基于物聯網的育肥豬舍環境適宜性評價系統研究與設計

王松奇，趙駿馳，陳 沖，顧春雷，徐顧偉

（鹽城工學院 電氣工程學院，江蘇 鹽城，224051）

0 引言

育肥豬是仔豬保育結束后進入生長舍飼養直至出欄這一生長發育最快的階段。適宜優良的豬舍環境能保證豬群健康成長達到生產要求，有效提高生豬養殖的豬肉產量和經濟效益。隨著高密度集約化方式下的生豬養殖產業快速發展，豬舍環境問題對豬生長繁殖的重要性愈發受到重視，關注生豬養殖環境對國內生豬養殖業的可持續高效發展意義重大［1］。由于豬舍環境存在多種環境因子的復雜非線性時變系統，各環境因素相互耦合形成的環境適應度是在規律范圍內的模糊概念，依靠常規控制方法難以建立準確的數學模型和取得精確的靜態、動態性能參數［2］。針對傳統生豬養殖需要大量人力現場看護、成本較高的問題，本文設計了基于物聯網的育肥豬舍環境適宜性評價系統，實現遠程自動化監測和控制豬舍環境，高效利用環境采集數據，降低資源消耗與人工成本，提升養殖經濟效益［3］。

1 豬舍環境適宜性模糊綜合評價

1.1 指標體系與評價流程

模糊層次分析法（Fuzzy Analytic Hierarchy Process，FAHP）是基于層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）的改進，在層次分析法基礎上引入模糊一致性矩陣，既將復雜系統的決策思維實行數量化，又解決了判斷矩陣一致性難以達到和存在差異的問題。模糊綜合評價流程如圖1 所示。利用模糊層次分析法模型比較各環境因素對環境適宜性的重要性，以此構建判斷矩陣F，改造模糊一致性矩陣B，計算得到評價權重向量W。依據相關文獻資料和實際豬舍情況，制定豬舍環境適宜性評價指標體系［4］，如表1所示。

Fig.1 Fuzzy comprehensive evaluation flow圖1 模糊綜合評價流程

1.1.1 確定權重評價因素

由于指標體系中的各指標間的重要性程度與復雜程度存在差異，對每個指標分別賦予相應的權值。為更客觀計算豬舍環境的各個影響因素權重，在初步排序各影響因素權重重要性程度的基礎上，運用改進多維度層次分析方法，計算育肥豬舍的環境適宜性評價權重W，并將評價結果適宜性等級劃分為3級（適宜）、2級（較適宜）和1級（不適宜）。

Table 1 Piggery environmental suitability evaluation index system表1 豬舍環境適宜性評價指標體系

1.1.2 建立層次分析模型

將豬舍環境質量評價級別劃分為適宜、不適宜、較適宜，選取的主要環境因素包括溫度、濕度、光照度、CO2和氨氣濃度。

1.1.3 構造判斷矩陣

在建立權重層次分析的模型后，比較模型中每層次元素相較于上層某個元素的重要性，通過兩兩比較構造出一個可判斷的矩陣。確定豬舍環境影響因素的主要影響程度包括溫度、濕度、光照度、CO2濃度、氨氣濃度。基于三標度方法將測量溫度（T），濕度（H），光照度（I），CO2濃度（C）和氨氣濃度（N）對5 個主要影響因素進行兩兩綜合比較。建立模糊判斷矩陣，即模糊優先關系矩陣F，F=(fij)n×n，fij的具體公式為：

其中，s(i)、s(j)分別表示不同環境參數ai、aj兩兩比較的相對重要性程度。本文中以溫度為a1、相對濕度為a2、光照度為a3、二氧化碳濃度為a4、氨氣濃度為a5建立模糊判斷矩陣F。

對模糊優先關系F=(fij)n×n按行求和，并根據式（3）進行數學變換，對應的模糊一致性矩陣B=(aij)n×n如式（4）所示，ri為行求和。

1.1.4 計算權重向量

計算矩陣按照行求和歸一化計算的排序即權重值wi。

其中，i=1，2，…，n，向量W=［0.28，0.24，0.12，0.16，0.2］。因此，豬舍環境溫度、濕度、光照度、CO2和氨氣濃度對應的權重分別為0.28、0.24、0.12、0.16、0.2。

1.2 評價方法

1.2.1 建立評價集

設定評判指標因素集合U={u1，u2，u3，u4，u5}。其中，u1、u2、u3、u4、u5分別代表溫度、濕度、光照度、CO2濃度、氨氣濃度。建立評語集V={v1，v2，v3}。其中，v1、v2、v3分別表示適宜、較適宜、不適宜。

1.2.2 建立隸屬度函數

對于集合U中的每個評價元素，在集合V中必須具備與之相關和適應的模糊邏輯關系。綜合定義舍內溫度、濕度、光照度、CO2濃度和氨氣濃度等重要環境因素綜合評價隸屬程度，以環境因素函數集合U={u1，u2，u3，u4，u5}對豬舍構造評價等級函數集合V={v1，v2，v3}中不同評價等級的隸屬程度建立綜合隸屬度函數。具體的，溫度、濕度、光照度、CO2和氨氣濃度所對應的隸屬度函數為：

其中，評價因素ui的表征指標值為x，區間端點記作xi、xi+1，各評價等級的隸屬度記為μ(x)。通過參考文獻資料與專家意見能得到以a、b、c、d、e、f為各環境因素隸屬度對評價等級的臨界點。對于評語因素群集合U的每個評語元素，依據評語因素群集合U的每個指標及其層次關系對其建立模糊化的關系矩陣式，如（9）所示。

式中，rij=μR(u1，v1)，μR(u1，v1)為uij對vij的隸屬度值。

1.2.3 建立模糊綜合評價模型

建立豬舍環境適宜性綜合評價矩陣B=W×R=(b1，b2，b3)。其中，模糊綜合評價結果B=(b1，b2，b3)，各環境因子的權重向量W={w1，w2，.....，w5}，R為以因素集合U中各元素對評語集合V的指標等級隸屬度矩陣。利用矩陣加權平均的計算處理方法，綜合評價模型的運算與結果向量分析，根據式（10）計算評價值矩陣B。根據式（11）歸一化處理評價矩陣B；根據最大的隸屬度結果得到矩陣中的中最大隸屬向量，即max[b'j]，依據j值可知實際適宜性評價等級。

計算豬舍環境因素U對于評價集V的隸屬度：當溫度為23.9℃時，隸屬度r11=μ(ud)=0.548 8；r12=μ(ua)=0.451 2；r13=μ(uu)=0；當相對濕度為67%時，隸屬度r21=μ(ud)=0.92；r22=μ(ua)=0.08；r23=μ(uu)=0；當光照度值為520lx 時，隸屬度r31=μ(ud)=0.18；r32=μ(ua)=0.82；r33=μ(uu)=0；當CO2質量濃度值為960mg/m3時，隸屬度r41=μ(ud)=0.68；r42=μ(ua)=0.32；r43=μ(uu)=0；當氨氣濃度值為5.4mg/m3時，隸屬度r51=μ(ud)=0；r52=μ(ua)=1；r53=μ(uu)=0。

通過實際傳感器監測育肥豬舍環境數據處理結果，分別計算得到模糊評價隸屬度，建立因素集合U與評語集合V間的模糊關系矩陣R，以豬舍環境評價指標體系與隸屬度函數的式（6）—式（8）和式（5）為基礎進行上述計算，并根據式（12）計算模糊評價結果。

根據國家相應標準，育肥豬舍標準適合溫度為15～25℃，相對濕度為50%～70%，光照度為150～500lx，二氧化碳和氨氣濃度分別不宜超過1 000mg/m3和2mg/m3，相應參數隸屬度函數曲線如圖2所示。

Fig.2 Curve of each membership function圖2 各隸屬度函數曲線

2 育肥豬舍環境監測物聯網系統設計

本文設計的系統包括3 層架構；①感知層以PLC 為主控制器，PLC 運行后周期性向百葉箱傳感器發送環境數據采集指令，并接收上位機服務器和安卓手機客戶端的控制命令，實現用戶手動控制現場設備。百葉箱傳感器監測豬舍內部環境參數包括溫度、濕度、光照度、二氧化碳和氨氣濃度，與PLC 通過RS-485 通訊協議連接的觸摸屏界面實時顯示數據；②傳輸層采用GPRS-DTU 實現遠程數據傳輸，GPRS-DTU 采用RS485 通訊協議與PLC 的port 端口連接，將采集的環境數據傳輸至計算機上位機與安卓手機客戶端；③應用層采用Visual Studio 開發的上位機服務器和Android 系統的手機客戶端，實現豬舍環境數據的遠程實時顯示和發送控制命令。系統整體結構如圖3所示。

2.1 環境感知層

環境感知層設計PLC 環境參數采集和控制系統，硬件主要包括S7200PLC、百葉箱傳感器、風機變頻電機、水泵變頻電機、觸摸屏、220V-24V 電源箱及繼電器擴展部分［5］。系統在監測環境參數時，通過百葉箱傳感器檢測環境數據，采集具有重要影響的環境要素信息。傳感器與PLC 的port0 通訊端口連接，通過PLC 的RS485 協議與傳感器進行通訊。氣象百葉箱觀測的參數包含溫度、濕度、光照度、二氧化碳和氨氣濃度等環境要素［6-7］。PLC 與PC 組態連接編寫和下載程序，將環境采集數據發送至GPRSDTU 和觸摸屏進行顯示。感知層監控節點的硬件以AMX-200 224XP-E 型PLC 可編程控器為核心控制器，利用PLC 自帶的RS485 串口連接百葉箱傳感器完成數據采集［8］。PLC 主要負責環境采集數據的傳輸與對上位機發出控制命令的接收和處理，輸出控制指令發送到現場執行機構，運行風機和水機調節豬舍環境，實現整個系統的控制部分。為了應對現場環境惡劣的豬舍內部，所使用的電子電氣器件必須具有較高的可靠性，PLC 具有抗干擾能力強的優勢，能在很大程度上提升整體系統穩定性，保證系統長期運行［9］。PLC 數據采集系統流程圖如圖4所示。

由圖4 可見，系統啟動后調用初始化程序，周期地向百葉箱傳感器發送采集指令，判斷是否正常接收。PLC 接收信號判斷接收數據來自上位機服務器軟件還是百葉箱傳感器，接收傳感器返回環境參數采集信息，調用子程序處理采集數據格式和精度，并將采集的數據通過觸摸屏顯示。系統通過調用對應環境參數的異常情況判斷子程序，PLC 根據處理后環境數據結果，將實際測量值與設定溫濕度閾值進行比較，分別執行模糊控制分析程序，如果判定環境異常或接收到來自上位機用戶的控制命令，將得到最終值并輸出，控制風機與水機調節異常，實現自動化豬舍環境控制。

2.2 信息傳輸層

信息傳輸層主要通過GPRS-DTU 實現信息數據在環境感知層的PLC 控制器和數據應用層的上位機監測服務器間的雙向傳輸。GPRS-DTU、PLC 的port0 端口通過RS485 協議連接，周期設定為自由口通訊模式的PLC 緩沖區環境采集參數數據發送至上位機服務器。GPRS-DTU作為客戶端，預先配置服務器的IP 地址與端口號，與阿里云服務器部署的上位機監測服務器IP 地址與端口號保持一致。DTU 與上位機服務器間采用Socket 方式通信，由GPRS-DTU 端（客戶端）發起請求，服務器端發送接受信號或反饋命令對GPRS-DTU 端作出響應，進而實現用戶對現場設備的控制。

Fig.3 Overall structure of the system圖3 系統整體結構

Fig.4 PLC data acquisition system flow圖4 PLC數據采集系統流程

2.3 數據應用層

上位機服務器是物聯網系統應用層的核心，負責整個監測評價系統的數據處理，也是下位機硬件設備與Android 手機客戶端進行數據交互的紐帶［10］。因此，本文開發了基于Visual Studio 的上位機軟件作為服務器端與基于Android 系統的安卓手機客戶端軟件。服務器接收來自GPRS-DTU 客戶端的環境采集數據并實時顯示，向手機客戶端發送，保證手機移動端豬舍環境信息同步。設計數據界面顯示環境感知層采集的準確參數數據，并通過用戶手動發送控制命令，經由GPRS-DTU 遠程發送給下位機PLC控制器的方式進一步控制現場設備，實現豬舍環境質量調節的智能化控制［11］。GPRS-DTU 模塊、Android 客戶端與上位機間通過建立Socket 連接進行數據通信。上位機服務器監控程序部署在固定IP 地址的云服務器中，可長期不間斷接收、處理現場采集的環境數據和Android 手機等多客戶端的服務請求［12-13］。

3 育肥豬舍環境適宜性模糊綜合評價結果

根據式（12）可知，結合5 個評價因素的權重向量對豬舍環境適宜性進行模糊綜合評價，可得綜合評價矩陣B，如式（13）所示。本文實驗所得權重向量W=［0.28，0.24，0.12，0.16，0.2］，隸屬度矩陣R=［0.5488，0.4512，0；0.92，0.08，0；0.18，0.82，0；0.68，0.32，0；0，1，0］。

由此可知，評價結果3 個隸屬度數值中b1最大。根據最大隸屬度原則，以所選參數進行的豬舍環境綜合評價最終評價結果為評價集合V的第1 個等級v1，因此豬舍環境適宜性評價結果為“適宜”。從實驗評價結果可知，某一時刻豬舍內的環境條件是由多個因素綜合決定。雖然，多次實際測量計算與文獻資料顯示，豬舍內的濕度和溫度是最主要的兩個影響因素，但不結合實際只考慮個別環境因素得到的結果通常不具有普遍性和合理性［15］。因此，綜合考慮實際重要性程度較大的多個環境因素才能對豬舍環境適宜性作出正確評價。

利用MATLAB 的GUI 工具創建簡易的系統客戶端，設計豬舍環境適宜性評判系統界面，連接模糊綜合評價算法程序，輸入相應數據，運行顯示評價結果如圖5 所示［16］。用戶輸入實際采集的環境參數數據，點擊“數據處理”按鈕，GUI 程序運行回調函數，調用模糊綜合評價函數得出此時環境評價結果適宜等級。用戶可依據評價結果采取相應措施，啟動或停止現場風機與水機，調節豬舍環境。為檢驗系統數據傳輸和處理的準確性，比較上位機監控界面與Android 客戶端顯示界面同一時刻數據，如圖6 所示。結果表明，系統數據傳輸基本準確，無錯誤情況出現。

Fig.5 MATLAB GUI evaluation system圖5 MATLAB GUI 評價系統

Fig.6 Server and Android client monitor results圖6 服務器和Android客戶端監控結果

4 結語

本文結合生豬養殖文獻資料，構造育肥豬舍模糊綜合評價系統，建立了育肥豬舍環境適宜性的模糊綜合評價指標體系，采用模糊層次分析法決定豬舍溫度、濕度、光照度、二氧化碳和氨氣等關鍵環境因子的評價權重，與π型隸屬度函數計算得到的豬舍多因子的隸屬度矩陣相結合，進行模糊綜合評判。同時，設計了基于物聯網技術的育肥豬舍環境監測系統，開發了上位機服務器與Android 手機客戶端遠程監控App，實現對豬舍溫度、濕度、光照度、二氧化碳和氨氣等有害氣體的多環境因素信息采集和遠程評價。

通過長時間的調試和運行結果表明，本文所提系統能實現對育肥豬舍養殖環境的遠程監控。基于MATLAB 的GUI 客戶端開發豬舍環境適宜性評價系統，根據實際采集數據模糊綜合評判豬舍環境適宜性，最終評判結果為“適宜”，評判結果可為豬舍環境預警和控制提供科學依據［17］。