基于物聯網的畜牧業環境監控系統的設計與實現

鄭安琪，黃凱寧

（蚌埠學院，安徽 蚌埠 233030）

0 引 言

在以物聯網、大數據、人工智能為代表的科學技術發展浪潮下，畜牧行業迎來了向信息化轉型的巨大挑戰和發展機遇。隨著我國經濟的快速發展和生活質量的日益提高，傳統的畜牧業在產量、品質和環境監控等方面都無法緊跟時代步伐，目前國內大部分畜牧行業以中大型養殖場為代表，大都采用傳統與初級物聯網技術并存的養殖方式，傳統養殖方式占主導地位，因此亟需加快現代物聯網等技術與畜牧業養殖的深度融合。物聯網技術通過傳感設備為畜牧業提供了大量、豐富的實時信息，大數據及云計算為采集到的信息提供了深度分析和預測等支持，人工智能則基于物聯網和大數據深入發展，在機器視覺、語音識別和畜牧業智能穿戴等多個方面融入畜牧行業的生產與管理，改變了傳統的養殖方式，提高了生產管理效率，降低了人力成本，也為畜牧業架構的發展藍圖提供了思路。結合上述轉型發展架構，本文研究了以物聯網技術為基礎的智能畜牧業養殖系統。本系統以畜牧業的環境自動調節為主，具備溫濕度控制、氣體濃度監測、自動飼喂、光照強度控制等功能，適用于各種養殖場。系統利用通信技術實現數據遠程控制，實現養殖場中物與物、人與物的互聯，管理員可通過PC端或者手機終端APP進行實時調控，同時將采集到的數據形成數據報表，根據得到的數據可以預測飼養物的健康和生長情況。系統總體上達到了養殖物生長環境監控的預期要求。為畜牧業向科技型、標準化產業轉型升級提供了參考。

1 系統總體結構設計

系統總體結構分為：感知層、網絡層、管理層、應用層。感知層采集到的數據經過網絡層和管理層最終達到應用層，從而實現養殖場室內外環境數據的采集監控。具體結構設計如圖1所示。

圖1 系統總體結構設計

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件架構

系統由STM32主控模塊、時鐘電路、復位電路、數據采集模塊、按鍵模塊、數據顯示模塊、數據控制模塊和數據通信模塊構成。具體框架如圖2所示。

圖2 系統硬件框架

2.2 主控模塊

本系統選用STM32F103ZET6作為MCU，設定標準閾值，通過STM32F103ZET6完成數據采集后，與正常范圍進行比較，再判斷是否開啟相應繼電器。具體執行流程如圖3所示。

圖3 下位機總流程

2.3 數據采集模塊

系統的數據采集模塊主要包含溫濕度檢測、氣體檢測、光照強度檢測和二氧化碳檢測四個部分。

（1）溫濕度檢測模塊

適宜的溫濕度是養殖物生長的首要條件，所以需要將飼養環境的溫濕度維持在固定閾值內。系統采用STH20溫濕度傳感器，通過RS 485通信。根據某市4～5月數據采集情況以及文獻調研情況，將飼養環境的正常溫度范圍設為：22～26 ℃，相對濕度范圍設為：50%～70%，該閾值適用于當前養殖場。當溫濕度超出正常范圍，繼電器會吸合開啟溫濕度調節設備，直至溫濕度回歸正常。

（2）易燃氣體監測模塊

養殖場內易燃氣體是威脅養殖物安全的重要因素。系統選用MQ135氣體傳感器，擁有IC接口，檢測濃度范圍為：10～1 000 ppm（酒精）。當傳感器監測到易燃氣體后，會通過繼電器開啟風機降低濃度，并且將故障代碼推送給飼養員和管理人員及時處理。

（3）光照強度監測模塊

根據動物生長需求的不同，控制光強在最宜生長的范圍，有利于提高產量和肉類品質。BH1750光強度光照傳感器對應廣泛的輸入光范圍（相當于1～65 535 lx），擁有IC接口，直接進行數字輸出，具有低成本、體積小、高靈敏度的特性，工作電壓為3～5 V，適用于本系統。設置測量范圍為：10～6 500 lx，當傳感器監測到光強度低于標準范圍3 min后開啟照明設備，從而避免因特殊情況頻繁采集數據。

（4）二氧化碳檢測模塊

二氧化碳濃度直接影響養殖物的健康，所以要保證養殖場CO濃度處于標準值，當CO濃度超過正常值時會向APP端發送異常代碼，提醒管理員及時處理。

2.4 通信模塊

首先設置通信方式和波特率，接收數據后顯示在機智云平臺上，數據以日志的方式存儲在電腦端中。通信模塊執行流程如圖4所示。

圖4 上位機總流程

2.5 調控模塊

調控模塊由八路繼電器構成，分別實現對水泵、飼料閥、水閥、各地照明、光強度、空氣調節風機的控制，通過對監測參數的判斷來確定繼電器是否吸合，從而相應地調控各種設備。具體流程如圖5所示。

圖5 調控模塊流程

3 系統軟件設計

3.1 系統功能設計

基于物聯網的智能畜牧業監控系統的總體設計分為四大模塊：環境監測、信息預警、系統控制、數據分析。具體系統功能模塊如圖6所示。

圖6 系統功能模塊

環境監測功能模塊是將傳感器采集到的數據在OLED屏顯示，也會通過WiFi發送到機智云平臺；信息預警功能是接收到數據超過正常范圍后，即給APP和顯示器發送故障代碼；數據分析模塊是指數據的存儲與歷史數據記錄，方便管理者查看和分析歷史數據與實時數據；系統控制功能模塊分為本地控制、遠程控制，管理員既可以通過手機APP和電腦端調控設備，也可以控制現場按鈕啟停設備。

3.2 系統顯示

系統顯示的數據主要有溫濕度、光照強度、氣體濃度、CO濃度、照明狀態、飼喂狀態。同時可以通過按鍵實現配網、料閥及水泵開關等設備的控制。

本地端和手機端無操作時數據每10 min采集傳輸一次；當有操作時，將通過WiFi模組傳輸的數據實時顯示在客戶端界面和手機APP端，如圖7所示。

圖7 OLED顯示流程

3.3 數據分析

數據分析包括數據通信日志、數據上下線記錄和數據運行記錄。數據通信記錄主要有操作類型、操作時間和指令；數據上下線記錄幫助管理員實時查看在線情況及操作類型、操作時間，便于管理；數據運行記錄則是通過線表將數據實時顯示，通過這些數據的變化預測生產所需條件。具體如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 數據通信日志

圖9 數據上下線記錄

圖10 數據運行記錄

4 系統測試

4.1 溫度調節模塊

當溫度不在22～26 ℃范圍內時，溫度調節模塊啟動，繼電器吸合打開調節設備，直至溫度正常。此處調節模塊屏蔽濕度控制，避免由于濕度變化導致數據頻繁上報問題。以21 ℃為例，此時溫度控制模塊打開，一路繼電器亮紅燈。具體溫度調節模塊如圖11所示。

圖11 溫度調節模塊

4.2 光照強度調節模塊

遠程端使光強控制按鈕處于ON狀態，當光照強度低于設定范圍且持續3 min（避免短時間光照強度變化導致頻繁數據變化）時，相應的三路繼電器點亮，對應的三路照明電路打開，以光照強度等于0 lx為例。具體光強度控制模塊如圖12所示。

圖12 光照強度調節模塊

5 結 語

本系統針對智能畜牧業養殖方式中存在的智能化程度低、生產效率低下等問題，設計了基于物聯網的智能畜牧業養殖系統。系統實現了數據采集、傳輸、存儲、分析、顯示、預警、調控等功能。在數據調控模塊中，通過繼電器打開相應的調節設備對環境參數進行調節，以此來保障環境符合養殖物的生長需求，從而有利于畜禽的健康生長。系統可以在本地端和遠程端同步控制現場設備，方便飼養員操作，保證管理者能夠進行遠控觀測。本系統在江西某養殖場進行了實際應用，監測數據準確率高于91%，控制效率高于95%，實現養殖場環境監測和自動調控，系統具有高交互、低成本、實時監控的特點，為分析動物習性、尋找最佳生長環境、提高管理效率、實現無人值守提供了技術支持。該系統亦可以用在環境監控和預警領域，應用前景廣闊。