜禽的营养需求。（2）优化养殖环境。应用技术如物联网和人工智能监控水、空气等环境要素，及时发现和处理养殖环境问题，促进畜禽健康生长。（3）资源化处理废弃物。将畜禽粪便发酵产生沼气作为能源，同时用沼渣作为有机肥料，供应种植业和养殖业。2）推动产业资源互补畜禽养殖废弃物可循环利用。将粪污转化成有机肥料用于种植业，或作为饲料资源用于水产养殖业。通过资源互补，构建小型生态循环系统，如鱼菜共生和鱼鸭立体养殖。9.2物联网畜禽生态环境保护应用9.2.1畜禽物联网土壤监测防治畜禽养殖废弃物对土壤的污染，需限制排放、减少粪肥使用，并实施土壤监测，保持环境健康。使用物联网搭建土壤监测系统，实时监测养殖场周围土壤环境，建立污染预警。通过在土壤中安装传感器，全天候检测pH值、重金属等参数。传感器通过ZigBee/NB-IoT协议组成网络，数据传输到云平台进行综合管理。图9-1物联网土壤环境监测系统整体架构9.2物联网畜禽生态环境保护应用云平台采用C/S（Client/Server）架构与B/S（Browser/Server）架构，负责存储、处理土壤环境监测数据，分析土壤质量情况，并对数据、阈值、设备、用户实行统一管理。物联网土壤监测系统云平台功能模块如图9-2所示。图9-2物联网土壤监测系统云平台功能模块9.2物联网畜禽生态环境保护应用传感器监测获取的数据经处理后被传输到PC端和APP上，用户登录系统平台即可查看实时的监测数据。如果设置报警阈值，系统还可以预警土壤污染情况，及时提醒用户对土壤污染进行处理。图9-3物联网土壤监测系统平台界面9.2物联网畜禽生态环境保护应用9.2.2畜禽物联网水质监测畜禽养殖场未经处理排放的污水对水体造成污染，影响养殖质量，对周围人员有潜在危害。建设物联网水质监测系统可提高监测准确性和效率，全面了解水质情况，有针对性地解决污染问题。物联网水质监测系统集合了传感器、无线视频监控、无线传感网络、移动通信、3DGIS及GPS、数据处理、APP应用等技术，其功能主要包括：（1）数据采集：在水体中安装传感器检测污染参数，如温度、浊度、总磷、pH值等，同时利用视频监控采集实时图像信息。（2）数据传输：通过无线传感网络、4G/5G移动通信和微波通信等技术，将采集到的水质数据传输至数据平台。（3）数据存储与分析：数据平台储存实时和历史数据，利用大数据技术进行分析，确保平台高效稳定运行。（4）设备控制与异常报警：平台通过通信协议连接监测设备和控制器，设定正常水质阈值，一旦参数超过范围，系统报警并启动相关设备进行调节。9.2物联网畜禽生态环境保护应用（5）数据共享：水质监测信息储存在数据平台，各子系统生成的数据也整合到此平台，用户可通过系统或手机APP查询实时水质数据和监测参数，实现信息的集中管理和共享。图9-4物联网水质监测APP“数据监测”界面9.2物联网畜禽生态环境保护应用图9-5水质参数历史数据9.2物联网畜禽生态环境保护应用9.2.3畜禽物联网空气质量监测畜禽养殖会产生废弃物，如排泄物、残余饲料、污水等，未经妥善处理将污染空气，威胁畜禽生长和人体健康。为有效管理养殖环境，采用物联网建设空气质量监测系统，实现对污染类型和浓度的实时监测，提高监测效率和准确性。1.系统架构感知层通过传感器和监控设备采集空气参数、设备状态和报警信息，传输至处理层，其中数据通过无线传感网络、移动通信和互联网传送。处理层对数据进行智能分析，将结果传递至应用层。应用层构建各种空气质量监测应用基于处理结果。2.系统主要功能模块（1）环境数据采集。在畜禽养殖区域内部署传感器用于监测CO、CO2、NH3、H2S等的浓度，传感器节点之间组成无线传感网络，连接其他无线通信网络将来自各养殖区域的环境数据上传至空气质量监测云平台，养殖人员从PC端或手机APP登录物联网空气质量监测系统，即可查看所监测区域的空气质量数据。9.2物联网畜禽生态环境保护应用图9-6物联网空气质量监测系统平台“数据采集”界面

图9-7空气质量监测APP“数据采集”界面9.2物联网畜禽生态环境保护应用（2）智能控制。系统设定监测参数的阈值，当气体浓度超过阈值时发出警报。养殖人员可通过APP设定阈值，系统自动解除警报。若系统长时间响应无改善，智能控制启动通风设备，提升养殖场空气质量。

图9-8空气质量监测APP“阈值设定”界面9.2物联网畜禽生态环境保护应用（3）无线视频监控。用户通过系统进入“无线视频监控”模块，远程查看养殖区实时画面，包括畜禽活动、传感器、环境设备等。用户可控制旋转云台和变焦，进行详细观察，便于及时察觉异常情况。9.2.4碳排放监测畜禽业每年产生的温室气体排放约占全球总排放的15%，其中包括甲烷、二氧化碳和氧化二氮等。温室气体主要源自饲料生产、畜禽消化、粪肥腐解、畜产品加工及运输等环节。为减少碳排放，可以通过优化饲料、选择优质畜禽品种、提高生产性能、建设沼气工程以及采用智能化养殖管理技术等方式。规模化畜禽养殖相对较少，农村散养仍占主导地位，碳排放的准确统计受到挑战。物联网技术可通过安装检测装置和网络技术，实时上传与温室气体排放相关的数据，提高数据质量，有助于企业精细管理和制定转型战略。建立碳排放公共监测平台有望推动碳排放数据监测、政府企业共同监管和节能减排服务等方面的碳排放智能管理模式。物联网在碳排放管理上可通过感知、传输、处理和应用四个层面发挥作用。9.2物联网畜禽生态环境保护应用图9-9物联网碳排放监测应用架构畜牧业在现代化转型中，随着规模化和机械化程度增加，能耗也相应上升。在当前全球节能降耗的大背景下，畜牧业作为农业经济支柱产业，采用先进的能源管理方式可以有效降低能源成本，减少碳排放，带来经济和环境效益。畜牧业中电能是不可或缺的能源之一，实施节电措施需从技术和设备上入手，同时加强用电管理、监测和分析，解决浪费问题，确保用电安全。通过建设基于物联网的能源监测分析系统，将用电过程和设备状态转化为可视化数据，辅助用电管理，实现真正的节能降耗。9.2物联网畜禽生态环境保护应用物联网能源监测分析系统是以物联网、无线通信、云计算和人工智能等技术为手段，面向畜禽养殖用电过程，实现电能消耗数字化、设备运行可视化以及用电管理科学化的综合系统，系统架构如图9-10所示。图9-10物联网能源监测分析系统架构9.2物联网畜禽生态环境保护应用物联网能源监测系统的基础功能之一是能耗监测。通过分布在畜禽养殖区域的电能监测传感器实时采集设备的电能消耗数据，视频监控设备监测用能设备的运行情况。数据通过无线传输技术上传至数据采集系统，保障及时、准确的数据传输。数据接入系统允许多系统接入，确保数据传输和系统运转的灵活性。数据分析处理系统对电能消耗进行多维度统计和在线分析，实时反馈电能消耗总量、变动趋势等。在发生能耗异常时，系统会及时发出报警信息，确保供能网络和用电设备的安全。WEB应用服务器提供在线信息浏览服务，用户通过系统平台登录浏览器可以实时查看相关数据、下载数据文件，并根据实际情况自适应调整电能供给系统，调节能源供给设备的输出电压，保障用能的安全。物联网能源监测分析系统的主要功能模块包括能耗监测、视频管理、能耗分析、异常报警和系统管理，如图9-11所示。图9-11物联网能源监测分析系统功能模块9.2物联网畜禽生态环境保护应用通过对电能消耗情况进行精细化监测与分析，得到畜禽养殖耗电的详细信息，可以为用电管理提供数据佐证，及时发现用电浪费、设备运行异常等问题，及时排查设备故障，在节能的同时提升设备使用寿命。数据保存在系统上，用户通过物联网能源监测分析系统平台可以在问题发生时快速回溯数据，提高问题处理效率。物联网能源监测分析系统平台“能耗监测”界面如图9-12所示，用户可以选择查看某一时间段的累计用电量和累计电费，通过耗电量变化趋势图可以清楚了解一段时间内的用电情况及其变化，数据也可以导出。图9-12“能耗监测”界面9.2物联网畜禽生态环境保护应用“视频管理”界面如图9-13所示，摄像头获取养殖现场视频图像，从中可以了解养殖环境和养殖设备包括用能设备的运行情况，在界面中可以进行“截屏”、“回放”“页面放大”、“分辨率选择”、“全屏播放”等操作。图9-13“视频监控”界面9.2物联网畜禽生态环境保护应用“能耗分析”界面如图9-14所示，选择时间和查询类型可以查看相应的总能耗、不同类型耗电量具体数据及其比例，不同类型耗电量具体数据以环形图形式呈现，可以相对直观地看出能耗比例的大小。图9-14“能耗分析”界面9.2物联网畜禽生态环境保护应用“紧急报警”界面如图9-15所示，当接入平台的设备出现耗能异常状况时，系统会自动发出报警信息，报警信息包含报警时间和事件，用户也可以选择时间查询相应的报警信息。图9-15“紧急报警”界面9.2物联网畜禽生态环境保护应用“系统管理”模块包含“用户管理”和“设备管理”两种功能，其中“用户管理”界面如图9-16所示，用户信息包含用户名、电话、邮箱、权限、状态、角色和登录日志，在“操作”选项中可以对这些信息进行修改。点击“添加用户”可以增加其他可登录系统的用户。图9-16“系统管理”界面9.2物联网畜禽生态环境保护应用通过物联网能源监测，了解畜禽业能源消耗及碳排放分布，减少能源浪费。结合人工智能可帮助企业预测和减少碳排放，助力制定、调整和实现碳排放目标。随着碳达峰、碳中和成为焦点，物联网结合区块链技术确保碳排放数据准确、真实，为畜禽业碳减排和碳交易提供全面支持。9.2.5智慧路灯在全封闭式畜禽养殖中，人工光照关键促进畜禽生长。相比自然光照，人工光照可实时调节颜色、色温、强度和时长，确保畜禽处于适宜生长环境，增加产能。畜禽对光照需求因种类和生长阶段而异，科学、合理的人工光照布局显得尤为重要。例如，红光刺激鸡食欲，绿光增强鸡对钙的吸收，蓝光防止鸡应激。在规模化养殖中，依靠人力调节光照效率低，不利于提高养殖效益。9.2物联网畜禽生态环境保护应用智慧路灯集成了物联网、云计算、移动通信等技术，装备LED调光灯、传感器、高清摄像头、无线网络、LED显示屏、PLC控制器、太阳能板等设备。除提供照明外，还可实现灯光调节、环境监测、视频监控、远程抄表、异常报警和信息发布等功能。智慧路灯不仅降低能耗、美化使用场景，而且方便维护。在智慧城市概念推广和信息技术发展中，智慧路灯的应用场景逐渐丰富，也开始在畜牧业领域应用。图9-17智慧路灯9.2物联网畜禽生态环境保护应用智慧路灯在畜牧业中的应用包括传感器和高清摄像头等感知节点，用于监测光照、噪声、温湿度、气体等环境参数，以及畜禽活动。这些数据通过无线通信传输到云平台，进行解码、验证、存储和分析。云平台综合管理这些信息，并发布到智慧路灯系统平台，为畜牧业提供智能化管理支持。图9-18智慧路灯系统整体架构9.2物联网畜禽生态环境保护应用将智慧路灯系统应用在畜牧业领域，主要实现的功能包括智慧照明、环境监测、视频监控、远程抄表、异常报警和信息发布。智慧路灯系统功能配置如图9-19所示。

图9-19智慧路灯系统功能配置9.2物联网畜禽生态环境保护应用智慧路灯系统平台是一个应用平台，包括PC端和手机端接入页面，用于展示系统的数据信息。用户登录后可以进行整个路灯系统的管理，平台包含“智慧照明”、“环境监测”、“视频监控”、“远程抄表”、“异常报警”、“信息发布”六个功能模块，用户点击相应模块即可进入对应的操作界面。图9-20智慧路灯系统平台PC端首页9.2物联网畜禽生态环境保护应用“智慧照明”界面如图9-21所示。在左侧功能区选择养殖区域即可进入该区域的路灯控制界面，可调节路灯的光色、色温、光照强度、光照开始时间以及光照时长，在“操作”选项中可以进行设备移除、设备重命名等操作。对于同一路灯设备可以进行多次设置，该路灯即可根据预设条件自动转换工作状态，满足不同类型的光照需求。图9-21“智慧照明”界面9.2物联网畜禽生态环境保护应用“环境监测”界面如图9-22所示。在该界面可以任意切换查看不同养殖区域的实时环境监测数据，其中包括光照强度、噪声、温度、湿度、CO、CO2、NH3、H2S等参数，系统接入其他类型的环境监测传感器，其监测数据也可以在该平台上显示。选择设备编号和传感器类型，可以查看该组设备内某一类型传感器监测的数据。图9-22“环境监测”界面9.2物联网畜禽生态环境保护应用在“环境监测”界面点击任意一项环境参数即可转至“历史数据”和“阈值管理”界面，如图9-23所示。输入日期并选定环境参数，即可查找该参数在某一时段内的历史数据变化趋势图，也可将这些数据以统计报表形式导出。在“阈值管理”区域可以设定传感器监测数据的上限和下限，如果传感器监测所得数据超出该阈值范围，系统则会发出异常报警提示。在“操作”选项可以删除或修改设定。点击“添加”增加其它设备进行阈值设定。图9-23“历史数据”和“阈值管理”界面9.2物联网畜禽生态环境保护应用“视频监控”界面如图9-24所示。选择养殖区域后，界面上显示该区域的摄像头监控画面，用户可以了解畜禽活动情况、养殖环境状况或设备运行状态，画面可以全屏显示。点击“监控回放”可以进入“监控回放”界面，如图9-25所示，选择设备和时间后即可查询该设备在某一时间段的监控视频，也可以将视频下载保存。图9-24“视频监控”界面

图9-25“监控回放”界面9.2物联网畜禽生态环境保护应