一、概述

在畜牧業(yè)有一句行話：有奶沒奶在于配，奶多奶少在于喂。要實現(xiàn)奶牛及時的配種，及時準確地檢測出奶牛發(fā)情期至關(guān)重要。而傳統(tǒng)奶牛發(fā)情監(jiān)測效率低下，原因有很多種，如：65%左右的奶牛會在晚上9點到第二天凌晨4點發(fā)情； 奶牛發(fā)情表現(xiàn)規(guī)律不容易被發(fā)現(xiàn)； 配種時間不固定不易掌握； 高產(chǎn)奶牛發(fā)情持續(xù)時間短不易發(fā)現(xiàn)等。因此，奶牛的發(fā)情檢出率低會大大降低牛場產(chǎn)奶量，必須要做到奶牛一發(fā)情，老板就知情。

目前，業(yè)內(nèi)奶牛發(fā)情監(jiān)測系統(tǒng)大多基于近距離通信。此類系統(tǒng)需要在牧場架設(shè)基站，覆蓋差，價格高，不能及時準確地上報奶牛發(fā)情數(shù)據(jù)。 因此，急需支持大連接、廣覆蓋、低功耗、性能穩(wěn)定，性價比高的網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)現(xiàn)代化的奶牛發(fā)情監(jiān)測。NB-IoT技術(shù)很好地滿足了這一需求。

二、系統(tǒng)特點

NB-IoT是IoT領(lǐng)域一個新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)。NBIOT具有以下優(yōu)勢：

1.海量連接：每區(qū)可達10萬連接；NB-IoT比2G/3G/4G有50-100倍的上行容量提升，這也就意味著，在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現(xiàn)有無線技術(shù)提供50~100倍的接入數(shù)。

2.超低功耗：電池壽命長達十年；

低功耗特性是物聯(lián)網(wǎng)應用一項重要指標，特別對于一些不能經(jīng)常更換電池的設(shè)備和場合，如安置于高山荒野偏遠地區(qū)中的各類傳感監(jiān)測設(shè)備，它們不可能像智能手機一天一充電，長達幾年的電池使用壽命是基本的需求。在電池技術(shù)無法取得突破的前提下，只能通過降低設(shè)備功耗以延長電池供電時間。通信設(shè)備消耗的能量往往與數(shù)據(jù)量或速率相關(guān)，即單位時間內(nèi)發(fā)出數(shù)據(jù)包的大小決定了功耗的大小。數(shù)據(jù)量小，設(shè)備的調(diào)制解調(diào)器和功放就可以調(diào)到非常小的水平。NB-IoT聚焦小數(shù)據(jù)量、 小速率應用，因此NB-IoT設(shè)備功耗可以做到非常小，可以保障電池5年以上的使用壽命。

3．深度覆蓋：能實現(xiàn)比GSM高20db的覆蓋增益；

NB-IoT比LTE提升20dB增益，相當于發(fā)射功率提升了100倍，即覆蓋能力提升了100倍，就算在地下車庫、地下室、地下管道等信號難以到達的地方也能覆蓋到。

4．安全性：繼承4G網(wǎng)絡(luò)安力，支持雙向鑒權(quán)以及空口嚴格加密，確保用戶數(shù)據(jù)的安全性。

5．穩(wěn)定可靠：能提供電信級的可靠 性接入，有效支撐 IoT 應用和智慧城市解決方案。

NB-IoT直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，即可與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基站復用以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級，但是使用單獨的180KHz頻段，不占用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的語音和數(shù)據(jù)帶寬，保證傳統(tǒng)業(yè)務和未來物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務可同時穩(wěn)定、可靠的進行。以智能抄表應用為例，與采用有線PLC抄表數(shù)據(jù)回收成功率在60%左右相比，NB-IoT可以保證數(shù)據(jù)成功回收率達高，可靠性大大提高。

6. 低成本

低速率低功耗低帶寬帶來的是低成本優(yōu)勢。速率低就不需要大緩存，所以可以緩存小、DSP配置低;低功耗，意味著RF設(shè)計要求低，小PA就能實現(xiàn);因為低帶寬，就不要復雜的均衡算法。這些因素使得NB-IoT芯片可以做得很小。芯片成本往往和芯片尺寸相關(guān)，尺寸越小，成本越低，模塊的成本也隨之變低。

可用于奶牛佩戴的集成了NB-IoT終端的奶牛管理系統(tǒng)具有以下特點：

?NB-IoT技術(shù)可支持5年終端電池功耗、覆蓋可達5公里、支持大容量終端同時上報數(shù)據(jù)，并且可在室外嚴酷環(huán)境下工作，很好的滿足了客戶需求，統(tǒng)一了此前存在的各種近距離通信技術(shù)。

?基于NB-IoT芯片開發(fā)的奶牛專用信息采集終端，即戴即用，奶農(nóng)無需自建網(wǎng)絡(luò)，加速了牛聯(lián)網(wǎng)的推廣。

?由于采用了基于NB-IoT的牛聯(lián)網(wǎng)項目，奶牛發(fā)情檢測成功率大大提高，增加了奶牛場收入。

三、系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要有監(jiān)控管理軟件、奶牛佩戴的NB-IoT項圈構(gòu)成。

1、NB-IoT項圈

每一頭奶牛佩戴一個NB-IoT項圈，這個項圈集成了NB-IoT無線通訊模組，實現(xiàn)奶牛相關(guān)數(shù)據(jù)檢測，主要完成數(shù)據(jù)的采集和處理、控制輸出和進行數(shù)據(jù)通信、報警、接收遠程命令、開關(guān)等功能。

2、數(shù)據(jù)監(jiān)控中心

監(jiān)控中心由監(jiān)控主機、人機接口、相關(guān)外設(shè)及與無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)接口等部分組成。對各遠端監(jiān)控點采用輪詢或并行詢問方式，完成監(jiān)測、控制、采集、預警等多重任務。

監(jiān)控系統(tǒng)軟件是集奶牛的監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與一體，并通過群控或組控實現(xiàn)對不同的監(jiān)控終端進行控制的系統(tǒng)軟件。具有數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)采集、報警處理、報表打印、圖形人機界面、系統(tǒng)安全性控制、自動巡測終端、報警及多種時間表等眾多功能。

四、可靠性

本系統(tǒng)需要較高的系統(tǒng)安全保障和穩(wěn)定性。安全保障主要是防止來自系統(tǒng)內(nèi)外的有意和無意的破環(huán)，網(wǎng)絡(luò)安全防護措施包括信道加密、信源加密、登錄防護、訪問防護、接入防護、防火墻等。穩(wěn)定是指系統(tǒng)能夠7×24小時不間斷運行，即使出現(xiàn)硬件和軟件故障，系統(tǒng)也不能中斷運行。

數(shù)據(jù)中心通過公網(wǎng)使用https接入物聯(lián)網(wǎng)平臺，從認證到數(shù)據(jù)傳送整個過程得到了加密保護，安全性比較高，可充分保障速度和網(wǎng)絡(luò)服務質(zhì)量。

五、總結(jié)

采用了基于NB-IoT的奶牛管理系統(tǒng)，預計可以將奶牛發(fā)情檢測成功率從75%提高到95%。按每頭牛每天單產(chǎn)30公斤，每公斤3.6元，情期21天計算，少漏配一個情期，每頭牛可增加收入2268元。