基于物聯(lián)網(wǎng)的青貯發(fā)酵智能監(jiān)控系統(tǒng)初探*

萬(wàn)先起 徐一 歐之福 魏鼎才 李光輝 彭曉琴 王林

四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，四川成都

0 引言

為滿足人們對(duì)肉類產(chǎn)品日益增長(zhǎng)的需求，國(guó)家大力發(fā)展畜牧養(yǎng)殖業(yè)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部“糧改飼”政策持續(xù)實(shí)施，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)由糧經(jīng)二元結(jié)構(gòu)發(fā)展為糧食、經(jīng)濟(jì)、飼料三元結(jié)構(gòu)。飼料的生產(chǎn)和供給持續(xù)增長(zhǎng)，飼料中尤以青飼料增長(zhǎng)最快，最受飼養(yǎng)家畜喜愛(ài)。但青飼料供給受生產(chǎn)環(huán)境、氣候影響較大，季節(jié)性強(qiáng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全年均衡供應(yīng)。青飼料的貯存就成畜牧養(yǎng)殖經(jīng)營(yíng)主體的最大難題，青貯技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。青貯得好，青飼料營(yíng)養(yǎng)得以保存，養(yǎng)殖效果顯著；反之，青貯得不好，飼料營(yíng)養(yǎng)損失較大，甚至霉變腐爛，易引起家畜病害或死亡，造成損失。青貯的關(guān)鍵在于青貯工藝的保障和監(jiān)控。為此，作者提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立青貯發(fā)酵智能監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于保障青貯飼料的質(zhì)量尤為必要。

1 系統(tǒng)組成

基于物聯(lián)網(wǎng)的青貯發(fā)酵智能監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“系統(tǒng)”）主要包括感知層、傳輸層和應(yīng)用層。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)感知層

系統(tǒng)感知層主要是通過(guò)各種傳感器對(duì)水分、pH 值、溫度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，并將采集到的參數(shù)經(jīng)過(guò)ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絑igBee 網(wǎng)關(guān)層。由于受到青貯發(fā)酵內(nèi)的實(shí)際環(huán)境影響，傳感器必須與原料進(jìn)行接觸才能檢測(cè)到發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)變化。為此，選用的傳感器需要具有體積小、精度高、工作時(shí)間長(zhǎng)、耐腐蝕等特點(diǎn)。

2.1.1 水分檢測(cè)

圖1 系統(tǒng)組成框圖

在整個(gè)制作環(huán)節(jié)中，水分含量對(duì)青貯質(zhì)量影響重大。水分過(guò)高，青貯飼料容易腐敗變質(zhì)；水分過(guò)低，青貯飼料營(yíng)養(yǎng)容易流失，甚至發(fā)干、霉變。對(duì)于水分的控制過(guò)去一般由人為經(jīng)驗(yàn)判斷，由于不同操作人員感覺(jué)偏差、經(jīng)驗(yàn)差異等因素的差別，易造成青貯飼料質(zhì)量不穩(wěn)定。

本系統(tǒng)采用低功耗的水分檢測(cè)儀，埋入青貯窖內(nèi)，在裝填開(kāi)始時(shí)即對(duì)青貯水分進(jìn)行檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)水分不合格時(shí)立即報(bào)警提示，操作人員可以通過(guò)添加水分或者加入干燥玉米粉等及時(shí)進(jìn)行調(diào)配，直至水分滿足需求。

2.1.2 pH值檢測(cè)

發(fā)酵在整個(gè)加工過(guò)程最為復(fù)雜和關(guān)鍵，大體經(jīng)歷三個(gè)階段。

1）當(dāng)青貯填裝完成后，植物呼吸消耗氧氣產(chǎn)生二氧化碳，為乳酸菌發(fā)酵提供厭氧條件。

2）厭氧環(huán)境下，乳酸菌開(kāi)始發(fā)酵，pH 值下降，到達(dá)一定pH 值時(shí)只有乳酸菌繼續(xù)存活，抑制有害物質(zhì)產(chǎn)生，防止腐敗。

3）乳酸菌進(jìn)一步發(fā)酵，環(huán)境pH 值繼續(xù)下降，當(dāng)pH值在3.0 左右時(shí)，乳酸菌停止活動(dòng)，此時(shí)整個(gè)青貯環(huán)境基本處于無(wú)菌狀態(tài)，養(yǎng)分被鎖住，進(jìn)入穩(wěn)定期。

青貯發(fā)酵這一系列化學(xué)活動(dòng)直接決定了后期青貯的質(zhì)量。但是通常青貯裝填密封后基本不做任何管理，各個(gè)發(fā)酵階段的情況也不作監(jiān)控，因此無(wú)法保證青貯是否成功。

發(fā)酵過(guò)程中，pH 值的變化可以精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)地反映發(fā)酵情況，因此，本系統(tǒng)將pH 值做為關(guān)鍵要素監(jiān)控，如果發(fā)現(xiàn)參數(shù)變化異常，及時(shí)提醒管理人員和操作人員采取措施，保證青貯質(zhì)量。

2.1.3 溫度檢測(cè)

適宜的青貯窖內(nèi)溫度應(yīng)維持在20～30 ℃之間，當(dāng)殘余氧氣過(guò)多時(shí)，不僅會(huì)造成原料浪費(fèi)，而且會(huì)使青貯窖內(nèi)溫度過(guò)高引起青貯飼料腐敗，因此，實(shí)時(shí)監(jiān)控窖內(nèi)溫度，對(duì)青貯飼料的發(fā)酵控制具有積極意義。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用封裝完后的數(shù)字溫度傳感器，傳感器采集的數(shù)據(jù)可以直接進(jìn)行數(shù)字傳輸，主控芯片接收到該信息能夠直接進(jìn)行處理。

2.2 系統(tǒng)傳輸層

系統(tǒng)傳輸層主要包括ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、ZigBee網(wǎng)關(guān)、以太網(wǎng)。通過(guò)ZigBee 數(shù)據(jù)包和TCP/IP 協(xié)議數(shù)據(jù)包的雙向傳輸，在二者之間搭建一條透明傳輸通道，完成ZigBee技術(shù)和以太網(wǎng)互通。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸體系包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)兩部分。采集節(jié)點(diǎn)將采集的參數(shù)通過(guò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)以多跳變的方式傳送到ZigBee 匯接點(diǎn)，匯接點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)進(jìn)行ZigBee 數(shù)據(jù)包解析，從數(shù)據(jù)包中提取有效數(shù)據(jù)，進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和重新封裝打包成TCP/IP 數(shù)據(jù)包，經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)傳輸將數(shù)據(jù)送到服務(wù)器，服務(wù)器接收數(shù)據(jù)并做解析，數(shù)據(jù)分析處理完成后實(shí)時(shí)把數(shù)據(jù)同步至App 客戶端和顯示屏。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用層

系統(tǒng)應(yīng)用層主要包括顯示屏、客戶端、服務(wù)端。服務(wù)端依托第三方云服務(wù)做具體功能開(kāi)發(fā)，功能模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、處理；顯示屏安裝在發(fā)酵池，實(shí)時(shí)顯示環(huán)境參數(shù)信息；客戶端是整個(gè)系統(tǒng)最關(guān)鍵部分，采用移動(dòng)客戶端的方式設(shè)計(jì)，保證管理人員和操作人員可以通過(guò)App隨時(shí)隨地監(jiān)控發(fā)酵情況，App客戶端設(shè)計(jì)如下。

2.3.1 登錄模塊

主要實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員和管理人員的系統(tǒng)登錄、用戶注冊(cè)、找回密碼、賬號(hào)掛失功能，同時(shí)，針對(duì)不同身份人員做權(quán)限區(qū)分，保證信息安全，登錄模塊如圖2所示。

2.3.2 監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)模塊

主要對(duì)所有發(fā)酵池的監(jiān)控，考慮發(fā)酵過(guò)程的連續(xù)性，數(shù)據(jù)半小時(shí)更新1次。當(dāng)監(jiān)控出現(xiàn)異常，App端及時(shí)提醒用戶，監(jiān)控模塊如圖3 所示；為保證發(fā)酵池歷史信息查看，也便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，系統(tǒng)會(huì)對(duì)單個(gè)發(fā)酵池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并做處理，統(tǒng)計(jì)模塊如圖4所示。

2.3.3 通知模塊

當(dāng)App 不在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)主動(dòng)推送消息提醒作業(yè)人員或者管理人員及時(shí)查看監(jiān)控信息，做出相應(yīng)補(bǔ)救措施，通知模塊如圖5所示。

圖2 App登錄模塊

圖3 App監(jiān)測(cè)模塊

圖4 App統(tǒng)計(jì)模塊

圖5 App通知模塊

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)利用物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線傳感、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的青貯發(fā)酵智能監(jiān)控系統(tǒng)，能對(duì)青貯發(fā)酵過(guò)程中不同發(fā)酵階段的水分、pH 值、溫度進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并安全預(yù)警。可避免由于不同操作人員的感覺(jué)偏差或者誤操作等帶來(lái)不必要的損失，最大限度地保證了青貯飼料的質(zhì)量，可為解決當(dāng)下青貯技術(shù)瓶頸、提高飼料質(zhì)量提供一種參考和借鑒。