《智慧农业关键技术与装备》课件-第05章 畜禽水产养殖信息感知技术

《智慧农业关键技术与装备》第五章畜禽水产养殖信息感知技术机电工程学院5.15.2概述畜禽养殖信息感知技术5.35.4水产信息感知技术应用案例第五章畜禽水产养殖信息感知技术5.1概述5.1概述

畜禽养殖与水产养殖业在我国农牧经济体占有重要的比例，是我国农业对外创汇的重要农产品之一，我国渔业已发展成中国农业农村经济中重要的支柱产业。近20年间，全球的水产总产量一直保持低速持续增长，而中国的水产品产量一直保持着高速增长势头，从1990年至今中国的水产品总产量一直位居世界第一，目前约占世界出口产品产量的35%。我国畜禽养殖业也一样，国际肉类组织公布的数据显示，中国畜禽类生产总量约占世界生产总量的29%，连续21年位居世界第一。其中猪肉占47%,羊肉占28%，产量位居世界第一。对我国农副业经济发展与农村经济建设发挥了极其重要的作用。提问：你认为传统的养殖方式有什么不足之处？5.1概述0102(1)依靠经验的养殖方式生产出的产品良莠不齐，产品质量标准很难控制。在产品出口过程中经常遭遇国外统一质量标准体系的限制。03(2)传统的养殖方式需要消耗大量的人力物力，在当前劳动力价格普遍上涨的今天,传统的养殖业面临成本急剧上升的压力。(3)传统养殖模式以养殖人员经验判断为主，缺乏科学诊断措施，对畜禽、水产养殖的病害无法准确判断，抗风险能力较差。第五章畜禽水产养殖信息感知技术5.2畜禽信息感知技术5.2.1畜禽养殖背景基本特征：资本密集型劳动集约化03高效益02高产出01高投入现代畜禽养殖物联网通过先进传感技术、多维信息感知技术、智能信息处理技术的应用得以实现：通过先进传感技术的应用实现畜禽运动轨迹监测、动物生理信息反馈、养殖环境信息实时监测；通过多维自组织信息传输技术的应用搭建远程监控网络，通过智能信息处理技术的应用实现畜牧养殖中动物全生命周期的自主管理，如图所示。5.2.1畜禽养殖背景第五章畜禽水产养殖信息感知技术5.2.2畜禽养殖物联网信息感知技术架构5.2.2畜禽养殖物联网信息感知技术架构

通过各种可远程控制、智能化、自动化生产设备的使用，搭建了现代畜禽养殖物联网基本技术架构，它包括三个层次：感知层、传输层和应用层，如图所示。第五章畜禽水产养殖信息感知技术5.2.3主要应用系统5.2.3主要应用系统

智能畜禽养殖系统广泛使用各种集成微型化、高可靠性、低功耗和低成本的传感器技术，RFID无线电子标签标识技术，WSN无线通信技术，3G无线远程通信技术，智能云计算技术，发情自动监测技术，繁育预测技术，营养模型动态检测技术和设备的自动控制技术等，搭建出集成养殖环境监控、畜禽个体识别、个体信息智能感知、动物繁育信息获取、数据釆集与转换、数据智能传输（有线或无线）、数据的智能分析与处理,以及疾病诊断及预警、畜禽饲料精细投喂于一体的畜禽健康养殖智能系统，实现物联网技术的全面应用（颜波和石平，2014）。所有物联网技术的应用，构成了现代化畜禽养殖中各个主要应用系统，从而组成畜禽养殖物联网系统。5.2.3主要应用系统1.环境监控系统

畜禽养殖环境监控系统通过各种物联网技术的成用实现畜禽养殖场地的环境参数监测与控制，主要监测信息有：空气温湿度、光照强度、空气流通性等畜禽养殖热环境,这些参数不仅可以单独影响畜禽的体热调节，也可以通过共同作用来综合影响畜禽体热调节；空气中的CO2、NH3、CH4、H2S等有害气体，这些有害气体对畜禽的生长发育、环境的平衡、工人的工作效率和身体都会产生不良影响，通常，这些有害气体是通过畜禽的粪便、垫草的腐败分解、畜禽的呼吸及过量的饲料产生的。5.2.3主要应用系统1.环境监控系统信息采集模块：自动检测、发送和接收畜禽养殖场地中温湿度、光照、CO2、H2S、氨氮等信号。智能调控模块：完成对畜禽舍环境的远程自动控制。管理平台模块：完成对信号数据的存储、分析和管理，设置环境阙值，并作出智能分析与预警。5.2.3主要应用系统2.生理信息采集系统

基于先进物联网技术搭建畜禽生理信息智能监测及疾病预警系统，通过建立畜禽自身生长信息与生存环境信息远程采集、图像和视频智能监测及后台数据处理系统，实时监测畜禽的生长状况并对疾病及时发现，通过系统模型和相关领域专家给出预警信息和合理的诊断方案。疾病诊断系统主要包含疾病诊断数据库、远程专家诊断、疫情预警模型三个模块。疾病诊断数据库模块，通过动物医学经验推理结合后台数据库，完成对畜禽疾病的智能诊断：远程专家诊断模块，通过先进信息传输技术，实现畜禽疾病远程会诊和网上专家决策；疫情预警模型模块，通过疫情预警数据库，根据畜禽养殖场地的气候情况与本地疫情灾害等因素，协助完成畜禽疾病预警。5.2.3主要应用系统

3.繁殖育种系统主要运用先进传感技术、射频识别（RFID）技术、繁殖预测数据库技术，根据遗传基因最优原则，在音禽繁育过程中，利用现代监测手段记录母畜发情期、从而进行科学选配、优化育种，提高畜禽生育效率，缩短出栏期，减少生育畜禽饲养投喂量，进而提髙生产资料利用率，合理节约饲料，降低畜禽养殖成本。4.粪便处理系统该系统包含信息釆集模块、粪便收集模块和空气净化模块三个部分。信息釆集模块,利用温湿度传感器、氨气传感器、硫化氢传感器等完成对畜禽养殖场所的环境信息釆集;粪便收集模块，定时自动或手动完成畜禽养殖过程中的粪便收集；空气净化模块，当信息传感模块检测到畜禽养殖场中甲烷、氨气、硫化氢等有害气体超标时，自动釆取通风换气等措施。5.2.3主要应用系统5.全生命周期质量追溯系统

根据质量监管部门对畜禽健康养殖和肉品质量的相关要求，构建畜禽健康养殖全生命周期质量追溯系统，从而实现畜禽个体信息的全程可追溯。如图所示，畜禽个体将被佩戴上某种智能标签，如电子耳标，耳标中植入一个可以远程读写数据的电子芯片，这个芯片中可存储畜禽父辈，甚至祖父辈的相关信息，还有畜禽个体各生长期的生理信息，包括生长过程中的每餐饮食量、病疫与诊治记录、接种疫苗信息、配种信息、母禽怀孕及生育记录等信息，以及出栏后的屠宰、仓储、运输、销售等环节信息。该质量追溯系统不仅能够实现畜禽从出生到零售全生命周期信息的正向跟踪，同时也可以实现肉品零售终端到养殖信息的逆向溯源。5.2.3主要应用系统6.精细饲喂系统

基于畜禽生理特点的自动投料系统。该系统由护栏、传感器、自动投料机构、料槽、饲料称重机构、控制模块几部分组成。传感器感知畜禽进入饲喂站后，控制模块根据畜禽个体生长阶段、体重、活动量及上一阶段采食量确定饲料投放量，饲料称重机构实时记录料槽中的饲料量，当饲料量低于某预设值时，则添加饲料，直到畜禽离开。传感器、自动投料机构、饲料称重机构都由控制模块控制，控制模块与上位计算机进行通信，每次投料阈值、剩料阈值都可自行设定。当系统监测到某一畜禽的采食量不正常时，系统会自动报警。第五章畜禽水产养殖信息感知技术5.3

水产信息感知技术水产养殖业是我国农牧经济体中重要组成部分。73%水产量达全世界出口产品产量35%5.3.1水产养殖背景5.3.1水产养殖背景生产设施粗糙，经济基础薄弱养殖水域环境条件不断恶化养殖水域的二次污染十分严重水产资源遭到了严重损坏，水域生态失衡传统养殖模式的不利因素03040201养鱼先养水，好水养好鱼第五章畜禽水产养殖信息感知技术5.3.2水产信息感知系统5.3.2水产信息感知系统水产信息感知系统由智能水质传感器、无线传感网、增氧控制器和监控平台组成。第五章畜禽水产养殖信息感知技术5.3.3水产养殖水质感知技术5.3.3水产养殖水质感知技术

水体浊度与水中含有的悬浮物（如浮游生物、泥土、微细有机物、无机物、等）、胶体物相关，水质检测中定义一个标准浊度单位为1L水中含有1mgSiO2所构成的浊度，简称1度。浊度是光线与溶液中的胶体物和悬浮颗粒相互作用的结果，是一种光学效应，它体现的是光线在水中传播时受到阻碍的程度。浊度并不能直接测量，它描述的是液体里的胶体物和悬浮固体，因此，浊度是通过溶液的透射光或散射光的量来间接测量的。溶液的浊度越大，则透射光强度越小、散射光强度越大。浊度值是溶液中所有物质共同作用的结果，通过标准化的分析手段，浊度测量可以作为一种定量分析应用于水质监测。1.浊度5.3.3水产养殖水质感知技术浊度是反映水体物理性状的重要指标，可体现水的清澈或浑浊程度。浊度与水体中微生物指标有着明显的关联。浊度高的水体会促进细菌的生长繁殖，因为颗粒的表面可以吸附营养物质，因而使附着的细菌较游离的细菌生长繁殖更快。由于浊度能够降低消毒剂对微生物的影响，削弱对微生物的治理效果，从而增加水体需氯量与需氧量。浊度计作为水体浊度的测蛍设备，根据测量原理分为透射光式、散射光式和透射・散射光式等。其原理如下：当光线照射到水体中上，入射光的强度、透射光的强度和散射光的强度相互之间的比值与水体的浊度存在关联关系，通过测定三种光线的强度来实现水体的浊度的测量。光学式浊度计有用于实验室的，也有用于现场进行自动连续测定的。1.浊度5.3.3水产养殖水质感知技术水产养殖过程中，水温是非常重要的水体参数。鱼类作为变温动物，其体温与周围水温的差异在0.5〜1.7C,幼鱼的体温甚至是水温相同的。鱼类的体温的波动和新陈代谢强度的变化，直接影响着鱼类的进食量和生长状况。不同鱼类有着各自不同的温度适应范围。当温度升高时，鱼类新陈代谢过程加快，进食量增加，生长也随之加快。但另外一方面，水体中的溶氧量随着水温升高而大幅降低，水温上升乂加快了鱼类呼吸速率,耗氧量增高。加上池塘中其他耗氧生物的共同作用，水体中就很容易产生缺氧现象，对鱼类产生不利影响。另外，水温对池塘中氨敏等毒素的毒性、好氧性腐生菌的生长繁殖速率、多种疾病的发病率等都有相当大的联系。因此，水温是水产养殖活动中的重要感知参数。水温传感器原理与基于电化学原理的环境温度传感器相似，同样通过热电阻或热电偶等热敏材料构成温度感应器。2.水温5.3.3水产养殖水质感知技术溶解氧是水产养殖动物的生命要素。氧气是所有好氧生物生长繁殖的必要条件。由于空气中氧气的含量约为21%,含量稳定保持在较高水平，因此陆地上生物基本不存在氧气不足的情况；而水体中的溶解氧(dissolvedoxygen,DO)含量较少而容易受各种因素的影响而变化。一般情况下淡水中饱和溶氧量只相当于空气中氧气含量的1/20,海水中更少，因而溶氧量是限制鱼类生长繁殖的重要因素，也成为水产养殖中人们最为关注的水质因子之一。3.溶解氧1）溶解氧在水产养殖中的作用溶解氧促进好氧性微生物生长繁殖，从而加快有机物降解。减少有毒、有害物质的作用。抑制有害的厌氧微生物的活动。增强免疫力。2）水体溶解氣检测机制

碘量法、电化学探头法和荧光熄灭法

5.3.3水产养殖水质感知技术第五章畜禽水产养殖信息感知技术5.3.4pH（酸碱度）1）PH在水产养殖水体中的作用水体中微生物的生长繁殖也会受到pH变化的影响。pH过酸或过碱，都会对水体生产产生不利影响。在pH较低的水体中，磷酸盐受到影响而溶解，微生物活动受到抑制，整个水体中生物的新陈代谢变慢。水体超过碱性阙值时，将影响微生物的活性及其对有机物的降解，从而减缓了水体中物质的循环吸收和利用。养殖水体pH还影响水体的溶解氧、腐殖质的分解等。

因此及时检测发现水体pH的异常尤为重要。。2）PH检测方法试纸法、酸碱滴定法、电位测量法是几种常用的pH测量方法。5.3.4pH（酸碱度）第五章畜禽水产养殖信息感知技术5.3.5水体盐度1）盐度在水产养殖中的作用盐度主要影响养殖动物生长发育、鳃部氯细胞、血浆中电解质和琥珀酸脱氢酶的线粒体等方面。2）盐度检测机制

采用密度、导电率测量法。威尼尔盐度传感器就是釆用这种测量方法。在待测水体中，电流随着离子的移动产生流动，威尼尔盐度传感器测量两个电极在插入溶液时两极之间的通电能力。因此，待测水体中的离子浓度升高时导电率数值也会随之升高。由此可见，盐度传感器测量数据信号实际为电导，即为电阻的倒数。国际标准单位制中，电导的单位是西门子(siemens),通常水体测试中以微西门子(microsiemens)或μS单位测量。5.3.5水体盐度5.3.5水体盐度2）盐度检测机制盐度传感器电极间釆用的是交流电，这样可以防止溶液中离子完全迁移到两个电极中。如图所示，交流电的每个周期，电极的极性被扭转，这样离子流动的方向也随之反过来。这种设计防止了电解和极化等可能降低传感器精度的现象在两极发生。因此，盐度传感器不仅没有破坏正在测量的水体试样，也大大地减少电极氧化还原产品的形成。

第五章畜禽水产养殖信息感知技术5.3.6氨氮检测氨氮浓度对水产影响氨氮是现代渔业养殖中需要格外重视的水质指标。氨氮对水产养殖的主要影响根源在于非离子状态氨(NH3-N)的毒性。NH3-N能够影响养殖鱼虾的生长繁殖、新陈代谢活动和渗透压的平衡等，并对水体环境造成破坏。氨氮检测机制氨氮传感器使用的是离子选择电极技术来测量污水水样中的铵离子。如图所示，离子选择电极具有一种特殊的膜，只有特定类型的离子才可以吸附在该膜上。检测时膜表面上由于离子的吸附形成电势。想要测得吸附电势差，需要在传感器中加入参比电极。测量过程中由于温度和钾离子的影响产生偏差，通过内置的传感器芯片进行误差的纠偏。参比也极釆用差分pH技术，不会影响检测，也不会受待测水体的影响，因此非常稳定，没有漂移。5.3.6氨氮检测第五章畜禽水产养殖信息感知技术5.3.7亚硝酸盐1）亚硝酸盐对水质影响

亚硝酸盐是影响水产养殖中水质好坏的重要理化指标，亚硝酸盐含量升高，不仅说明养殖水体中溶氧量不足，水体受污染严重，同时也是鱼类疾病的前兆。当养殖水体中亚硝酸盐浓度超过0.1mg/L,将对水体中鱼虾等产生危害。《渔业水质标准》中规定养殖水质亚硝酸盐的含量应控制在0.20mg/L以下。2）亚硝酸盐检测机制亚硝酸盐传感器的工作电极（金电极）与养殖水体相接触，参比电极（银-氯化银电极）封装在电解液腔内，参比电极通过离子隔膜与外界溶液完成电荷交换。溶液中的NO-2直接在工作电极表面被氧化形成电流，溶液中NO2-；含量与形成的电流大小成正比。5.