生豬遠程監控系統的設計

高 平，吳海云，劉 華，孔忠亮，楊 凡

（天津農學院 工程技術學院，天津 300384）

生豬遠程監控系統的設計

高 平，吳海云通信作者，劉 華，孔忠亮，楊 凡

（天津農學院 工程技術學院，天津 300384）

動物福利與動物健康息息相關。針對生豬集約化養殖面臨的活動空間不足、生存環境相對惡劣等問題，設計了一種生豬遠程監控系統。系統利用傳感器技術，實時采集溫濕度、氨氣和硫化氫等豬舍基礎環境參數，并利用震動傳感器監測生豬運動情況。傳感器采集的數據由微控制器分析處理后，經CC2430無線通訊模塊實現數據傳輸，并將監測結果呈現于基于VB的上位機界面。上位機比對監測數據與設定參數后遠程控制驅趕電機、圈門電機、豬圈沖洗裝置以及燈光等調節機構，以保證生豬健康生長。該系統可以幫助養殖戶主了解并實現生豬驅趕運動，改善生豬生長環境，同時提高現代養殖的自動化水平。

動物福利；驅趕運動；生豬；遠程控制

在西方國家，動物福利被認為是食品質量安全的重要標志[1-3]。有研究表明，動物福利將影響動物健康，并直接影響動物食用者的健康[4]。隨著人們生活水平的提高，蛋白質的需要不斷上升，其中豬肉由于蛋白質含量較多、口感好而受到人們的喜愛。我國是豬肉生產和消費大國，國家統計局發布數據顯示，2015年上半年全國豬牛羊禽肉產量為3 906萬t，其中豬肉產量達2 574萬t[5]。

傳統養殖由于生長周期長，運動量大，豬熟肉制品香，口感好，但產量低。隨著現代大規模養殖業的發展，豬肉的產量大幅上升，但同時豬肉的風味也越來越不盡人意。究其主要原因是現代集約化密封式養殖的豬肉產品肌肉松弛，蒼白無水感。人們對生豬產量的狂熱追求，肆意縮短生豬的生長周期，違規用藥等現象時有發生，使得豬肉成為食品安全的高危食品之一[6]。導致這些現象的主要原因是我國的生豬在養殖環節存在活動空間不足、生存環境相對惡劣的現象[7-8]。因此，對于豬舍環境控制系統的研究十分必要。

傳統舍環境的監測主要依靠養殖人員憑借養殖經驗預估，無法滿足現代化養殖需求[9]。近年來，隨著計算機技術，微電子技術以及物聯網技術的飛速發展，一些學者開始將這些技術應用于現代化養殖中，提高自動化水平[10-12]。本研究針對豬舍環境監測及生豬自主運動缺乏的問題，利用傳感器技術、無線網絡技術、嵌入式技術、物聯網技術等現代信息技術，提出一個基于無線傳感器網絡技術的生豬遠程監控系統，實現遠程可監可控功能。

1 系統概述

生豬遠程監控系統（以下簡稱“系統”）包括MSP430F169微控制器、環境參數監測傳感器、排風扇、照明燈、沖水泵、模塊化驅趕電機以及上位機監測終端等設備組成，其結構如圖1所示。系統利用傳感器技術、無線網絡技術、嵌入式技術等現代信息技術對豬舍環境進行實時監測，并根據豬的生長需要，對豬舍環境進行科學合理的優化控制，以生豬養殖集約、優質、健康為目標。系統監測了解生豬的運動量，幫助養殖戶主了解并實現驅趕運動。采用物聯網技術，將監測結果呈現于PC端（基于VB的上位機界面）或者養殖戶主手機上。上位機控制驅趕電機、圈門電機運轉、沖洗、燈光保證生豬健康生長，驅趕運動提高肉質，同時簡化飼養員的工作程序，改善其工作條件。

圖1 裝置結構示意圖

2 豬舍布局及工作原理

豬舍的合理布局將保證系統工作的有效性。豬舍布局圖如圖2所示，將豬舍分為兩個區域：休息區、進食區。在休息區布置驅趕電機1和驅趕電機2，進食區布置驅趕電機3，并在休息區和進食區布置一個開門電機。平時生豬在休息區休息，當通過震動傳感器監測到生豬的運動量不夠時，驅動電機1和電機2進行錯位驅趕生豬運動，直到監測運動量達標。該進食時，通過上位機發送進食指令執行動作：圈門電機運轉開門，驅趕電機1運轉，驅趕電機2停止，當生豬進入到進食區，圈門關閉。通過視頻監控生豬進食情況，當進食完畢后，上位機發送結束進食指令，執行動作：驅趕電機3運轉進行驅趕，圈門電機運轉開門，當生豬到休息區后圈門關閉。

圖2 豬舍布局圖

3 硬件設計

3.1 微控制器（MCU）

本系統采用TI公司的MSP430F169單片機為核心的微控制器。MSP430F169具有較大的程序和數據存儲區，外圍模塊豐富，其片內還包括一個硬件乘法器。同時F169單片機開發工具簡便，內置A/D和D/A轉換模塊，具有豐富的片內外圍，性價比極高。MSP430F169封裝原理圖如圖3所示。

圖3 MSP430F169封裝原理圖

3.2 數據采集部分

溫度、濕度和氨氣含量等是豬舍的基礎環境參數，也是影響豬健康生長的主要因素，因此本研究把它們作為主要的監測指標。豬舍內放置溫濕度傳感器、氨氣濃度傳感器和硫化氫傳感器，實時監測環境參數。同時為了監測生豬運動情況，在生豬腿上綁上震動傳感器采集生豬的運動參數。

選用DHT11型傳感器進行溫濕度采集。作為一種新型的單總線數字溫濕度傳感器，DHT11具有體積小、功耗低、響應速度快、抗干擾能力強、控制簡單、性價比高等優點。

MQ137氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2），它具有對氨氣的靈敏度較高、長壽命、低成本的優點，驅動電路簡單。因此系統采用MQ137半導體氨氣傳感器監測氨氣濃度。

硫化氫傳感器采用H2S-D1型傳感器。它具有體積極小、低成本、適用于大批量OEM客戶，靈敏度達到110～160 nA/ppm。

無線震動傳感器模塊由SW-420型震動模塊和ZigBee無線模塊組成。SW-420為單滾軸型全方位感應觸發開關，可全方位感應不同方向的震動。ZigBee無線模塊由CC2430組成，其功能是采集感應觸發開關的震動頻率，然后將頻率傳輸給主節點。該模塊完全密封式封裝，可防水、防塵，具有高震動靈敏度，由3.7 V鋰電池供電，安裝在豬腿上。

3.3 數據傳輸部分

系統將采集到的數據經過單片機分析，然后由Zigbee通過以太網關和路由器傳送到上位機，同理上位機發送指令控制豬舍執行器件。

采用CC2430無線通訊模塊進行數據傳輸。該模塊具有數據傳輸速率低、功耗低、抗干擾能力強、高安全性、高可靠性、容量大、優良的網絡拓撲能力等特點。CC2430無線模塊原理圖如圖4所示。

圖4 CC2430原理圖

3.4 控制部分

系統將采集到的數據通過MCU進行分析處理，處理過后的數據通過無線模塊傳輸到上位機。控制部分通過MCU控制繼電器的通斷進而控制驅趕電機和圈門電機的運轉。利用繼電器控制執行器件，保證MCU和傳感器的正常工作的同時滿足執行器件的功率要求。采用這種將系統模塊化的方法，有利于系統的安裝和后期維護。

圖5 程序流程圖

4 軟件設計

4.1 系統流程

程序流程圖如圖5所示。上電后，先對系統初始化，使得系統工作在一個合適的狀態下，然后主控單片機每隔1 s經ZigBee模塊向外發送“心跳”包信息并等待PC機應答，在PC機應答指令中，還包含一系列的控制指令，比如控制排風扇、沖水泵指令或者無操作控制指令等。如果接收到無操作控制指令，系統就會轉為采集環境數據操作并將數據打包發送給上位機等操作。反之，系統會轉為解析控制指令程序并進行相關的控制，比如控制排風扇、沖水泵工作或者不工作。

4.2 上位機界面

上位機界面如圖6所示。該界面利用VB自主開發，可根據用戶自己的意愿改變窗口布局，使得更人性化。

圖6 上位機界面

上位機顯示采集到的豬舍環境參數和生豬運動量（圖6以顯示一頭生豬運動量為例），同時可以通過上位機控制執行器件（電機、排風扇、沖水泵、燈）。用戶也可以自主開發，方便系統的擴展和完善。

5 結語

集約化生豬養殖促進了生豬養殖業的發展，但是生豬生長環境惡劣和運動量缺乏等因素使得豬肉質量明顯低于散戶養殖。本研究利用傳感器技術和無線網絡技術設計了一種豬舍監控系統，實現環境參數和運動量的實時采集。并將采集數據經無線網絡傳回上位機，實現遠程控制功能，從而有效改善生豬生長環境，提高動物福利。目前室內養殖仍多以人工為主，現代化水平不高，市場內還未出現此類裝置系統，因此本系統能很好的進行推廣，市場前景較好。

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Design of Remote Monitoring System for Living Pigs

GAO Ping, WU Hai-yunCorrespondingAuthor, LIU Hua, KONG Zhong-liang, YANG Fan
（College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

Animal welfare is bound up with animal health. In view of the problem of activity space shortage and the relatively poor environment for the pig farm, a drive system was designed. Some of basic environmental parameters, such as temperature、humidity and hydrogen sulfide, were real-time acquired using the sensor technology. The pig movement was recorded by the vibration sensor. The data collected by the sensor was analyzed by the microcontroller, and then the processed results were transmitted by the CC2430 wireless communication module and presented in the upper computer interface based on VB. After compared the monitoring data with the setting parameters, the control devices such as the driving motors, door motors, pigpen washing and lighting device were controlled remotely by the host computer to ensure the growth of living pigs. The system could be used to help the farmers to understand and realize the driving movement for living pigs, thus improved the pig growth environment and enhanced the level of automation for modern farming.

animal welfare; driven movement; living pigs; remote control

S126；TS252.7

A

1008-5394（2016）04-0051-04

2016-01-12

高等學校博士學科點專項基金“高壓脈沖細胞破壁條件下的奶牛乳腺炎的高精度電檢測技術研究”（20121403110002）；天津市自然科學基金“高光譜與介電譜速測牛奶中蠟樣芽胞桿菌的理論方法研究”（13JCYBJC25700）；天津市高等學校大學生創新創業訓練計劃項目“基于四電極的液體阻抗測量系統設計”（201510061140）

高平（1993-），男，四川廣安人，本科在讀，主要從事物聯網方面的研究。E-mail：729276300@qq.com。

吳海云（1985-），女，湖北隨州人，助理研究員，博士，主要從事智能傳感器方面的研究。E-mail：haiyunwu2013@163.com。