基于物聯網技術的牛舍環境監控系統設計

王傲 盧文 曾光 郭靜

摘 要：傳統牛舍環境調控設備的智能化程度較低，成本較高壽命短，造成奶牛舒適度低，影響產奶量。根據荷斯坦奶牛的生活習性和最新的物聯網技術，設計改進了一套監測調節牛舍環境信息的系統，包括采集數據的監測節點和組網的協調器、WiFi網關及上位云服務。傳感器節點安裝在牛舍的不同位置，節點上傳數據至網關后再傳至云服務器平臺處理，處理完成后，將結果下發至相關控制節點，通過控制相關設備完成對環境的調節。

關鍵詞：奶牛養殖；物聯網技術；環境實時監控；云服務

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）07-00-03

0 引 言

規模化奶牛養殖已成為當下奶牛養殖的主流方式。養殖過程中尤其要注意養殖環境的舒適度和養殖過程中疫病的防控，這樣才能提高牛奶產量。

物聯網技術的發展和應用為奶牛的精細化養殖提供了有力手段，與奶牛養殖結合可更新現有傳感器和控制系統[1]。通過應用最新的物聯網技術，可實現無線監控奶牛養殖的各個環節，在奶牛的生長過程中，養殖環境對奶牛的影響尤為明顯。牛舍環境因素包括溫濕度、光照強度、有害氣體濃度等[2]。惡劣的環境條件會使奶牛生產能力下降，發病率和死亡率增加。因此，奶牛場的環境監測顯得極其重要。

除此之外，系統還可利用物聯網對牛舍進行環境調控，對奶牛進行精細化管理，從而達到節約設備成本，提高奶牛產奶量的目的。

本文在參考和借鑒相關研究的基礎上，結合當下相關新興技術，開發出一套適用于中小規模養殖場的小型養殖環境監測系統。系統通過傳感器采集牛舍的環境信息，利用B/S（瀏覽器/服務器）模式，把歷史數據和數據經分析分類呈現在網站中，實現各節點環境數據的統計分析及可視化，并根據設定好的數據進行自動調控。從而為奶牛提供舒適的環境，提升奶牛產奶品質和產量，進而獲得更大的經濟效益[2]。

1 系統的總體方案

1.1 系統的總體目標

本系統主要適用于小型奶牛場，通過使用多種傳感器采集溫濕度、光強、氨氣等牛舍環境信息，使用ZigBee協議將數據從節點上傳到協調器，協調器將數據打包通過板載的ESP8266 WiFi芯片上傳到MQTT服務器，網站后臺程序訂閱MQTT服務后，會從MQTT服務器獲取數據并存進數據庫，通過對數據的分析處理，判斷當前數值是否符合標準，據此動態調控相關設備，保持牛舍溫濕度的穩定。最終將信息實時顯示到網站上，方便管理者查看。該系統還可幫助管理者減少工作量，具有網頁自動調控和手動調控功能，隨時控制牛舍的各種設備，使得奶牛養殖環境保持最佳狀態，使奶牛生活得更加舒適，節省人力成本，提高產奶量，實現動物養殖的效益最高、成本最低和利益最大化。

1.2 系統工作流程

通過計算機和多平臺終端的實時監測、預警服務，實現遠程監測、預警和控制，達到養殖場的利益最大化[3]。

（1）環境數據采集：牛舍的數據采集采用五點取樣法。布置五個節點，每個點均包括一組傳感器，每組傳感器采集溫濕度信息，光照信息，有害氣體濃度。系統綜合分析各組數據，減小誤差。

（2）數據傳輸：傳感器節點使用ZigBee網絡通信模塊，將空氣溫度等模擬信號轉換成數字信號，通過ZigBee網絡將信息收集到協調器上，協調器將每個節點的數據封裝好，通過MQTT協議將數據發送至服務器。

（3）數據庫建模：利用Navicat設計數據庫，在云服務器上建立MySQL數據庫，并且存儲數據庫文件信息，開放數據庫端口。

（4）網站數據顯示統計及分析：采用維護性強，開放性高的 Java Web 技術搭建網站，使用MQTT Client訂閱服務獲取感知層數據，并且將數據分類存儲到數據庫中。

（5）實時監測：網站后臺程序對上傳的數據進行實時監測，當數據變化超出設定值的范圍后，程序將自動控制相關設備，保持牛舍環境穩定。

（6）手動控制：管理員通過登陸管理員賬號，可在網頁上查看設備工作狀態并手動操作相關設備。

2 硬件組成

本系統的硬件部分主要由傳感器、ZigBee無線自組網和WiFi網關組成。

2.1 傳感器

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，可靠性強，準確度高[4]。采用GY-30數字光強傳感器，穩定性好，準確度高。MQ135傳感器對氨氣、硫化物、苯系物蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其他有害物的監測也較理想，可靠性強，適合牛舍這類糞尿較多，氨氣濃度高的場景。

2.2 ZigBee芯片

ZigBee采用TI公司設計的CC2530 芯片，該芯片成本低，可擴展能力強，能夠以較低的總材料成本建立非常強大網絡節點，且運行模式之間轉換的時間短，能源消耗低。

2.3 ESP8266芯片

該芯片體積小，功耗低，性能強大，支持透傳，丟包現象不嚴重，且價格較低，資源豐富，易于開發，是當前WiFi開發的不二選擇。

3 硬件功能開發

在該系統中，固件程序即指存儲于終端節點和協調器節點中的程序。

3.1 終端節點和協調器程序

終端節點和協調器程序使用ZigBee_Z-Stack協議棧進行開發，協議棧集成了ZigBee的全部協議。可以根據我們的需求來開發相關功能，減少開發時間。

3.2 ESP8266程序

系統主要使用芯片自帶的AT指令功能。ZigBee協調器收到數據后通過 UART 口將數據以 AT 指令的形式發給 ESP8266 模塊，通過 POST方式將數據提交到服務器上。

3.3 終端節點控制程序

使用Z-Stack協議棧開發控制程序，設置節點編號。通過配置GPIO和使用繼電器，讓不同的設備都能受協調器下發指令的控制，使之能和系統相互配合。

4 軟件功能設計

4.1 MQTT Client和MQTT Server

在云服務器上搭建MQTT Server，接收ESP網關上傳的數據，在網站后臺程序中搭建MQTT Client，通過訂閱服務獲取服務器端發送的數據，再對數據分類，使用JDBC連接數據庫，將收集的環境數據寫入MySQL數據庫的各字段中[5，6]。

4.2 MySQL數據庫建立

本系統使用Navicat 數據庫可視化工具建立數據庫，分別建立了用戶表、管理員表、棟舍表及數據表。數據庫流程如圖1所示。

4.3 網站開發

本系統的Web頁面和后臺程序使用MyEclipse開發，采用維護性強，開放性高的 Java Web 技術搭建網站，采用MySQL數據庫進行數據存儲。此種技術搭建的網站維護方便，可靠性和安全性較高。網站后臺程序采用Java語言，前端采用jQuery和AJAX技術，實現實時顯示的功能，還可以在網頁上手動控制牛舍中設備的開關[7]。網站界面如圖2所示。

5 智能控制設計

5.1 控制溫濕度變化

當溫濕度發生的變化超出奶牛最適合的范圍時，后臺程序會根據當前各傳感器的值來判斷是否需要啟動風扇，噴霧，加熱器等設備工作。如需要，后臺程序控制設備采取操作，控制對應的風扇和噴霧器。風扇安裝在牛舍不同的位置就會有不同的功能，高處的排風扇用來換氣，低處的排風扇用來除濕，還有在室內加快空氣循環的循環扇和直接給牛吹風的降溫扇，如何合理啟停設備是系統工作的重要任務。

系統控制相關設備的指令下達后，實時監測環境信息，等待溫濕度發生變化，當溫濕度的變化符合要求時，關閉相關設備，從而保持牛舍溫濕度的穩定。

5.2 控制光照

當天氣陰暗，光照強度過弱時，系統會自動打開日光燈補光。系統還會調取當天的天氣API接口獲取當天光照時長，若不夠則補足，使奶牛在牛舍中也可享受充足的光照。

5.3 控制有害氣體濃度

當有害氣體濃度過高時，采取噴霧和排風扇協同工作的方式來降低有害氣體濃度，水霧可有效地吸附氨氣，保持牛舍空氣的潔凈[8]。

6 結 語

奶牛養殖業在我國國民經濟中占有重要地位，但從目前規模化養殖奶牛的實際情況來看，容易在規模化養殖肉牛中出現環境調控不及時，影響奶牛生長，降低奶牛養殖的經濟效益等問題[9]。而僅靠個人難以判斷牛舍的各種環境指標是否滿足奶牛生長發育的需要。本研究通過MyEclipse開發平臺，整合 MySQL，Java，Web，HTML開發動物養殖環境監測系統，采用低功耗的MQTT協議進行數據傳輸，該系統可極大地減少養殖人員精力的投入，監測不同節點的溫度、濕度、空氣指標。實現各節點環境數據的統計分析及可視化，為奶牛提供舒適的環境，提升奶牛產奶品質，從而獲得更大的經濟效益。

參考文獻

[1]張建華，趙璞，劉佳佳，等.物聯網在奶牛養殖中的應用及展望[J].農業展望，2014，10（10）：51-56.

[2]張杰.新疆肉牛養殖適用設施設備技術研究[D].烏魯木齊：新疆農業大學，2014.

[3] 朱軍，麻碩士，畢玉革，等.種豬數字化養殖平臺的構建 [J].農業工程學報，2010，26（4）：215 -219.

[4]周劼，王爍. 基于GPRS的半干旱地區氣象遠程數據采集處理系統研制開發[J].中國高新技術企業，2013（30）：10-14.

[5] 吳詩怡，萬敏，王傲，等.蛋雞養殖環境溫濕度變化實時監測與預警系統[J].信息技術與信息化，2017（Z1）：30-33.

[6]楊洋. 基于ZigBee的嵌入式RFID養殖場管理系統設計與實現[D].呼和浩特：內蒙古大學，2013.

[7]朱瑜紅.基于無線傳感器網絡的奶牛舍環境監測系統設計[J].黑龍江畜牧獸醫，2016（16）：59-61.

[8]王琳，蔡煜，閆文慧，等.奶牛養殖環境空氣質量現狀監測與分析[J].內蒙古農業科技，2009（6）：71，122.

[9]楊海青.對我國奶牛規模養殖模式的思考[J].畜牧獸醫科技信息，2018（2）：56.