基于物聯網的豬舍環境監控系統

賈安峰 劉永寧 王 眾 鄭業魯* 鐘日聰 路鵬云

（1廣東廣墾畜牧工程研究院，廣東廣州 510000；2東莞市廣墾食品有限公司，廣東東莞 523000；3廣東廣墾畜牧集團股份有限公司，廣東廣州 510000）

物聯網是利用各種傳感技術，按照一定的通信協議，通過網絡把物與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現遠程監視、自動報警、自動控制、早期診斷和維護的一種巨大智能網絡。豬舍環境中的溫度、濕度和有害氣體濃度對豬的生長影響巨大[1]，運用物聯網技術可實現豬舍內環境的實時監測與智能控制[2]，豬舍環境惡劣、結構復雜，故豬舍環境監控系統需結合實際情況進行設計。

1 物聯網架構

物聯網從技術架構上來看，可分為三層：感知層、網絡層和應用層。

1.1 感知層

感知層的功能是實現物與物之間相關信息的識別和采集，感知層由攝像頭、GPS、傳感器等與短距離傳輸網絡組成。攝像頭、GPS、傳感器等設備用來進行識別和數據采集；短距離傳輸網絡是將傳感設備收集到相關的數據發送到網關或者將應用平臺控制指令傳送到控制器[3]。

1.1.1 數據采集模塊

傳感器網絡終端節點主要由數據采集、處理、傳輸和電源管理4大模塊構成。監測終端節點中的數據采集模塊主要包含各種傳感器，如溫濕度、有害氣體傳感器等。數據處理模塊主要是簡單數據處理系統；數據傳輸模塊包括有線傳輸的接頭串口或者無線傳輸的信號發送器；電源模塊即給整個監測終端節點供電；有些監測終端節點還包括數據存儲模塊；這些模塊均連接在微處理器上，微處理器即單片機。

在傳感器的安裝方面，由于廣東的亞熱帶氣候，常年高溫高濕，再加上豬場經常沖水和消毒，因此，除了需考慮成本外，還需要考慮傳感器的材質、防護等級、長期穩定性、抗干擾能力、抗腐蝕能力和功耗等因素。豬舍環境中溫度、濕度和氨氣濃度相對于其他環境因子對豬生長性能的影響較大。應根據實際情況對豬舍內的溫度、濕度、氨氣濃度的傳感器進行選擇。

⑴溫度傳感器主要有熱敏電阻型、熱電偶型和光纖傳感器3種（表1）。熱敏電阻型溫度傳感器的材質主要有半導體類、金屬類和合金類。半導體類材料的電阻與其流度呈指數關系，因此測量溫度的范圍較狹窄、均勻性也較差；金屬類主要是鎳測溫傳感器，鎳是一種較理想的材料，因為它有高的靈敏度，且具有較好的穩定性和重復性；熱敏電阻合金類均具有較高的電阻率和電阻溫度系數，因此可以制成小型化、高靈敏度的測溫傳感器，廣泛地用于環境溫度的監測。熱電偶型溫度傳感器的材質，一般的導電材料均適用，易被空氣腐蝕，且空氣的水分也影響其穩定性。現階段研究的光纖溫度傳感器主要是半導體吸收式溫度傳感器、輻射式溫度傳感器和光纖熱色傳感器等。這類傳感器的精度很高，但價格昂貴[7]。從成本、防護等級、長期穩定性、抗干擾能力、抗腐蝕能力和功耗等因素再結合豬舍內部環境因素考慮，熱敏電阻合金類溫度傳感器相對更適合于豬場。

⑵濕度傳感器有5種類型，分別是：電阻式氯化鋰濕度計、露點式氯化鋰濕度計、碳濕敏元件、氧化鋁濕度計和陶瓷濕度傳感器（表2）。這些濕度傳感器均是非密封性的，為了確保測量結果的準確度和穩定性及使用壽命，應盡量避免在酸性、堿性及含有機溶劑的環境中使用，也應避免在粉塵較大的環境中使用。為準確反映所監測環境的濕度，應避免將濕度傳感器放置在離墻壁太近或空氣不流通的死角處。若被測空間太大，應分布式放置多個傳感器。針對濕度傳感器對工作環境的要求，可選用廠商提供的相關附件，如保護套、水冷卻、空氣冷卻系統、空氣吹掃器等，這些保護裝置可有效地保護濕度傳感器，延長傳感器使用壽命。若從傳感器價格、結構、精度等角度進行考量，幾種均適合；碳濕敏元件中的濕敏電容式濕度傳感器其電容變化量與相對濕度成正比，其優點是靈敏度高、產品互換性好、濕度的滯后量小、無沖蝕效應、便于制造、容易實現小型化和集成化，可優先選擇此類濕度傳感器。

⑶氨氣傳感器根據其材質和原理不同分為金屬半導體傳感器、導電高聚物傳感器、電化學傳感器、納米材料傳感器、光纖傳感器和電子鼻6種（表3）。金屬半導體傳感器的最佳使用溫度在300℃左右，不適合豬舍；導電高聚物傳感器隨著使用時間的延長，靈敏度降低，穩定性下降；電化學氨氣傳感器內含有液體電解質，電解質的蒸發或污染均易減弱傳感器信號，但利用NIFION膜研制的固態電解質氨氣傳感器，穩定性好，1年的信號損失率僅為1%；納米材料傳感器價格昂貴；光纖傳感器昂貴且分析周期長；電子鼻精確度不夠。結合豬舍及氨氣傳感器的特點，建議優先選擇氨氣電化學傳感器。

1.1.2 數據傳輸模塊

數據傳輸方式分為：有線信號傳輸和無線信號傳輸。有線信號傳輸基本原理是借助光、電信號作為傳輸介質通過雙絞線、電纜、光纖、數據線等傳輸媒介實現信號輸送[13]。有線信號傳輸的優點：①具有良好的傳輸性能；②抗干擾能力強、準確性高；③信息安全性高。缺點：①信號傳輸不方便，且傳輸距離有限，需要架設電纜、光纜等，成本高；②維修難[14]。

無線信號傳輸工作原理是利用電磁波、聲波，傳輸的信息要依次經過信息采集、調制、放大、發射、接收、選臺、解調、放大和還原等環節[15]。無線信號傳輸的優點：①傳輸信息容量大、覆蓋面廣、性價比高；②維護方便、綜合成本低；③適應性、擴展性好。缺點是：①抗干擾能力差；②技術要求高。

表1 溫度傳感器

綜上所述，在豬舍內部使用無線傳感網絡，可減少布線的麻煩，傳感器節點的安裝更方便；在豬舍棟與棟之間使用有線通信傳輸，數據傳輸的穩定性更好。信息采集之后可通過互聯網、移動網實現遠程用戶通信，目前無線信號的傳輸方式有很多，如Wi-Fi、藍牙、NFC、Zigbee、UWB和LoRa等（見表4）。單棟豬舍內部建議選用無線信號傳輸方式，由于豬舍內部環境因子變化慢、數據傳輸量較小，監控系統對數據采集的實時性要求不高；所以，目前國內高校及企業關于畜禽舍環境監控的物聯網技術中的無線傳感器網絡主要采用的是Zigbee技術[3,7]建立無線傳感器網絡模式（如圖1）。

表2 濕度傳感器

表3 氨氣傳感器

表4 幾種無線信號傳輸方式的比較

圖1 Zigbee無線傳感器網絡模式圖

由圖1可知，主節點就是協調器，它是整個無線傳感器網絡的核心部分，負責建立一個無線網絡，并將其他節點加入無線網絡并分配給相應地址，提供路由信息、安全管理和其他服務。路由節點負責轉發信息和維護網內路徑，允許子節點通過它加入無線網絡。通常情況下，路由節點和主節點均不能休眠。終端節點主要任務是發送信息，通常終端節點可以通過休眠的方式來降低能耗，但其不能轉發信息。

節點通常由干電池供電，其能量有限，且更換不便。節點的能量有限已成為制約無線傳感網絡大規模應用的一個重要因素，如何減少節點的能量開銷變得尤為重要。目前國內針對增加節點壽命的方法進行了大量研究，主要是針對網絡中的路由算法進行研究，包括以下幾種方法：①基于能量有效性分簇的粒子群優化算法；②一種加入移動基站的優化路由算法；③一種加入移動協調節點和匯合節點的LEACH優化算法等。筆者認為這些方法均治標不治本，節點仍面臨需要定期更換等問題。

當前我國，由于很多豬場建在偏遠的地方，網絡信號傳輸不暢，周邊又無基站。這些較偏遠的豬場可嘗試采用LoRa技術建立無線信號傳輸。LoRa是一種基于擴頻技術的遠距離無線傳輸技術，其優勢在于技術方面的長距離信號傳輸能力，LoRa技術在高性能、遠距離、低功耗等方面特點突出。其無線傳感器網絡類似于Zigbee無線傳感器網絡。

筆者認為，目前國內高校及農業物聯網公司采用的大多數是基于Zigbee技術的無線傳感器網絡技術，若現在養殖基地利用物聯網技術進行豬舍環境監控，可采用Zigbee無線技術；同樣，可以找一個場同時進行基于LoRa的物聯網技術嘗試豬舍環境監控。

1.1.3 繼電器

農業物聯網需要構建“全面感知—可靠傳輸—智能決策—自動控制”的閉環，才能起到真正指導生產的作用。網關節點同時還負責控制豬舍環境調控設備運行的任務，系統通過繼電器交流接觸器的方式控制風機、遮陽網等環境調控設備的運行。

1.2 網絡層

網絡層的功能主要是完成豬舍內所采集相關信息的傳遞和處理。網絡層由接入網絡和核心網絡兩部分構成。接入網絡是連接感知層的網橋，并將數據發送到核心網絡。核心網絡是通過多種方式組成的互聯互通的網絡。網絡層的關鍵技術包括移動通信技術、有線寬帶技術、公共交換電話網技術、通信技術、網絡終端技術等[4]。 建在偏遠地方的養豬場，聯網不方便，可 釆用移動通信網絡；信息到數據中心后的傳播基本都是基于Internet的傳輸。

1.3 應用層

應用層的主要功能是實現與實際應用所需數據的處理和管理。應用層主要由物聯網中間件和物聯網應用件兩部分構成。物聯網中間件即獨立的軟件或程序，它的作用一方面是管理計算機資源和網絡通信，另一方面是把兩個獨立應用程序或獨立系統連接起來。物聯網應用件是指物聯網中用戶直接使用的各種應用軟件。應用層的關鍵技術主要有軟件技術、云計算等各種數據處理技術。應用層中移動端或PC端軟件，應結合豬場生產的需要，設計相應的界面。

2 豬舍環控物聯網模型

隨著豬場規模的不斷擴大，對豬場管理便捷的要求也隨之提高，一種比較合理的畜禽舍環境監控系統的網絡架構應該包括養殖場服務器、網關、信息中心服務器、中繼節點、集成控制器以及傳感器終端和可視端（PC端或移動端） （見圖2）。畜禽舍里的中繼節點收集各位置的傳感器終端發送來的信息，經匯合、處理，發送至網關，再通過遠程信號傳輸傳至服務器。圖2的系統構架，就是在傳感器中繼節點處通過RS485總線連接風機、水簾等設備的集成控制器。

圖2 豬舍環境監控系統構架

3 結語

構建基于物聯網的畜禽舍環境監控系統，是提高畜禽生產養殖效率的重要手段。養豬企業在選擇物聯網系統架構中，除了考慮物聯網系統中所需軟硬件設備及信號傳輸途徑外，還應該結合豬場的實際情況進行選擇。

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（部分參考文獻略）