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牛联网:NB-IoT成就全能“小牧童”

2018年01月27日 文/张海 陈华 刘建峰

中国奶牛养殖产业正在向规模化、集约化、科技化方向发展。中国电信抓住机遇,以创新的牛联网产品“小牧童”切入奶牛养殖市场,受到了广泛关注,也带来良好的经济效益。


中国奶牛行业现状

中国奶牛养殖产业具有发展潜力大、能力差距大两个特点。

从奶牛存栏量看:中国的奶牛养殖规模经过十余年的持续增长,目前已经基本稳定,2015年中国奶牛存栏量为1469万头,位居印度、欧盟(27 国)和巴西之后,近五年复合增长率为0.5%。

从人均乳制品消耗量看:2016年,中国人均乳制品折合生鲜乳消费量为36.1千克,约为世界平均水平的三分之一,这与中国经济发展水平严重不符,也显示出中国乳制品消费需求的巨大潜力。

从奶牛单产和养殖水平看:中国奶牛年单产约6吨左右,在世界处于中等水平。相比之下,印度是典型的以散养模式养殖的国家,奶牛年单产量最低,仅1.22吨;以美日韩为代表的国家以圈养为主,奶牛年单产量均超过9吨。中国100头以上奶牛牧场存栏比例为48%,而美国该比例超过80%。

奶牛体征监控是规模化养殖的关键

以中国广泛养殖的荷斯坦奶牛为例,其出生14个月后进入体成熟和性成熟期,可以进行第一次配种;经过280天孕期产子后,进入300天的产奶期;头胎牛在产后55天可以再次配种,二胎及二胎以上的牛产后50天可再次配种。奶牛每21天进入2天发情期,在此期间,可以对奶牛进行配种。

然而对于每头奶牛而言,其个体生理周期具有差异性。奶牛场只有抓住奶牛的发情期成功配种,才能获取最大收益。综合考虑产奶量降低、产仔收益、牧场综合成本等因素,漏配一个发情期则每头奶牛损失效益约2000元。

当前,奶牛场大多通过兽医人工检查的方式,包括直肠检查、行为观察、尾根喷漆等,监控奶牛的发情状况。但是,约65%的奶牛会在晚上9点至第二天凌晨4点发情,且不同奶牛发情表现规律不同,发情后最佳配种时间不固定,高产奶牛发情持续时间短,容易错过。因此,人工检查对奶牛发情检出率低于75%,且需要兽医值班巡查,劳动强度大,人力成本高。

对于错过发情期的奶牛,部分奶牛场采取同期发情的手段,即给奶牛打激素针,三天后进行统一配种。这种方法的配种成功率比自然发情低9%,干扰奶牛生理周期,不仅因为激素残留降低牛奶品质,而且损害奶牛健康,多次注射后会导致奶牛抵抗力降低,寿命缩短。

奶牛场要想提高规模化养殖的效益,就必须利用科技手段对奶牛进行体征监控。“智能牛项圈”应运而生,它能实时测量奶牛的运动状态等体征数据,通过小基站(读写器)收集所有牛项圈监测数据,再通过3G或4G方式上传至信息管理平台。小基站与牛项圈通过ZigBee等短距离通信方式传输数据。奶牛信息管理平台可对每头奶牛体征数据进行大数据建模,从而全面掌握奶牛的健康状况,比如判断奶牛是否生病及具体生理周期等。饲养员通过分析数据,可对奶牛进行科学喂养,及时治疗与配种。

相比人工检查,智能项圈方案可以提高奶牛的发情检出率和受胎率,节约配种成本,避免激素的负作用。但是,这一方案也存在不少问题。

安装复杂:现场需要安装小基站,并通过运营商网络回传,对人员技术水平要求高。

故障率高:牧场环境恶劣、供电条件差、SIM卡欠费等因素,导致系统可靠性低。

成本高企:中小牧场难以普及,大型牧场负担重。

NB-IoT成就全能“小牧童”

为了开拓畜牧行业市场,2017年2月起,中国电信联合华为和银川奥特,通过解决方案与商业模式创新,推出基于NB-IoT的牛联网产品“小牧童”,极大地改进了传统奶牛监控系统。

技术方案

“小牧童”将智能项圈中的通信方式,由ZigBee替换为NB-IoT技术,项圈数据可直接通过NB-IoT网络传输到中国电信物联网开放平台,然后进入部署在天翼云上的奶牛信息管理平台。奶牛场管理层、饲养员、兽医等通过网页或手机客户端,可以实时获取奶牛体征信息。

作为中国电信集成的产品,“小牧童”由中国电信面向牧场进行销售与服务。因此,端到端的可靠性保障是规模商用的重点。

功耗:因项圈需要终身佩戴,且奶牛场环境恶劣,终端要求IP65级防护,电池续航时间不能少于5年,项圈的MCU和传感器都采用低功耗产品。在奶牛体征监控场景中,数据需要3小时上报一次,上报频度远高于智能抄表一天一次的频率。增加电池,不仅增加成本,也增加了项圈重量,因此项圈对功耗的要求极为苛刻。

在解决方案设计中,除了开启PSM等NB-IoT常规节电特性外,额外推动芯片、基站、核心网配合支持CDRX特性和RA特性。开启CDRX特性后,使得项圈终端续航时间从5年延长到6年。开启RA特性后,进一步延长到7年。

拥塞:大型奶牛场的奶牛数量动辄一两万头,而项圈终端每天上报数据八次,因此多终端接入是非常常见的场景。在实验室测试中发现,多个终端同时上报业务,会导致基站底噪抬升,无法接入。

在解决方案设计中,采用Backoff、Preamble参数优化等手段,提升了系统健壮性。终端侧也通过错峰机制,分散接入网络上传数据,更好地适配了NB-IoT网络的特性。

“小牧童”当前已完成与中国电信物联网开放平台的对接,平台支持芯片固件升级与设备MCU软件升级、端到端快速故障定界、百万级并发亿级连接能力,这些都将保障产品的规模化发展。

商业设计方案

运营商要想在物联网领域获得更多收益,就不能只提供连接,还要提供连接管理平台和应用使能平台,同时引入合作伙伴的行业解决方案,即上层应用和终端,向行业客户提供端到端的解决方案,从而获取连接之上的溢价,并且提升客户粘性。通过与运营商合作,合作伙伴可以基于应用使能平台专注于行业应用开发,借助运营商覆盖全国的渠道快速获取用户,并且分享获得的收益。行业客户无需具备IT能力,也可享受到物联网业务带来的效能提升。

“小牧童”产品的商业模式,就是按照上述模式来设计的,这使得中国电信的NB-IoT网络、销售渠道、客服能力等得到最大化应用,使其跨越卖管道、卖平台的阶段,直接卖服务,从行业旁观者成为主导者,销售收入比纯粹管道销售增加4-5倍,并且形成了中国电信自己的生态,为未来发展绿色食品溯源等各种新应用做好准备。

市场进展与展望

凭借良好的技术方案与商业模式设计,“小牧童”产品获得了市场的热烈追捧。2017年8月,中国电信宁夏分公司与宁夏上陵牧业股份有限公司签约5万套“小牧童”。9月,在中国电信集团副总经理陈忠岳的见证下,中国电信与内蒙古、山东、陕西、辽宁、宁夏等5省区牧业公司签约126万套“小牧童”。此外,该产品还得到了亚太、拉美等地运营商的广泛关注,正在积极交流试点。

“小牧童”的应用不仅仅局限于奶牛养殖场。在家畜饲养行业,例如驴、马、羊、猪等,都有利用技术手段监控动物健康、生理周期、位置等信息的需求,从而科学地缩短胎间距,提升繁殖效率。到2020年,全球需要连接的动物,乐观估计将超过10亿。

通过NB-IoT等ICT技术将动物连接起来,助力畜牧行业整体升级,实现科学饲养,不仅能提升行业效益,降低药物使用率,同时也将提高畜牧产品的品质,必将迎来更为广阔的发展前景。

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