基于物聯網技術的北京油雞標準化散養系統研究與應用

王 明 平 陽 劉 新 郭建鑫

(北京市農林科學院農業信息與經濟研究所 北京 100097)

0 引 言

我國作為一個傳統的農業大國，規模化、集約化生產總體上還處于初級階段，呈現生產技術落后、自動化程度不高的態勢，因此農業精細化與物聯網技術的相互融合對加快現代農業轉型、提高生產力顯得至關重要。農業物聯網是在生產現場部署大量監測傳感器，利用這些傳感器采集環境及生產數據，以實時監測生產狀況，且能通過智能化遠程控制及時調整生產策略，提高自動化生產水平[1]。目前在農業資源環境監測、農業精細生產管理及農產品質量安全追溯中開展了廣泛的應用研究，例如在畜禽水產養殖方面，實現了自動飼喂、飼料轉換率優化、籠舍狀態動態監控、疾病監測等應用[2-4]。但在細分領域應用中仍存在著許多不足，如物聯網技術與畜禽品種養殖規范沒有很好地結合，很多養殖人員得不到專業的指導意見，對采集到的物聯網數據也不能充分挖掘，不能發揮其最大價值[5]。

北京油雞是我國優良地方雞種，被農業部列為國家級畜禽品種資源重點保護品種，在其品種開發和推廣的過程中，逐步形成了一套完善的規模化、標準化健康養殖規范。本文以物聯網技術為基礎，立足于北京油雞健康養殖規范，建設了油雞標準化生產知識庫，以此構建標準化生長流程，通過規范的任務機制進行管理，集數據采集、監控、分析、預警及專家咨詢于一體，研發了基于物聯網技術的北京油雞標準化養殖系統。

1 系統分析

1.1 需求分析

規模化養殖雞場養殖人員水平參差不齊，需要養殖規范及流程來指導生產，充分挖掘物聯網采集到的環境及生產數據[6]，盡可能發揮其最大價值，同時便捷地接受專家指導服務。本文從實際需求出發，以提高北京油雞的產肉和產蛋性能為目標，確定了如下幾方面的需求：

(1) 制定北京油雞標準生產知識庫和流程，形成油雞養殖資源庫。

(2) 建立完善的任務管理方式，以規范、科學的任務機制來指導日常生產。

(3) 對雞舍環境及生產狀況進行監控，實現智能預警和遠程監控。

(4) 打通專家服務通道，讓養殖人員能隨時隨地接受專家技術支持。

1.2 技術路線

選取北京油雞為研究目標，結合北京市農林科學院畜牧所油雞養殖規范，構建標準化生產知識庫和流程，制定油雞各生長階段性任務。當執行時間鄰近時后臺服務程序自動激活當前任務并下發給養殖者，科學指導日常工作。結合物聯網設備采集各雞舍溫度、濕度、氨氣、光照、二氧化碳、體重、產蛋等環境和生長數據，并與標準生產知識庫進行對比、分析，超出閾值自動進行終端設備調整，同時進行消息推送，系統技術路線如圖1所示。

圖1 系統技術路線圖

(1) 梳理北京油雞標準化養殖規范，以各生長周期為生長節點，建設各階段標準生產知識庫，以時間節點為單位實現數據庫的數字化存儲。

(2) 采用標準生產知識庫構建生產流程，以甘特圖來實現，并將油雞生產流程數字化，存儲在中心數據庫中。

(3) 根據生產流程生成油雞各階段任務，采用任務生成、下發、上報、審核、提醒等形式指導科學飼喂、規范生產。

(4) 以雞舍為單位安裝溫濕度、氨氣、二氧化碳等傳感器，實時采集環境數據。

(5) 設計適合油雞佩戴的電子翅標，及帶有標簽識別功能的稱重設備，自動上傳體重數據，同時使用帶有計數功能的自動撿蛋機來采集雞舍的產蛋數據，并將數據實時傳送到服務器。

(6) 設計遠程監控，管理者通過PC端或移動終端[7]實時查看雞舍畫面、各項環境數據、任務完成情況和生長數據。自動與標準生產知識庫進行對比分析，超出閾值時自動反饋調整，同時以消息推送和短信形式通知管理人員。

(7) 開發北京12396農科服務熱線專家接入組件，實現專家在線咨詢、視頻通話及電話服務功能，用戶在移動終端隨時接受專家指導服務。

2 系統設計

基于物聯網技術的北京油雞標準化養殖系統以物聯網采集和控制設備為基礎，以標準化管理規范為核心，以RFID和移動終端為手段，實現環境及生產數據監控、智能預警、遠程控制、專家服務等功能，為生產管理者提供科學指導。系統采用信息采集層、數據層、支撐層和應用層四層設計架構[8]，層與層之間相對獨立，同時兼顧可擴展性，使系統具有較好的靈活度和易用性，系統結構架構圖如圖2所示。

圖2 系統結構架構圖

2.1 硬件設計

本系統硬件使用模塊化設計，分為主控模塊、傳感器終端模塊和輔助模塊。傳感器終端模塊通過主控模塊接入ZigBee網絡[9]，將采集到的數據通過主控模塊中網關上傳到數據中心，經自動分析后可對終端設備進行聯動控制，雞舍安裝有配套的PLC控制模塊，因此同時支持遠程和現場操作，硬件網絡拓撲圖如圖3所示。

圖3 系統硬件設備網絡拓撲圖

(1) 主控模塊是組網核心模塊，設計由處理器模塊、射頻處理模塊、通信模塊以及顯示模塊，完成ZigBee協議組網、數據匯聚、數據轉換以及與數據中心進行通信功能，其中處理器選用TI公司的CC2530為主控芯片，集成ZigBee解決方案，通過外擴接口加入功率放大模塊，提高通信距離、減少丟包率。

(2) 傳感器終端模塊包括數據采集設備、終端控制設備，通過RS485總線接口接入，傳輸速度可達4.375 MB/s，單級最多可納入32個節點，有利于節點擴展[10]，并使用可靠性高的ZigBee技術構建無線網絡。其中傳感器的選擇上考慮微型化、低成本、低功耗、優良射頻性和可擴展性等，攝像頭選擇海康威視 HIKVISION，通過接入螢石云平臺，能直接進行Web調用，支持在線360度旋轉及多倍變焦，實時獲取雞舍高清畫面。

(3) 輔助模塊主要包括電子標簽、體重秤和電源模塊。電子標簽是雛雞出生時佩戴的高頻電子翅標，由20位編號組成，即3位雞舍編號+8位出生日期+1位性別號+8位順序號，每個編號都能唯一識別雞個體；體重秤是帶有RFID識別和數據自動傳輸功能的體重采集器，設計為U形結構嵌入在雞舍洞口，能自動識別雞個體并上傳體重數據；電源模塊采用太陽能和蓄電池混合供電模式，采用繼電器給各傳感器一對一供電，提高運行穩定性。

2.2 軟件設計

軟件負責硬件設備的動態接入、數據流控制、流程管理、任務管理、數據采集、動態監控、預警提示等功能。由后臺管理系統、通信服務中間件、移動終端程序三部分組成，配合完成數據采集、傳輸、存儲、分析和展示功能。后臺管理系統采用B/S模式開發，開發語言采用C#，開發工具使用Microsoft Visual Studio 2012，通信服務中間件基于C/S模式開發，開發語言采用C++實現，移動終端程序支持Android和iOS兩種系統，數據庫采用Microsoft SQL Server 2012。

1) 后臺管理系統為軟件系統的基礎部分，管理物聯網設備上傳的數據及生產過程中的業務數據，為不同角色用戶設置系統權限。開發框架采用主流MVC分層架構，即邏輯層、數據層和界面層，降低程序耦合性，便于后期系統維護，同時預留數據接口，提高系統可擴展性和開放性。后臺管理系統主要功能包括設備管理、知識庫管理、流程管理、監控預警、生產資料管理、用戶管理等。

(1) 設備管理：包括設備編號、標識、名稱等，設置通信通道、同步頻率、網絡接入等各項參數，設備雙向通信基于TCP長連接，能實時推送指令和反饋，遠程管理終端設備的運行模式、啟停狀態。

(2) 知識庫管理：梳理北京油雞規范養殖體系，包括喂水、喂料、防疫、溫濕度、光照、體重、產蛋等，按照生長階段將以上各標準養殖知識建立數據庫表，建立索引和視圖，形成油雞養殖知識庫。

(3) 流程管理：以油雞標準養殖知識庫為基礎制定各批次的生長流程，用甘特圖的形式進行維護，并采用任務的形式進行管理，即移動終端負責任務上報，后臺進行任務生成、下發、審核、提示等操作，管理者能實時查看、跟蹤任務完成情況。

(4) 監控預警：能查看各雞舍物聯網設備的運行狀態和監控畫面、實時上傳的環境數據和生產數據，分析雞舍生產性能，如飼料消耗量、產蛋率、蛋料比等多項指標，后臺系統自動與標準生產知識庫進行對比分析，超出閾值時頁面自動給出消息提醒，以顏色變化和閃爍形式呈現，并推送到管理者的移動終端，自動對雞舍現場的設備進行反饋調節，及時調整生產策略以達到標準的生產環境。能按雞舍、批次、時間等條件對歷史數據進行追溯，以了解各階段生長狀況。

(5) 生產資料管理：對養殖場生產資料管理，包括雞舍管理、批次管理、疫苗管理、藥物管理、飼料管理等，詳細記錄生產資料入庫、出庫、盤整、使用記錄，管理者能實時了解生產經營數據，并且用來計算分析生產性能。

(6) 用戶管理：設計多級用戶管理模塊，能對用戶進行注冊、審核、權限分配、注銷等操作，其中后臺能根據不同角色來進行權限的靈活配置和自由分配，以滿足不同規模雞場用戶管理需求。

2) 通信服務中間件實現后臺管理系統與物聯網采集設備、終端控制設備之間的通信，網關節點與服務器采用C/S工作模式，通信模塊使用基于TCP/IP協議的Socket通信技術，以二進制格式進行數據傳輸，以提高時效性和安全性，同時支持HTTP協議，控制后臺可直接操作終端設備。

感知節點上的采集設備上電初始化后，啟動數據發送程序，串口監聽線程讀取字節信息并加入隊列，并將數據打包、封裝，啟動數據解析線程從獲取到的數據包按照協議進行解析，得到解析結果，將數據保存到數據中心，并發送給控制中心，控制系統經過分析、決策后發出控制指令，進而實現對終端控制設備的調整，如圖4所示。

圖4 數據采集控制程序流程圖

3) 移動終端程序主要完成個人任務管理、遠程監控、預警提示、資源查詢、專家服務等功能，利用React Native開發創建原生應用，同時生成安卓和蘋果版本，以JSON和XML數據接口形式與后臺管理系統進行數據通信，與數據中心實時同步。

(1) 任務管理：主要是上報按照標準化生產流程下發的各項任務，包括喂食、死淘、轉群、添加劑、消毒、疫苗接種、生產資料調整及其他各項生產事務工作，并且可以查看、跟蹤歷史完成任務，具有審核權限的用戶能對上報信息進行審核。

(2) 遠程監控：能隨時查看雞舍視頻畫面、各項環境參數及生產數據，追蹤歷史數據，并且能對終端的控制設備進行遠程操作，配合后臺管理系統提高監控的便利性和實用性。

(3) 預警提示：發生預警時后臺系統自動進行消息推送，移動終端能及時接收到預警信息，管理人員能第一時間做出應對。

(4) 資源查詢：開發標準生產知識庫查詢功能，以關鍵字搜索、熱點推薦、分類提示等多種形式實現，用戶能隨時隨地查詢、學習飼養知識，提升養殖技能。

(5) 專家服務：融合北京12396農科服務熱線，接入農業專家咨詢服務，可一鍵發起電話呼叫、視頻通話、在線咨詢服務，快捷接受專家遠程診斷服務。

3 系統實現

鑒于系統潛在用戶很多為一線飼養人員，界面的設計上力求簡潔明了，突出重點，兼顧易用性和合理性。根據不同角色權限設計不同的系統頁面，提高用戶體驗度。后臺管理系統頁面以成熟的Easy UI框架為基礎進行開發，以提高開發效率和運行穩定性，移動終端界面設計采用高性能的MUI前端框架，能滿足移動終端的多種應用場景，同時配合HTML5+CSS3技術渲染顯示效果，增加用戶黏性。圖5為管理系統首頁及移動終端上報界面，其中左圖為監控平臺，用來監控雞舍信息，右圖為移動終端監控及任務管理頁面。

圖5 管理系統首頁及移動終端上報界面

4 結 語

系統將物聯網技術與油雞健康養殖規范深度融合，通過構建知識庫、生長流程和任務來實現科學養殖及日常工作的規范化管理。系統在應用過程中表現出了多方面的優勢：

1) 依托北京農科院畜牧所油雞規范養殖體系，建設了規范、科學的生產知識庫，能提供很好的技術支持。

2) 以物聯網采集和控制設備為基礎，合理構建網絡節點，與油雞標準生產知識庫相結合，實現智能預警、科學決策。

3) 強大的任務管理機制，能根據標準生產知識庫自動生成生產流程和派發任務，與日常工作相結合，形成了高效、規范的管理方案。

4) 在移動終端開發專家服務模塊，能方便、快捷地接受專家服務，遠程解決生產過程中飼喂、病疫、衛生等各方面的問題。

系統自研發部署后，經過長時間的實驗和測試，設備穩定性好，數據準確，并且可維護性好，支持市場上多種傳感設備的在線接入，具有廣闊的應用前景和推廣價值。但系統仍有許多不足，需要在后續研究中進一步的完善：油雞規范體系本身也是一個不斷完善過程，需要大量的數據來不斷豐富，因此有必要將系統收集的數據深度分析，以驗證和完善規范體系；電子標簽易脫落、成本較高，可采用其他生物識別技術以提高可靠性、降低使用成本；市場上傳感設備型號各異，數據傳輸協議存在差別，需要統一開發平臺提高兼容性和擴展性。