基于物聯(lián)網(wǎng)的肉雞養(yǎng)殖技術(shù)應(yīng)用與研究

王 亞

(江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

0 引言

近年來，食品質(zhì)量問題不斷出現(xiàn)，人們對(duì)食品的生產(chǎn)、加工、銷售過程知情權(quán)的需求更加迫切，為確保食品質(zhì)量，使人們深入了解食品生產(chǎn)的過程，建立責(zé)任可追溯體系，利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)記錄食品加工、生產(chǎn)、銷售各個(gè)環(huán)節(jié)的過程，可以使得產(chǎn)品信息透明化。

在肉雞養(yǎng)殖中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以達(dá)到肉雞養(yǎng)殖管理的細(xì)化、精化，實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖過程的監(jiān)控，確保了禽類產(chǎn)品的品質(zhì)，同時(shí)降低了肉雞死亡率，提高養(yǎng)殖場的工作效率，避免養(yǎng)殖過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)。

1 家禽養(yǎng)殖環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)包含：室內(nèi)參數(shù)的采集、無線網(wǎng)絡(luò)的傳感、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)的管理和短信的通信等。

1.1 家禽養(yǎng)殖場室內(nèi)參數(shù)采集模塊

室內(nèi)環(huán)境是指家禽養(yǎng)殖舍內(nèi)的飼養(yǎng)小環(huán)境。家禽生長的環(huán)境較為復(fù)雜，影響因素很多，經(jīng)過多方論證和篩選，系統(tǒng)選擇對(duì)環(huán)境影響較大的參數(shù)作為監(jiān)測對(duì)象。

主要包括：室內(nèi)溫度、濕度、空氣中的二氧化碳、氨氣、硫化氫以及粉塵濃度等。利用溫濕度傳感器和二氧化碳傳感器(氨氣、硫化氫和粉塵)，可以對(duì)這6項(xiàng)室內(nèi)數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的精確采集。

1.2 數(shù)據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)傳感模塊

使用傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳送，不但布線繁雜，而且成本比較昂貴，室內(nèi)操作條件也不容許有過多的線路。采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，能有效將采集到的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行高效、可靠的傳輸，并最終集中到總節(jié)點(diǎn)。

1.3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊

通過通用無線分組業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service，GPRS)可以將各節(jié)點(diǎn)收集到的室內(nèi)數(shù)據(jù)，由Internet網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)傳輸?shù)疆惖兀词占降臅r(shí)間順序儲(chǔ)存入數(shù)據(jù)庫，供數(shù)據(jù)管理模塊使用。

1.4 數(shù)據(jù)管理模塊

對(duì)各節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行儲(chǔ)存、分析、統(tǒng)計(jì)、檢索等實(shí)行有效的管理和異常處理[1]。通過Web服務(wù)器，管理微型機(jī)和移動(dòng)終端信息的訪問，當(dāng)用戶登錄該系統(tǒng)的IP地址時(shí)，新的監(jiān)控信息會(huì)被Web管理服務(wù)器系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提取，為用戶的檢索、查詢提供便利，同時(shí)也能查詢歷史數(shù)據(jù)信息。

1.5 短信通信模塊

通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索和處理，如果發(fā)現(xiàn)某一組數(shù)據(jù)異常，即超出設(shè)定的環(huán)境參數(shù)值范圍，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)以短信的形式通知飼養(yǎng)管理員和農(nóng)場主，及時(shí)調(diào)整環(huán)境并采取必要的調(diào)控措施。具體的家禽養(yǎng)殖場內(nèi)部監(jiān)控流程如圖1所示。

圖1 家禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控流程示意

2 家禽養(yǎng)殖環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主要硬件設(shè)計(jì)

家禽養(yǎng)殖場內(nèi)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、MSP430微處理器、液晶顯示器、監(jiān)控PC機(jī)、環(huán)境報(bào)警器裝置以及GSM模塊等組成。家禽養(yǎng)殖內(nèi)部遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的終端結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 家禽養(yǎng)殖環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控終端結(jié)構(gòu)示意

2.1 溫度和濕度傳感器

溫度和濕度是家禽養(yǎng)殖場內(nèi)調(diào)控的重點(diǎn)，在溫濕度檢測模塊中選用了穩(wěn)定性能好、測量精度高的SHT71傳感器，其是由瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的基于CMOSens技術(shù)的新型溫濕度傳感器，可以對(duì)溫度和濕度同時(shí)進(jìn)行檢測，并可以進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、數(shù)字變換、串行數(shù)據(jù)分析等，分析研究8Poultry Science將來可實(shí)現(xiàn)數(shù)字通訊端口和數(shù)字校準(zhǔn)的一體化，節(jié)省外圍元件，確保系統(tǒng)的長期、可靠運(yùn)行。

2.2 氨氣傳感器

ME4-NH3傳感器是一種定電位電解型氨傳感器，其工作原理為電解法，工作時(shí)將電解槽上的工作電極和參考電極連成閉合通路，因?yàn)殡姌O兩端的電勢能穩(wěn)定，傳感器通入待測氣體后，待檢測氣體中的氨與電解液發(fā)生氧化還原反應(yīng)，回路中所產(chǎn)生的電流大小與氨氣體的濃度呈正比關(guān)系，回路中電流值越大，氨氣濃度越高，經(jīng)過換算便可以得到被測氣體的濃度值[2]。

ME4-NH3傳感器的能耗較低，因而不需要經(jīng)常更換傳感器節(jié)點(diǎn)的電池，同時(shí)該傳感器還具有較高的靈敏度以及較強(qiáng)的抗干擾能力，可以有效避免空氣中其他氣體參數(shù)對(duì)監(jiān)測結(jié)果的影響，同時(shí)還有著優(yōu)異的重復(fù)性和穩(wěn)定性。ME4-NH3的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 ME4-NH3的性能指標(biāo)

2.3 硫化氫傳感器

硫化氫傳感器ME4-H2S的檢測原理同氨氣傳感器的檢測原理相同。ME4-H2S的性能指標(biāo)如表2所示。

表2 ME4-H2S的性能指標(biāo)

2.4 粉塵傳感器

在粉塵傳感器系統(tǒng)中選擇光學(xué)式DS200粉塵濃度檢測儀。其可以精確檢測室內(nèi)灰塵的濃度，測量范圍0～50 mg/m3；需要時(shí)間大約5 min；檢測儀使用壽命長、性能穩(wěn)定、反應(yīng)速度快；根據(jù)空氣運(yùn)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)原理，檢測系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)時(shí)收集樣本數(shù)據(jù)，使用簡單、方便；完全滿足國家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》以及WHO對(duì)空氣懸浮顆粒物質(zhì)量所規(guī)定的數(shù)值范圍。

2.5 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊系統(tǒng)，使用西門子公司Siemens S7-200的PLC控制系統(tǒng)，程序設(shè)計(jì)采用Step7Micro Win編程軟件，其功能強(qiáng)大、使用方便、簡單易學(xué)，可以確保傳感器數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)編碼的順利實(shí)現(xiàn)。

2.6 MSP430微處理器

使用MSP430F149微處理器能夠滿足家禽養(yǎng)殖環(huán)境對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的需求。其具備較強(qiáng)的尋址能力、片內(nèi)寄存器較多、查詢處理便捷，可以快速編制出高效的程序；微處理器中集成了較多的外圍模塊，主要包含12位A/D、精密模擬比較器、硬件乘法器、看門狗和眾多的輸入輸出接口，可達(dá)8MIPS的運(yùn)行速度[3]。適用于功耗低、性能要求高的家禽養(yǎng)殖場。

2.7 GSM模塊

FASTRACK M1206B模塊是目前使用較多的一種產(chǎn)品，其集所有的WISMO技術(shù)于一體，通過使用嵌入TCP/IP協(xié)議堆棧，具備連接功能，可賦予實(shí)時(shí)的GPRS class 10功能，可以節(jié)省時(shí)間、性能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。采用一個(gè)獨(dú)立的SIM卡，F(xiàn)astrack M1206B模塊通過串口監(jiān)控計(jì)算機(jī)的連接，通過使用OPEN AT開發(fā)工具，使產(chǎn)品正確地嵌入調(diào)制解調(diào)器，比特率可達(dá)115 200 bps。

3 養(yǎng)殖場內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

通過電腦或手機(jī)可以遠(yuǎn)程查看養(yǎng)殖場內(nèi)的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，主要包括空氣溫度、空氣濕度、粉塵含量、光照度、NH3濃度、二氧化碳和氧氣濃度等。實(shí)時(shí)查看的養(yǎng)殖場所監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)對(duì)照

4 智能報(bào)警系統(tǒng)

智能報(bào)警系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：(1)系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)設(shè)置靈活。養(yǎng)殖場所內(nèi)各個(gè)采樣點(diǎn)的上下閥值，可以靈活設(shè)置，有害氣體的濃度指標(biāo)若超出閥值，系統(tǒng)可以通過手機(jī)短信、系統(tǒng)提示等方式通知管理者。(2)報(bào)警提醒的內(nèi)容可根據(jù)模板靈活設(shè)置。根據(jù)不同客戶需求可以設(shè)置不同的提醒內(nèi)容，進(jìn)而最大限度地滿足客戶的個(gè)性化需求[4]。(3)通過提示記錄檢測養(yǎng)殖場電子裝置，可以使養(yǎng)殖場所的遠(yuǎn)程控制更加及時(shí)、快速、高效，進(jìn)而有效解決養(yǎng)殖場所的環(huán)境問題。(4)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的工作狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)設(shè)備工作異常，控制系統(tǒng)可以通過短信或消息提示的方式提醒管理者，確保系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

5 遠(yuǎn)程智能控制及信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

系統(tǒng)采用智能化遠(yuǎn)程控制技術(shù)，提供每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時(shí)的溫濕度、氨氣、硫化氫、二氧化碳、光照度等數(shù)據(jù)[6]，在肉雞養(yǎng)殖場智能控制系統(tǒng)中配置現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信、智能控制、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)養(yǎng)殖場內(nèi)部的飼養(yǎng)環(huán)境實(shí)施有效監(jiān)測，同時(shí)，對(duì)室內(nèi)機(jī)械設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程智能控制，確保養(yǎng)殖場所內(nèi)肉雞的生長環(huán)境處于最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場的精細(xì)化管理，為養(yǎng)殖肉類產(chǎn)品提供高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全的創(chuàng)造條件，從而幫助客戶降低生產(chǎn)成本、增加收益[7]。養(yǎng)殖場內(nèi)的設(shè)備配置如圖3所示。

圖3 養(yǎng)殖場內(nèi)設(shè)備配置

通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)查詢可以：(1)實(shí)時(shí)掌握肉雞的健康狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)家禽養(yǎng)殖周期中存在的問題，并能夠查找到問題產(chǎn)生的原因，找到責(zé)任主體[8]。(2)提高消費(fèi)者對(duì)禽類食品行業(yè)的信心，通過對(duì)家禽養(yǎng)殖產(chǎn)品進(jìn)行監(jiān)控，可追溯養(yǎng)殖過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，使消費(fèi)者能夠了解到所購產(chǎn)品的養(yǎng)殖環(huán)境，提升消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的消費(fèi)信心和滿意度。(3)進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測，可提高產(chǎn)品的競爭能力。實(shí)現(xiàn)肉類產(chǎn)品信息可追溯，提升了禽類產(chǎn)品的質(zhì)量以及社會(huì)對(duì)于禽類生產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的信心，促使企業(yè)的競爭力得到提高。(4)在產(chǎn)品的產(chǎn)銷環(huán)節(jié)，監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄和收集重要信息，有利于管理者對(duì)肉雞養(yǎng)殖周期中的各生長階段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不斷積累養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)，從而提高產(chǎn)品的生長效率和產(chǎn)品品質(zhì)[9]。

6 結(jié)語

使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的組態(tài)功能多樣化、智能化，穩(wěn)定性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。可根據(jù)養(yǎng)殖場雞舍的實(shí)際布局安排軟件界面，使得界面形象生動(dòng)，為實(shí)際監(jiān)測提供方便。

文章以肉雞的養(yǎng)殖為例，系統(tǒng)分析了在飼養(yǎng)過程中，使用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳和氧氣濃度傳感器等智能感應(yīng)裝置收集和整理數(shù)據(jù)的信息，采用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)信息的傳輸和操控，利用存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)信息數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行追溯和分析，實(shí)現(xiàn)了肉雞養(yǎng)殖的自動(dòng)化、智能化精細(xì)管理。同時(shí)，降低了畜產(chǎn)品的生產(chǎn)成本、提升生產(chǎn)收益，使得禽畜產(chǎn)品更加安全可靠，從而實(shí)現(xiàn)禽畜產(chǎn)業(yè)集約化、規(guī)模化的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。