大型養豬場健康養殖智能化監控系統設計與實現

劉持標等

摘 要：影響大型養豬生產的因素主要包括飼料的種類、飼料的質量、疾病、生長環境和管理水平，其中環境因素約占20%～30%，這包括豬生長環境的溫度、濕度、光環境、氨氣及硫化氫等有害氣體。環境因素對養豬業的重要作用已被國內外大量的科學實驗和生產實踐所證實。文章基于物聯網技術，開發了大型養豬場智能監控系統，通過該系統可對豬場環境信息實施在線監測，及時了解豬的生長環境變化和生長狀態變化。根據實時監測結果，也及時采取各種措施來應對豬場生產環境的各種變化，進而提高養豬場的經濟效益。

關鍵詞：物聯網；大型養豬場；智能監控；氨氣；硫化氫

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）08-00-07

0 引 言

隨著社會經濟的發展，人們的收入水平得到了提高，對肉類消費的需求也在升高，使得我國居民豬肉消費保持平穩增長。自2000年以來，我國居民豬肉消費占肉類總消費量的60%以上，豬的健康養殖對提高國人的生活水平具有極其重要的作用。近年來，隨著不斷提高養豬的飼養技術水平和科學管理水平，生豬產業也從家庭式的零星飼養向集約型的大型養豬場生產過渡[1，2]。而大型養豬場一般都采用三點式隔離飼養技術[3]，將母豬場、保育場和生產育成場分別隔離開來。

1 大型養豬場的自動監測及聯動控制

圖1所示是一個具有2 500頭母豬的的大型養豬場的三點式隔離飼養模式養豬場的示意圖。圖1表明，有著2 500頭種母豬的養豬場，占有一個相對集中的養豬地點，每周可生產1 000頭仔豬。同時，該種母豬場的建筑地點距離保育場1000米以上。飼養小豬的保育場離生長成年豬的生長育成場間隔1 000米以上的距離，每個保育場一般由4個臨近的養豬點組成。保育場的每一個養豬點有1～2個養豬區，每個區可養殖1 000頭小豬。生長育成場一般有9個養豬點，每個點有1～2個養豬區，每個區可養殖1 000頭豬。這種隔離式的飼養方式可以有效阻擋豬的疾病傳播，有利于各類豬的健康成長。

對于生豬產業，大型養豬場一般建在遠離城市的地方，開發養豬場監控系統可以幫助管理人員在不到現場的情況下，實現豬場生產的監督和管理。同時，根據需要還可以通過遠程視頻監控系統邀請專家，向豬場提供遠程指導和治療。此外，一套監控系統可以有效地實現豬場信息管理，大大減少人員數量，有效地提高養豬業的管理水平。但目前，市場上所使用的養豬場管理系統效果均不理想[4-6]，這些系統還不能解決我國大型養豬場監控所面臨的關鍵問題。

第一，目前還沒有成熟高效的養豬場生長環境數據自動收集技術。大型養豬場每天需要測定大量的數據，依靠傳統的人工數據收集及管理方法，效率十分低下。同時，基于人工的數據管理方法也很難保正數據管理的準確性、及時性和連續性，這都成為制約養豬場生產工藝改良的瓶頸。

第二，目前還沒有經濟且行之有效的監控技術來智能調控豬的生長環境及高效觀察豬的行為特征。養豬業生產主要受養殖品種、飼料種類和質量、疫病、生長環境和管理水平等因素的影響[7]，其中環境因素所起的作用約占20%～30%。豬舍環境因素包括溫度、濕度、噪聲、光照和有害氣體等。豬的生長環境溫度過高，會造成種母豬子宮內熱超高，胎兒溫度升高，造成體內胎兒中毒或窒息死亡。同時，種母豬妊娠后期是胎兒體重增加的關鍵時期，高溫會影響胎兒的正常發育，造成胎兒出生體重低，出生后生長緩慢。對于不同種類豬而言，其適宜的生長溫度范圍也不同，比如種公豬為17～21 ℃；妊娠種母豬為18～21 ℃；哺乳仔豬為29～33 ℃。

由于大型養豬場涉及的監控參數較多，同時需要采取的措施較多，導致勞動強度過大，各種監控困難接踵而來。為此，本文開發了一個大型養豬場高效管理系統，它可對養豬場的養殖環境進行自動監測及相關聯動控制。

2 養豬場監控系統的軟硬件整體設計

整合先進的物聯網信息化技術建立生豬生長全過程智能監控系統，其功能包括視頻監控功能、自動水簾降溫功能、自動風機換氣功能、恒溫熱風功能及信息化管理功能。

2.1 養豬場監控網絡設計

圖2為大型養豬場監控系統的網絡拓撲圖，所開發的系統可以對大型養豬場各個地點的豬舍進行監控。由圖2 可知，各個豬舍中的各類傳感器和攝像頭可廣泛采集各種數據，并將數據通過網關傳輸到養豬場監控數據服務中心，以對獲取的大量生豬養殖數據進行分析、處理及顯示。

所建設的養豬場智能監控系統可實現生豬養殖的全過程監控、科學管理和即時服務，進而實現養豬業集約、高產、高效、優質、生態和安全的目標。具體的系統功能包括視頻監控功能、環境遠程監測功能、環境調節設備遠程控制功能和報警功能，分別敘述如下：

第一，視頻監控功能可以實時地傳送活動圖像信息到用戶客戶端。同時，客戶端還可以控制前端攝像機，改變攝像角度、方位、鏡頭焦距等，從而實現對現場大范圍的觀察和近距離的特寫；

第二，通過環境遠程監測和設備控制，可對現有豬場設備如水簾、風機、加熱器等進行遠程操作；

第三，利用報警功能，用戶可根據需求在智能平臺上設置閾值，當采集到的環境數據超過閾值的時候，系統可以進行自動報警。

2.2 大型養豬場監控系統的Web服務設計

圖3所示是大型養豬場智能化管理平臺系統所包含的功能模塊。它包括登錄管理、系統首頁顯示、公告中心、信息總覽、地理位置、特殊操作和用戶注冊等。其中，信息總覽是本系統的核心模塊，它包括用戶管理、配置管理、監控管理、文章管理和智能管理。

登錄管理模塊主要實現管理員登錄功能。成功登錄后，系統可發送短信及郵件提醒。系統首頁模塊主要包括圖文導讀、公司新聞、產品介紹、聯系方式和專題網站5個部分。公告中心模塊主要實現后臺編輯相關文章內容的展示。地理位置模塊主要實現代表養殖區域的紅色標注的百度地圖展示。

信息總覽模塊的主要功能包括監控管理、配置管理、用戶管理和智能管理。監控管理包括圖像監控、視頻監控、環境監控和設備監控。其中，圖像監控主要實現以圖片形式對豬舍進行監控；視頻監控主要實現以視頻播放的形式對豬舍進行監控；環境監控主要實現綜合性監控，包括設備控制及視頻、環境數據的監控；設備監控主要實現對設備進行監控管理，包括攝像頭、網關、節點、繼電器及其它水電氣設備（如燈、風扇等）。

配置管理是大型養豬場智能監控系統的一個重要模塊，它主要實現區域配置、豬棚配置、豬舍配置和設備配置功能。區域配置主要實現對養豬場區域的增刪改查配置；豬棚配置主要實現對豬棚的增加、刪除、修改和查找配置；豬舍配置主要實現對豬舍的增加、刪除、修改和查找配置；設備配置主要實現對設備的增刪改查配置。

用戶管理主要包括個人信息管理與用戶列表及操作管理。個人信息主要實現對管理員信息的查看及修改，包括頭像修改、密碼修改和基本信息修改；用戶列表主要實現對用戶基本信息的查看、修改及賬號凍結和解凍等操作。文章管理主要實現 “系統首頁”和“公告中心”內容的編輯。智能管理主要實現對指定的豬棚設定相應的自動化管理模式。

特殊操作模塊包括權限管理、角色管理、用戶管理和日志管理。權限管理主要實現對系統用戶的權限進行查詢及編輯操作；角色管理主要負責對角色的增加刪除修改查找和為指定角色分配權限；用戶管理主要實現用戶角色授予的編輯及清空權限的操作；日志管理主要實現管理員有關寫操作的記錄。另外，用戶注冊模塊主要實現注冊新的管理員，但新管理員并沒有任何權限，需要超級管理員后臺授予相關權限。

2.3 養豬管理平臺主要數據庫表格設計

養豬場實時監控過程中，各種數據匯集到智能養豬場監控系統信息平臺所在的數據服務中心，該中心可以使用Oracle、MySQL及MS SQL Server等數據庫來管理及存儲數據。該系統建立所涉及的主要數據表格包括用戶表（Adminuser）、網關表（Gateway）、傳感器表（Sensor）、傳感器數據表（Sensor_Data）和控制命令表（Controlorder）。各個表格之間用主鍵外鍵之間的關系進行聯系，這些表格的詳細信息分別介紹如下。

用戶表如表1所列，用戶表（Adminuser）由一個主鍵和九個信息字段組成，主要用來保存用戶的各種基本信息。其中Userid為用戶表的主鍵，用來唯一標示用戶表中用戶的信息。

網關表如表2所列，網關表（Gateway）由一個主鍵和九個信息字段組成，主要用來保存網關的各種基本信息。其中Gatewayid為網關表的主鍵，用來唯一標示網關表中網關的信息，User_way是對應用戶表在網關表上的外鍵，表示這個網關屬于哪個用戶，其他字段的信息在下面表中有備注。

表3是傳感器表，傳感器表（Sensor）由一個主鍵和七個信息字段組成，主要用來保存傳感器的各種基本信息。其中Sensorid為傳感器表的主鍵，用來唯一標示傳感器表中傳感器的信息，Sensor_user是對應用戶表在傳感器表上的外鍵，表示這個傳感器屬于哪個用戶，Sensor_ways是對應網關表在傳感器上的外鍵，表示這個傳感器屬于哪個網關。

表4是傳感器數據表，傳感器數據表（Sensor_Data）由一個主鍵、兩個外鍵和二個信息字段組成，主要用來保存傳感器數據的各種基本信息。Isensor是傳感器數據的主鍵，用來唯一表示傳感器數據的唯一信息。其中Igateway是對應網關表在傳感器數據表上的外鍵，表示這個傳感器屬于哪個網關。由于整個應用對數據的操作頻繁，且操作過程主要依靠數據所屬的網關（Gateway）、傳感器（Sensor）等信息來查詢，所以在兩列Igateway， Isensor上建立索引。如果數據表中的數據增刪改過于頻繁，系統會花費更多時間來維護索引，從而降低了效率，所以數據表中不宜建立太多索引。

表5為控制命令表，控制命令表（Controlorder）由一個主鍵和十個信息字段組成，主要用來保存命令表的各種基本信息。其中Ccontrolid為命令表的主鍵，用來唯一標示命令表中傳感器的信息，Order_user是對應用戶在命令表上的外鍵，表示這個命令屬于哪個用戶。Order_dayways是對應命令在命令表上和網關相關的外鍵，表示這個命令屬于哪個網關。Order_sensor是對應命令在命令表上和傳感器相關的外鍵，表示這個命令屬于哪個網關的相關傳感器。其它字段的信息在表中有備注。

2.4 MySQL的安裝及配置

MySQL數據庫被用于數據的存儲及處理。MySQL數據庫具體的安裝步驟包括7個部分，分別敘述如下：

（1）在安裝過程中可選Typical安裝方式，該方式可以安裝MySQL數據庫的常用程序，滿足一般程度的數據庫應用；

（2）點擊Developer Components前面的X號，選擇下拉列表中的第二項：“This feature， and all subfeatures， will be installed on local hard drive”，點擊Next，確認選項無誤后，點擊install開始安裝；

（3）在安裝過程中，點擊Next，再點擊Next，在紅框內的選擇打鉤，意思是現在就配置MySQL數據庫服務器，然后點擊finish完成配置步驟；

（4）在隨后的MySQL配置助手首頁，點擊Next。然后，選取Detailed Configuration選項來進行MySQL數據庫實例的詳細配置，并點擊Next；

（5）在數據庫連接并發數配置中，配置頁面選擇能同時連接到MySQL數據庫服務器的最大數目。數據庫連接的配置有Decision Support（DSS）/OLAP（20個左右連接）、 Online Transaction Processing （OLTP）（500個左右連接）和 Manual Setting（手動設置連接數目）三個選項， 可在這里選擇第一個選項，并點擊Next進入另一個配置頁面；

（6）點擊Next進入數據庫用途選項。MySQL服務器的用途包括 Multifunctional Database （通用多功能型）、 Transactional Database Only （專注于事務處理型）和Non-Transactional Database Only （非事務處理型），這里選擇第一個通用多功能型，點擊Next。這一步為innodb數據庫實例選擇一個存儲空間，默認為存儲在數據庫的安裝目錄下，不用修改，點擊Next；

（7）數據庫服務器的網絡通信配置可啟用TCP/IP。如果啟用了TCP/IP，就可以通過IP， 在網絡上訪問到此MySQL服務器，默認端口是3306。

數據庫服務器的配置包括字符集的配置、操作系統相關配置和數據庫安全配置，分別敘述如下：

（1）在數據庫字符配置頁面中，有三種字符配置選項：Standard Character Set（西文字符）、Best Support For Multililngualism （UTF8字符）和 Manual Selected Default Character Sec/Collation（手動選擇一個字符集）。這里配置的字符集就是指在創建數據庫的時候，如果沒有指定字符集，就采用這里設置的默認字符集；如果指定了，則以創建數據庫時指定的字符集為準。如果整個監控系統都用一個字符集的話，可以在這里設定好，然后每次建數據庫和數據表的時候就不用指定了。這里手動選擇UTF8，并點擊Next；

（2）在Windows操作系統相關配置頁面中，第一項是選擇是否安裝成為Windows的一項服務，如果勾選了，則可以通過Windows的控制面板→ 管理工具→服務來開啟或停止MySQL服務器。選項“Launch the MySQL Server automatically”是開機自動啟動此服務；另一選項是選擇是否將BIN目錄加到Windows的PATH變量中去，如果勾選了，則可以通過dos控制臺直接執行MySQL命令；

（3）在數據庫安全選項配置頁面中，第一項是為MySQL服務器的root帳戶設置密碼，需要輸入兩遍。下面的Enable root access from remote machines意思是是否允許root帳戶從遠程計算機訪問，如有需要可以勾選這個選項；但一般而言處于安全策略，不要勾選這個選項。另外一個選項為創建一個匿名賬號，出于安全考慮，不要勾選。

所有配置都已準備好了后，點擊Execute執行配置后的安裝操作。在使用MySQL數據庫的過程中，可使用dos命令 “net stop mysql”與“net start mysql”重新啟動數據庫。利用“mysql –u root -p”登錄MySQL后，使用“show global variables”命令可查看數據庫的相關變量配置。

3 監控系統的硬件實現

在大型養豬場管理系統的開發過程中，我們選取了大型養豬場中一個大約500平方米的豬舍來進行硬件的安裝，所需的硬件配置如表6所列。根據所監控豬舍數目的變化，設備配置的數目可進行相關調整。

3.1 設備介紹

無線繼電器PC控制盒可實現網關對各路電器設備的電源的“開”或“關”進行無線方式控制，它擺脫了有線繼電器需要拉很長電線的制約。PC智能控制盒通過使用RS 232接口同網關進行通信。通過標配的無線遙控模塊，可以發射無線信號來控制可視距離1 000米范圍內的無線繼電器設備。與PC智能盒進行無線通信的設備為無線繼電器控制終端，它也被稱為C型控制盒。C型控制盒為無線繼電器電路控制部分，該終端使用250 V AC 10 A優質繼電器，可以單獨控制功率為2 500 W的設備。

氨氣傳感器用來測量環境中氨氣的濃度。在監控系統開發過程中，利用MQ137氣體傳感器來測量氨氣的濃度。MQ137的氣敏材料是二氧化錫，其電導率隨氨氣濃度的變化而變化，加上適當溫度補償，可以測出相對準確的氨氣含量。同時，硫化氫傳感器用來測量環境中硫化氫的濃度。所開發的監控系統利用MQ136氣體傳感器來測量空氣中硫化氫氣體的濃度。

養豬場溫濕度數據是通過SHT11系列單芯片傳感器來獲取的。SHT11傳感器的內部結構如圖4所示，它是一款溫濕度復合傳感器。該產品的內部結構包括溫度傳感器、濕度傳感器、運算放大器、校準寄存器、A/D轉換器和串口接口等。該傳感器具有品質卓越、超快響應和抗干擾能力強等優點。

本監控系統所使用的CO2傳感器為紅外吸收型二氧化碳傳感器，它具有測量范圍寬、靈敏度高和抗干擾能力強等特點。所使用的光照傳感器模塊采用光敏電阻，該傳感器的測量范圍為0～1 400 W/m2，可對全光譜進行檢測， 傳感器的輸出為線性電壓信號。

3.2 網關制作

監控系統開發過程中所使用的網關設備是由常見的嵌入式設備來進行組裝的，該嵌入式設備上可運行Android、Debian或Ubuntu等Linux操作系統。所使用的硬件設備擁有多個USB接口和多個RS 232串口，可用來進行多種傳感器的數據收集和多種設備的遠程控制。

用串口線連接PC控制盒和網關，并將PC控制盒接上電源。圖5所示是養豬場智能監控系統的硬件設備及其連接方式示意圖，其中USB線一端的轉串口接口連接PC控制盒，USB線的另一端通過USB接口連接網關。網關可以通過PC控制盒發送控制命令給無線繼電器，以此來實現通風設備、加熱設備和送水設備的自動開閉。網關采用自動識別程序，能自動識別新接入的串口。

同時，ZigBee傳感器基站也通過USB轉串口線連接到網關。網關通過基站收集各種傳感器的數據，并使用Httppost方式將數據發送到服務器。Httppost是客戶端與Web服務器進行數據交互的一種方法。Httppost數據傳輸方式把提交的數據放置在Http包的包體中。理論上，利用Httppost所傳輸數據的大小是不受限制的，但實際各個Web服務器會對post提交數據的大小進行限制，Apache、IIS6都有各自的配置。當Web服務器接收到來自Httppost方式發來的數據后，專門的Web服務程序會對數據進行解析，并將其存儲到數據庫中。

4 養豬場監控系統的功能實現

大型養豬場監控數據服務中心接收網關發來的傳感器及視頻數據，在對數據進行分析和處理后，通過Web服務器向用戶展示。同時，用戶可通過Android手機客戶端或者PC客戶端對遠程設備進行控制，控制命令通過Web服務器轉發給安裝在養豬場豬舍中的網關。網關通過RS 232或者RS 485串口向繼電器設備發送控制命令來實現通電電路打開和關閉，進而控制設備的運行。本系統運用了模塊劃分的方式來進行開發，主要模塊的功能設計與實現分別介紹如下：

4.1 系統登錄界面

管理員需要輸入賬號、密碼及驗證碼，經后臺驗證通過后才算登錄成功。成功登錄后，系統會自動給管理員發送郵件提示。登錄界面設計及實現如圖6所示。

4.2 養豬場的地圖顯示

圖7所示是養豬場監控系統地理位置顯示界面。通過地圖可顯示養豬場不同地點養殖區的分布，可選擇局部區域或者大范圍區域進行查看。用戶點擊紅點可看到該養殖區的基本信息，并可進入該養殖區域進行監控管理。

4.3 靜態數據管理

圖8所示是靜態數據管理界面，通過區域管理模塊可實現對用戶、養殖區、設備等靜態信息的基本管理，包括增加、刪除、修改和查詢等操作。

4.4 傳感器實時數據分析處理及動態顯示界面

圖9所示是實時數據監控頁面，通過實時數據處理模塊可對收集的各種傳感器數據進行處理，并通過報表的方式顯示實時環境監控信息以及網關下屬傳感器組成比例等信息。報表方式有折線圖、時序分布圖和餅狀圖等。同時，用戶通過查看報表可更直觀地了解養豬場的實時環境信息。

4.5 養豬場視頻監控

視頻監控如圖10所示，用戶進入養殖區域管理界面后，點擊Web頁面的相關連接，可以通過控制攝像頭查看豬舍現場視頻，觀察豬的生長情況。同時，還可以對遠程攝像頭作出一些控制，比如上下左右的移動和拍攝存儲等。

4.6 設備的手動控制及智能化控制管理界面

養豬場設備的手動控制如圖11所示。用戶通過查看養豬場不同區域的數據分析后，如發現養殖區環境因素不在合適的范圍內時，可主動對遠端的相應設備進行控制。

通過圖11所示的管理界面，還可實現溫濕度調節、光照調節及加強空氣流通性等。例如，當溫度過高的時候，對風扇、水簾（電磁閥）進行控制，實現對豬舍的降溫處理；當空氣中的有害氣體成分過高時，對門窗，風扇等進行控制，加強空氣的流通性等。

同時，為了避免對豬舍環境調節的不精確性，以及人工監控的不足，還可以通過設置“智能模式”來實現對養豬場環境的智能化調節。通過設置傳感器的參數，并啟用該模式，服務器將會傳輸相關的配置參數到不同的網關，并將智能化控制參數存儲到網關的嵌入式數據庫中。網關根據嵌入式數據庫控制命令管理表格中的參數，對各自收集的數據做出分析處理，在無須人工干涉的情況下，就可實現對設備的智能控制，達到養豬場生長環境自動調節的目的。

5 Android手機客戶端監控管理

手機客戶端的用法主要是根據使用者的習慣來設計的。手機客戶端頁面大致有歡迎頁面、登錄頁面、區域顯示頁面、個人信息頁面、數據動態頁面、控制調節頁面、圖像監控頁面和警報分析頁面等。

為了開發大型養豬場智能化管理平臺手機客戶端并實現其主要功能，需要實施以下幾個主要步驟。包括搭建軟件開發框架、收集程序開發資料、手機客戶端和服務端交互、手機客戶端顯示數據、手機客戶端控制設備、播放實時視頻及警報分析等，具體分別敘述如下：

（1）搭建Android開發環境，安裝JDK，在系統中運行Java程序，并進行簡單試驗測試環境是否搭建成功；

（2）收集跟需求相關的開發資料，了解每個流程使用的組件，熟悉每個組件，搭建手機客戶端的基本框架；

（3）使用JSON字符串，實現客戶端和服務端的數據交互，并對字符串進行相關的解析；

（4）手機客戶端接收來自服務端的傳感器數據，解析后顯示在手機客戶端中；

（5）使用手機客戶端對設備進行控制，實現設備的開關功能；

（6）使用手機客戶端查看當前攝像頭所拍攝到的實時環境信息；

（7）根據養豬場區的各種信息，對場區的各種警報因素進行分析，并使用圖表的方式進行顯示。

5.1 手機客戶端登錄頁面

手機登錄頁面如圖12所示，用戶登錄后，可以從這個頁面進入功能操作頁面。主要功能模塊包括數據動態、控制調節、圖像監控和警報分析。其中，數據動態頁面如圖13所示，它可以顯示當前登錄用戶所管理豬舍的實時環境信息。

5.2 控制調節與圖像監控

豬舍設備的控制調節頁面如圖14所示。控制調節的實現是基于手機與服務器之間的命令交互來實現的。手機發送設備控制命令到Web服務器，其進一步將命令發送給管理特定設備的網關，實現設備的“打開”或者“關閉”，從而控制豬舍的生長環境。

養豬場手機客戶端圖像監控頁面如圖15所示。當管理人員出門在外時，可以通過移動通信網絡隨時隨地由Android客戶端登錄服務器，實現對養豬場的遠程視頻監控管理。當觸摸特定攝像頭旁邊的“進入”按鈕時，也可以看到特定攝像頭所監控豬舍的實時環境圖像信息。

6 結 語

本論文運用C編程技術、Java編程技術、物聯網信息化技術及數據融合技術，開發了大型養豬場健康養殖監控系統。本監控系統包括Web服務器端及智能手機客戶端。Web服務器端的開發是基于Java EE企業級平臺及使用Struts、Hibernate和Spring三大框架來實現的，其可實現視頻監控、自動水簾降溫、自動風機換氣、恒溫熱風及信息化管理功能。同時，通過手機客戶端，還可實現大型養豬場的遠程智能化管理；包括豬舍環境數據實時顯示、豬舍設備實時控制和豬舍生長環境實時視頻監控。

由此可見，該大型養豬場監控管理系統的開發及推廣，對提高豬場的豬產品質量及經濟效益具有顯著的作用。

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