基于嵌入式的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的規(guī)模化豬場健康養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計

張尉+高星星+肖進+高一川

摘 要：提出了基于嵌入式的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的豬場健康養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，采用B/S模式，設(shè)計了一種通用型的控制器，可以通過手機終端遠程和現(xiàn)地端監(jiān)控多個豬舍，實時檢測每個豬舍的溫度、濕度、二氧化碳，氨氣等環(huán)境因素，可實現(xiàn)對不同育齡階段豬仔的豬舍進行智能通風(fēng)、智能控溫、數(shù)據(jù)記錄追溯、遠程診斷和疫情預(yù)警功能。將以上這套系統(tǒng)應(yīng)用于武漢市新洲區(qū)東泰豬場，經(jīng)過試用證明了該套系統(tǒng)可降低勞動強度，提高養(yǎng)殖的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：規(guī)模化豬場；嵌入式；物聯(lián)網(wǎng)；通用控制器

中圖分類號：S24 文獻標(biāo)識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.11.008

Abstract： In this paper， a universal controller and healthy aquaculture environmental monitoring systems was proposed based on embedded networking， Using B/S mode. It could realize remote and local control，and real-time detection of environmental factors for each piggery including temperature， humidity， carbon dioxide， ammonia and other values. For different stage pigs it could realize intelligent ventilation， intelligent temperature control， data recording traceability， remote diagnostics and outbreak alert. The system was installed in Dongtai farms of Xinzhou District of Wuhan City， after the trial it was proved that the set of systems can reduce labor intensity while improving the quality of farming.

Key words： large scale pig farm；embedded technology；IOT；universal controller

現(xiàn)代生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷“精細化、設(shè)施化、智能化”的變革[1]，各種新技術(shù)新設(shè)備層出不窮，而生豬所在的環(huán)境是影響生豬養(yǎng)殖產(chǎn)量和質(zhì)量的最關(guān)鍵因素。在規(guī)模化生豬養(yǎng)殖中不同育齡階段的生豬所需要的舒適環(huán)境差異較大[2]，目前已建成的豬場在環(huán)境控制方面多以人工經(jīng)驗控制為主，沒有科學(xué)量化和精細化管理的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，且豬舍數(shù)量較多、類型不同，容易造成人為操作失誤增加工作量，養(yǎng)殖質(zhì)量難以保證；有一些大型養(yǎng)豬場雖配置了傳統(tǒng)的PLC（可編程邏輯控制器） [3-4]作為現(xiàn)場監(jiān)控中心，采用有線方式分布，但其系統(tǒng)布線復(fù)雜，容易造成接觸不良，維護成本高，且不能遠程控制。而相關(guān)畜舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)也沒有長時間動態(tài)監(jiān)測量化的指標(biāo)，通常依靠經(jīng)驗判斷，具有不可靠性，一旦出現(xiàn)疫情也難以追溯。

隨著畜禽健康養(yǎng)殖和動福利的提出[5]，人們也越來越意識到，良好的小氣候環(huán)境對減少生豬患病機率，提高生豬肉品質(zhì)有著決定性的作用。隨著物聯(lián)網(wǎng)[6-10]和“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)實踐的不斷深入，可以精確控制各豬舍欄內(nèi)小氣候環(huán)境，助力畜禽養(yǎng)殖管理不斷走向精細化、智能化。本研究提出了基于嵌入式的物聯(lián)網(wǎng)豬場健康養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，采用B/S模式，可以通過手機終端遠程和現(xiàn)地端監(jiān)控多個豬舍，實時檢測每個豬舍的溫度、濕度、二氧化碳，氨氣值等環(huán)境因素，針對不同階段豬仔的豬舍進行智能通風(fēng)，智能控溫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄追溯，遠程診斷和疫情預(yù)警。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)方式，系統(tǒng)從邏輯上分為：應(yīng)用層，傳輸層，現(xiàn)地采集控制層（圖1）。

應(yīng)用層面向管理者和養(yǎng)殖戶，包括：園區(qū)管理、遠程診斷、數(shù)據(jù)記錄追溯、遠程操控、動態(tài)監(jiān)測和預(yù)警、智能自動監(jiān)控模式。

傳輸層則是根據(jù)現(xiàn)場條件，采取穩(wěn)定且經(jīng)濟綜合最優(yōu)的通信方式，如ZigBee，GPRS網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)地采集控制層是根據(jù)不同類型的豬舍分別進行設(shè)計，由終端節(jié)點（豬舍環(huán)境參數(shù)監(jiān)測節(jié)點和設(shè)備控制節(jié)點）以及現(xiàn)地控制器構(gòu)成。

監(jiān)測節(jié)點負責(zé)采集豬舍的溫濕度、氣體相關(guān)信息，設(shè)備節(jié)點則是風(fēng)機、濕簾、保溫?zé)舻葓?zhí)行機構(gòu)，這些終端由跳線編碼器設(shè)置節(jié)點編號，通過ZigBee無線傳感自組織網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)地監(jiān)控器通信，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將豬舍環(huán)境參數(shù)發(fā)送到監(jiān)測服務(wù)器。

用戶可通過手機或者計算機瀏覽器直接對豬舍小環(huán)境進行實時監(jiān)測，并能夠遠程控制濕簾、大小風(fēng)機組和保溫?zé)簦瑖婌F降溫系統(tǒng)，喂料機等設(shè)備，從而實現(xiàn)對豬舍分欄小氣候環(huán)境的精確控制。

1.2 通信方式選擇

本方案是基于原有豬場進行的升級改造，有線方式雖然最為可靠，但是布線和維護復(fù)雜，且長期消毒容易使裸露在外的線纜腐蝕，另一方面為了使傳感器便于靈活部署，減少電纜投入，故在充分利用原有通信線纜的基礎(chǔ)上，盡量采用無線通信方式。無線方式有ZigBee，WIFI，GPRS，3G、4G網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee是一種短距離、低功耗、高可靠性的全雙工無線通信技術(shù)，具有低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)率等特點，可以短距離現(xiàn)場傳感器自組網(wǎng)。

GPRS網(wǎng)絡(luò)具有傳輸速度快、傳輸距離遠、實時性好，實時在線等優(yōu)點，缺點是費用較高。

WIFI可以用于本地組網(wǎng)，可以減少信息交互費用。視頻信息則是通過專門的線路進行傳輸。

1.3 控制策略選擇

溫濕度是影響動物生存與生產(chǎn)諸多環(huán)境因素中較為重要的兩個指標(biāo)。

豬不喜歡長期生長在潮濕環(huán)境下，否則會發(fā)生拉稀、感冒及其他疾病，豬舍最佳濕度為60%～70%。

不同年齡階段和生長性能的豬所要求的最適環(huán)境溫度差異較大[1]，尤其哺乳豬仔和繁殖種豬敏感性最高。哺乳豬仔，由于其組織器官和機能尚未完善，皮毛稀疏，對寒冷抵抗力差，對溫度環(huán)境要求較高。有害氣體也必須控制在一定范圍內(nèi)（GB/T 17824.3—2008），如表2所示。

因此，不同育齡的豬其豬舍結(jié)構(gòu)設(shè)計不相同，執(zhí)行機構(gòu)也有差異，需要采用不同的控制策略。如產(chǎn)房包含兩種類型的豬，對溫度要求不同，需對仔豬每個欄都分別再增加一個保溫?zé)簦瑢a(chǎn)房進行分區(qū)管理。

1.4 控制模式

控制有手動控制和智能控制模式，手動又分為現(xiàn)地手動和遠程手動，管理員可根據(jù)指標(biāo)參數(shù)直接操作執(zhí)行機構(gòu)開合實現(xiàn)。

智能控制，則是根據(jù)設(shè)置的不同的控制目標(biāo)，將采集回來的溫度信號在線實時監(jiān)測，并自動調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 感知/控制終端節(jié)點設(shè)計

為實現(xiàn)豬舍環(huán)境的實時監(jiān)控，單個豬舍內(nèi)采用ZigBee方式進行組網(wǎng)。采用工業(yè)級的高增益型ZigBee無線模塊，支持太陽能供電。

如圖3所示，ZigBee終端節(jié)點搜索并加入網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)地控制器充當(dāng)了接收協(xié)調(diào)器，接收傳感器上報的數(shù)據(jù)，同時通過ZigBee終端節(jié)點控制執(zhí)行驅(qū)動機構(gòu)繼電器，控制設(shè)備檔位開關(guān)。

溫度傳感器采用DS18B20芯片，可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)、與STM32接口簡單的數(shù)字化溫度傳感器。測量范圍為（-55～125）℃，精度為±5 ℃。

NH3傳感器采用pH-NH3氨氣傳感器，采用國外進口的電化學(xué)傳感器（可燃氣采用催化燃燒式），利用控制電位電解法原理，在電解池內(nèi)安置3個極（工作電極、對電和參比電極），以薄膜同外界隔開，并施以一定的極化電壓。被測氣體透過薄膜到達工作電極，產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)，傳感器即有相應(yīng)電流輸出，此電流與被測氣體深度成正比關(guān)系，該電流信號經(jīng)擴散式采樣變?yōu)殡妷盒盘柗糯蠛螅俳?jīng)電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，將變化的電壓信號變?yōu)殡娏餍盘栞敵觥?/p>

如圖4所示，CO2傳感器采用紅外二氧化碳傳感器工作原理，利用不同氣體對紅外輻射有著不同的吸收光譜，吸收強度與氣體濃度有關(guān)的原理來檢測CO2濃度。紅外線氣體檢測儀的優(yōu)點是測量范圍寬、選擇性好、防爆性好、設(shè)計簡便、價格低廉。

攝像頭控制信號可以通過云臺設(shè)備來控制，視頻信號數(shù)據(jù)量太大一般采用專網(wǎng)，通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備直接發(fā)到視頻服務(wù)器。

2.2 現(xiàn)地控制器設(shè)計

保育室、種豬結(jié)構(gòu)大體相同，產(chǎn)房由于有母豬和仔豬設(shè)計相對復(fù)雜，雖然執(zhí)行機構(gòu)有所不同，但組成模塊類似，本文設(shè)計了一種通用多源信息采集控制終端，如圖5所示。

主要由傳感器檢測模塊、通信模塊、電源模塊、驅(qū)動模塊、顯示屏、處理單元組成。

傳感器檢測模塊包括溫度傳感器，濕度傳感器，CO2、NH3傳感器以及信號調(diào)理電路。

驅(qū)動單元包括大風(fēng)機、保溫?zé)艚M、濕簾、小風(fēng)機。

微處理器采用基于Cotex-M3內(nèi)核ARM 32位處理器，型號為STM32F107，是一款互連型系列微控制器，性能較強大，集成了各種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口。

如圖6所示，繼電器驅(qū)動單元用于驅(qū)動電氣柜里的中間繼電器，再依靠中間繼電器驅(qū)動交流接觸器，從而實現(xiàn)對外部設(shè)備電源的控制。

3 軟件設(shè)計

豬舍環(huán)境系統(tǒng)具有多變量、非線性、時變和滯后特點，難建立精確的數(shù)學(xué)模型，一般采用模糊控制算法，設(shè)置相應(yīng)通風(fēng)換氣的規(guī)則，且針對不同豬和不同階段對溫濕度的要求，來實現(xiàn)豬舍環(huán)境自動控制，啟動相應(yīng)降溫和保溫設(shè)備，使其滿足控制溫度，濕度，二氧化碳和氨氣目標(biāo)，或者再內(nèi)置其他高級預(yù)測控制類算法，如圖7所示。

將高級智能算法移動到上層應(yīng)用層，這樣可以選用和匹配多種合適的智能控制算法，放置應(yīng)用層軟件平臺，便于升級維護。

3.1 采集節(jié)點軟件設(shè)計

各個采集終端定點定時上報數(shù)據(jù)，上報周期由現(xiàn)地控制器設(shè)定，數(shù)據(jù)采集后CPU將AD轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)進行均值處理，使數(shù)據(jù)更加平滑和準(zhǔn)確。

通過RS485串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至ZigBee通信模塊。最后通過ZigBee無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)地監(jiān)控層，并進行集中顯示和控制。

3.2 控制節(jié)點軟件設(shè)計

現(xiàn)地控制器是整個系統(tǒng)的核心，操作系統(tǒng)選用了μC/OS—II系統(tǒng)，是一款基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)系統(tǒng)，內(nèi)核簡單短小精悍，代碼開源，能夠管理多達64個任務(wù)，同時具有實時內(nèi)核、任務(wù)時間管理、內(nèi)存管理等功能，在小型系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

控制節(jié)點負責(zé)接收數(shù)據(jù)、解析計算數(shù)據(jù)，并控制相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)，如圖8所示。

3.3 上層應(yīng)用軟件設(shè)計

如圖9所示，總體采用BS架構(gòu)，監(jiān)控中心由上位機數(shù)據(jù)接口軟件、數(shù)據(jù)庫和信息發(fā)布網(wǎng)站組成。服務(wù)器平臺采用目前流行的.NET技術(shù)架構(gòu)，如圖10所示，該架構(gòu)系統(tǒng)界面友好、易安裝、易操作，硬件擴展接口豐富，系統(tǒng)輔助工具多，有利于后期的系統(tǒng)升級、維護等。數(shù)據(jù)接口軟件接收遠程GPRS終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并存入SQL Server數(shù)據(jù)庫。如圖11所示，數(shù)據(jù)庫包括每個豬舍的數(shù)據(jù)如實時的溫度、濕度、CO2、NH3等信息。

4 結(jié) 論

近年來，武漢東泰畜牧發(fā)展有限公司[11]以農(nóng)業(yè)自然生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展原理和經(jīng)濟規(guī)律為指導(dǎo)，對畜禽養(yǎng)殖糞污進行無害化處理全利用，零污染，使得各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素相互促進、良性循環(huán)發(fā)展。園區(qū)豬場實行雨污分離、干清糞加沼氣處理工藝，并按照2萬頭養(yǎng)殖規(guī)模年糞污產(chǎn)生量，建成新型紅泥塑料沼氣池，沼液由無塔供水增壓設(shè)施經(jīng)園區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)自動輸送到園區(qū)茶葉種植區(qū)、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)，直接為茶葉區(qū)、水產(chǎn)區(qū)以及其他種植區(qū)提供肥料。

新建成的基于物聯(lián)網(wǎng)的豬舍管理系統(tǒng)，利用傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了傳感器和環(huán)境控制設(shè)備之間的聯(lián)動，不但能完成數(shù)據(jù)記錄還可以追溯和分析。該系統(tǒng)根據(jù)不同育齡豬所需要的最適宜環(huán)境的不同實現(xiàn)了精準(zhǔn)管理，并減少人為操作失誤和工作量。經(jīng)大量試驗證明，該系統(tǒng)能較好地達到規(guī)模化豬場養(yǎng)殖監(jiān)控的要求。

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