基于SpringBoot框架的群養母豬飼喂站管理系統設計與試驗

余鵬翔 石軍鋒

摘要：母豬的群體養殖是一種能保證動物福利，提高母豬生產性能的重要養殖管理模式。為實現母豬群養過程的數字化及智能化，基于自主研發的群養母豬飼喂站硬件平臺，采用B/S模式設計一個群養母豬飼喂站管理系統。系統后端使用基于Java語言的SpringBoot框架作為系統組件管理和運行的主要框架；設計后端數據庫中的數據結構，優化后臺系統中持久層數據的操作訪問；使用Netty實現飼喂站及客戶端與后臺間的實時通信；基于Spring事務管理，封裝可復用的業務邏輯，設計母豬信息管理、飼喂計劃專家系統、飼喂站實時監控等系統功能模塊。系統前端采用漸進式Vue框架實現用戶與各個功能模塊的人機交互。試驗表明：本系統能實現對群養母豬飼喂站的控制和狀態監測，并根據母豬特性和專家知識庫動態生成每天的飼喂計劃；在基礎實驗條件下，系統的飼喂站并發量可超過120臺，理論最大母豬容納量超過5 400 頭，能夠滿足大規模母豬飼喂的需求。

關鍵詞：母豬群體養殖；SpringBoot；Netty；專家系統

中圖分類號：S24

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 03-0149-08

Abstract： Group breeding of sows is an important breeding management modewhich can ensure animal welfare and improve sow production performance. In order to realize the digitalization and intelligence of the sow group breeding process， this paper designs a group breeding sow feeding station management system based on the selfdeveloped group breeding sow feeding station hardware platform with B/S mode. The backend of the system uses the SpringBoot framework based on Java language as the main framework for the management and operation of system components; the data structure in the backend database is designed to optimize the operation access of the persistent layer data in the backend system; Netty is used to realize the realtime communication between the feeding station and the client and the backend; based on Spring transaction management， the reusable business logic is encapsulated and sow information management， feeding plan expert system， feeding station realtime monitoring and other system function modules are designed. The frontend of the system adopts the progressive Vue framework to realize the humancomputer interaction between users and each functional module. Experiments show that the system can realize the control and status monitoring of group sow feeding stations， and dynamically generate daily feeding plans according to sow characteristics and expert knowledge base; under the basic experimental conditions， the concurrent capacity of feeding stations of the system can exceed 120 units， and the theoretical maximum sow capacity exceeds 5 400， which can meet the demand of largescale sow feeding.

Keywords： sow group breeding; SpringBoot; Netty; expert system

0引言

過去數十年，畜牧行業的動物福利問題開始引起了人們的關注。在養豬產業，特別是母豬飼喂環節，為保證產仔母豬的福利水平，進而提升其生產性能，出現了母豬的群體養殖管理模式［1］。與傳統的單欄飼喂相比，母豬群養要求將數頭母豬圈養在同一塊較大的豬圈之中，為其提供更大的生活環境，增加自由活動的空間。這種飼喂方式理論上更符合母豬的生理特性，有利于母豬健康生長、進而提升生殖性能［24］。但母豬飼喂是一個精細化過程，其往往需要飼養員根據母豬的現實狀況（包括母豬生產周期、胎次、體態、季節等多個要素），制定對應的飼喂計劃［56］。群體養殖時大量母豬的同時管理，無疑增加了母豬飼喂的耦合度，有較大的現場管理難度。為解決這一問題，發達國家提出了母豬飼喂站配合管理系統的自動化母豬飼養方案［7］。如加拿大Gestal母豬管理系統以及荷蘭Velos系統等［8］，這些方案通過在群養豬圈中加入電子母豬飼喂站，用與其配套的智能管理系統實現母豬群養的實時管理監測。

與此相比，國內的相關研究還處在設備研究的階段。在母豬狀態監控領域，熊本海等［9］將電動推桿、定量倉體等的機械機構，結合嵌入式控制系統，實現了哺乳母豬的精準飼喂；楊亮等［10］通過在有身份識別模塊的母豬飼養分隔倉上設置觀察窗的方式，實現了母豬發情狀態的智能化監測。而在母豬群養飼喂設備領域，程維波等研制的ZWZ50C型母豬電子飼喂站、黃昊等［11］研發的智能化母豬飼喂控制系統，都為母豬的群養管理提供了一定程度的硬件基礎。但要將這些技術應用于實際生產，配套的飼喂站管理系統軟件還不成熟。將先進的智能制造技術應用于母豬飼喂領域，開發出一套適應于中國母豬養殖產業的飼喂站管理系統，對于我國整個生豬養殖產業升級以及母豬飼養理論的相關研究都有著十分深遠的現實意義［1213］。

本研究設計的群養母豬飼喂站管理系統，基于SpringBoot和Netty框架，根據預設的通信邏輯與母豬飼喂設備和用戶進行通信，實現母豬信息管理、飼喂站設備監控、飼喂決策、用戶權限管理等功能，為群養母豬飼喂實踐過程中的精細化飼喂以及實時監控提供后臺支持。

1系統整體設計

1.1系統拓撲結構

整個系統的拓撲結構如圖1所示，分為三層：客戶層、網絡服務層和感知控制層。服務器部署于擁有公網IP的云服務器中，為客戶層和感知執行層提供數據服務。客戶層PC端和移動端獲取服務器中的前端資源之后，使用HTTP和WebSocket兩種協議實現其與后臺的數據交互。HTTP用于獲取實時性不大的數據資源（母豬大部分屬性以及飼喂站注冊信息等），用WebSocket傳遞實時狀態資源（飼喂站各硬件狀態等）。感知控制層直接使用TCP/IP協議連接后端系統，根據自定義的通信協議進行實時信息傳遞。感知控制層硬件采用自研的基于嵌入式Linux的母豬電子飼喂站。該飼喂站使用RFID技術判斷入站母豬身份信息，可以實現精準飼喂和母豬狀態監測［11］。

1.2群養母豬管理系統架構

群養母豬管理系統的主要功能分為兩方面。一是提供用戶交互的界面，用戶可以通過系統提供的交互頁面實現對飼喂現場信息的掌握、飼喂計劃的設置、生產活動的記錄等活動；二是與底層的飼喂站硬件進行實時數據交流，實現對現場的監測和控制。整個管理系統使用SpringBoot框架開發，總體架構如圖2所示。其中后臺業務邏輯系統按照MVC的軟件架構分為6層。

1） 基礎環境層，是母豬管理系統運行的基礎。本系統使用Tomcat容器作為運行基礎，Nginx實現PC端前端的反向代理。與此同時，使用MySQL關系型數據庫作為數據持久層環境，為后臺數據操作提供持久化平臺。

2） 數據持久層，主要實現后臺對數據庫的操作。持久化層使用MyBatisPlus和Druid，在建立與訪問數據庫高效連接的同時，將后臺業務所需的查詢語句封裝成對應的方法，方便實際業務調用。

3） 業務層，旨在封裝實現應用中各模塊功能的業務邏輯，例如母豬注冊、飼喂站設定、飼喂計劃制定等。有效降低了程序的耦合度，提高了代碼復用性。

4） 控制層，定義了與后臺交互的數據傳輸接口。前端應用和飼喂站通過調用這些接口實現實際數據的交互。使用SpringMVC，結合應用前端傳入的數據調用業務層；利用Netty設計高并發的數據通信模塊，實現客戶端與后臺之間的連接保活以及全雙工數據交互。

5） 前端UI層，主要實現用戶與系統之間的信息交互。用戶可以通過與這一層的交互管理母豬信息、設置飼喂站參數、調整專家系統決策策略。

6） 執行層，主要指母豬飼喂站。飼喂站在完成飼喂業務邏輯的同時會按照規定的通信協議與管理系統實時進行數據交互。

2數據庫設計

群養母豬管理系統的建立離不開數據存儲。本系統采用開源的MySQL數據庫，用數據庫連接池技術優化數據操作的同時，還根據實際情況設計了數據庫結構。數據庫的主要實體間的關系如圖3所示。為實現母豬在群養過程中的管理，以及母豬狀態和飼喂站狀態的監控，設計了母豬表與飼喂站表。而為了實現生成飼喂計劃的專家系統，還單獨建立母豬品種和總體飼喂計劃表。飼喂計劃細則表根據母豬飼喂量的時效性需求而引入。該表通過記錄母豬生產不同時期相對時間段的具體飼喂量，從而完善總體飼喂計劃。整個數據庫表結構設計遵循第三范式原則，其主要信息表如表1所示。這些表為建立母豬信息管理以及飼喂專家系統奠定了數據持久化的基礎。

3功能模塊設計

3.1系統功能模塊設計

根據母豬群養的實際需求，本文設計了母豬群養管理系統的具體業務功能，包括豬場信息管理模塊、飼喂站監控模塊、飼喂專家系統模塊以及系統管理權限模塊。具體各系統模塊內容如圖4所示。

3.2模塊功能具體實現

1） 豬場信息管理。圖5為本系統模塊中母豬信息管理功能的業務活動圖，其他功能的實現與其類似。

母豬信息管理是實現母豬精細化飼喂的重中之重。但隨著母豬數量的增加，此類的信息管理難度也會急劇上升。豬場信息管理模塊就是實現母豬信息管理、統計和分析的模塊。本文設計了便于實際飼養員進行信息管理操作的業務邏輯，只要完成母豬的入站注冊和信息核對即可實現全體的信息管理。同時，該模塊還會整合飼喂站上報的記錄信息得出綜合的統計圖表，并展現給飼養員用戶。這將有效減少其在母豬喂養工作中信息管理的難度，使對整個豬場的現狀產生更為全面的把握。

2） 飼喂站監控。飼喂站監控模塊主要實現飼喂站設備的參數設置、故障報警、狀態監控、飼喂記錄等功能。此模塊以上文豬場管理的數據為基礎，處理飼喂站狀態數據并將其整理為圖表樣式，直觀地展現給用戶。用戶通過此模塊，可以完成對飼喂站的遠程參數配置與狀態監測。引入此系統后，飼養員不用到達現場便可得知飼喂設備的實際狀態，大大降低了人員在豬舍的流動性和疫病傳播的風險，減少了飼養員的工作強度。

3） 飼喂專家系統。專家系統是人工智能領域的一大研究方向，主要用于解決特定類型的問題。完整的專家系統是由知識庫、動態庫、推理機、解釋器以及人機交互界面組成。參考其他領域專家系統的創建經驗，飼喂專家系統的建立首先需要確定影響母豬飼喂量的因素以及具體的飼喂量計算模型。在實際生產過程中母豬飼喂量的決策需要考慮很多因素，本系統根據母豬的品種、懷孕胎次、生產周期、體況、季節環境來制定每天的飼喂計劃，以此建立母豬飼喂量的計算公式：Fk=Fk0+δ1Fk1+δ2Fk2。其中Fk代表飼料k的飼喂計劃量，Fk0表示一定品種母豬具體胎次的主飼喂量，Fk1與Fk2分別代表母豬不同體況下的k飼料調整量以及季節調整量，δ1與δ2分別代表這兩種因素的調整參數。

設計的飼喂專家系統結構如圖6所示。

本系統將MySQL數據庫作為專家系統的知識庫載體，將圖3中的總體飼喂計劃和飼喂計劃細則表定義為母豬飼喂專家知識庫；前端UI層提供維護專家系統的交互界面；結合系統后端服務層和持久層的架構，封裝飼喂計劃推理邏輯以及飼喂計劃獲取邏輯，實現推理機和解釋器的功能。當飼喂站向后臺發送飼喂計劃請求時，后臺系統會查詢飼喂站下的具體母豬信息，飼喂專家系統將這些信息作為數據輸入制定飼喂決策數據，再將該飼喂站中所有母豬的飼喂決策數據匯總成CSV文件，下發給飼喂站主控制器，從而實現專家系統控制下的母豬精準飼喂。

4） 系統權限管理。本系統采用較為主流的JSON Web Token（JWT）令牌校驗的方式控制用戶登錄［15］。而本模塊是管理登錄用戶權限的模塊。系統管理員賬號可以在這里控制不同用戶對所有接口的訪問權限。系統會據此判斷開放給用戶的前端組件以及通信端口。

4前端交互與接口設計

4.1前端框架設計

前端UI使用HTML+CSS+Javascript構建。本系統為簡化前端代碼中操作頁面DOM元素的指令，整體使用Vue前端框架，將實際HTML中的DOM元素和代碼中定義的數據model模型數據相綁定（即使用MVVM架構）。與此同時，前端頁面與后端的通信部分借由Axios實現，前端根據上文設計的接口實現對系統數據的訪問和操作。整個前端工作過程如圖7所示。

前端項目根據具體功能細分Vue組件對象，實現業務解耦。除此之外，用戶在操作前端界面時，多個組件間的相互切換渲染交由Vuerouter路由進行管理。與此同時，為了實現前端頁面的權限訪問，本系統自定義前置路由守衛。路由守衛會在用戶初次登陸時調取后端系統中用戶權限信息，并依照此信息操作路由中的組件注冊，從而為不同權限的用戶開放不同的系統界面。

4.2接口設計

前端頁面主要通過HTTP協議請求數據，因此離不開此種協議下的接口設計。由于前端部署時使用Nginx，可以在實現前端高并發的同時解決前后端的跨域通信問題。所以，在前后端服務均部署在同一服務器的情況下，只要定義本地的接口地址便可滿足前后端系統數據交流的要求。本系統定義服務端的配置端口為8101，遵循可尋址原則設計各種接口。這里以飼喂計劃設置相關接口為例，如表2所示。從表中可以看出，同一模塊的接口前4節url內容相同，即“http：//localhost：8101/feedSystem/feedingPlan”。這樣做有利于本文母豬管理系統的構建，便于開發管理。

5自定義實時通信協議設計

5.1通信架構設計

整個通信結構PipeLine結構示意圖如圖8所示。

根據系統架構設計，后端系統在處理前端Web界面的Http請求的同時，還要實現兩種形式的實時通信。一種是飼喂站向后臺發送請求時的Socket通信，另一種是后臺向前端發送設備實時狀態信息的WebSocket通信。為解決母豬飼喂站和前端同時帶來的高并發連接，系統使用支持異步非阻塞通信的Netty框架。Netty主要基于epoll實現網絡通信時的事件驅動［16］。這里構建PipeLine的鏈式結構處理通信數據。利用IdleStateHandler保證飼喂站連接的心跳監測；定義ChannelChoseHandler判斷連接種類，根據連接類型分配WebSocket或者Socket連接的處理模塊；HttpServerCodec、HttpObjectAggregator、WebSocketServerHandler處理用戶Websocket連接的數據；CRCHandler、TcpDecoder、TcpDealHandler實現飼喂站信息的校驗、解碼并判斷通信信息的具體命令類別，從而進入相應的信息處理業務邏輯。

5.2通信協議設計

為了提高飼喂站與服務器之間交互的實時性，Socket連接采用了自定義的通信協議［17］，通信幀格式如圖9所示。每個數據幀大小共計n+8個字節（byte）。在實際通信過程中定義數據幀頭7E表示數據開始；分配1字節作為消息命令頭；1字節為幀序列號；3字節飼喂站編號。實際請求的字段內容會根據命令定義的具體格式分別記錄于n個單字節字段之中。最后2字節用于數據CRC校驗。不同命令頭設計如表3所示。

每個Socket連接的命令發起方發出信息時，應答方需要根據其內容回復確認幀。如果在規定時間內沒有收到應答，命令發起方會持續發送數據直至應答方確認。在這種機制下，既能實現飼喂站向后臺傳遞實時組件信息、調取圈內母豬基本信息，又能增強后臺向下發送設置指令的可靠性。

6系統試驗

6.1系統部署環境

系統運行在國內某云服務運營商提供的入門級云服務器實例之中。通過其自帶的公網IP地址，在固定的監聽端口監聽飼喂站主控的連接請求。服務器中部署安裝系統運行所需的serverlet容器、數據庫軟件等環境。其具體配置如表4所示。

母豬飼喂站安裝在重慶市合川區的某試驗場。飼喂站直接使用4G路由器接入互聯網。前后選擇五頭生產母豬作為群養母豬的實驗對象。實驗母豬在經過初期的訓練之后，開始了本系統的實際使用實驗。飼喂專家系統的知識庫由現場飼喂專家設定，飼喂站接收的飼喂計劃重置時間設為每日00：00。試驗時間從2021年1月至今。

6.2交互界面測試

系統部署完成之后，用戶直接訪問公網IP下的8080端口即可進入Web頁面。登陸系統的用戶可在前端頁面進行母豬注冊、轉欄、產仔記錄等操作。飼養員不僅能通過前端界面查詢飼喂記錄以及母豬身體狀態，系統還會向用戶提供各種異常報警（包括飼喂站設備異常以及母豬體溫進食異常）。實際前端交互界面經過日常使用驗證，可以完成業務需求。

6.3飼喂專家系統測試

飼喂專家系統是實現母豬精細化飼喂的核心部分之一。為了避免斷網等意外故障對整個飼喂系統的影響，專家系統每日00：00點會在服務器存儲環境中自動生成連續兩日的飼喂計劃CSV文件，以便飼喂站調用。這里根據飼喂專家知識庫的內容，結合試驗母豬的實際狀態輸入，核對了CSV文件中的決策結果。經過多日的測試，基于飼喂專家系統制定的飼喂計劃完全滿足母豬日常需求。

6.4飼喂站通信測試

飼喂站與后臺的通信是整個系統運作的紐帶。為了驗證后臺系統在高并發狀態下的可靠性，這里采用安裝了jMeter工具的測試機模擬大量飼喂站連接［18］。測試機采用安裝Java1.8的計算機，使用4G路由器將其接入外網環境。將jMeter工具定義的線程看作是飼喂站的模擬，以飼喂站狀態報告的命令幀為測試數據進行數據交互。記錄不同并發量下的連接建立時間、響應回復時間以及相應信息誤差率。測試得到此時的系統響應測試結果如圖10與表5所示。

試驗數據表明，在控制服務器硬件配置與網絡環境不變的前提下，當飼喂站并發量的上升到一定量時，隨著其數值的上升，會導致數據傳輸異常率、系統響應、連接用時的增加。由此判斷是系統后臺服務器的配置（這與云服務器的網絡帶寬、核心性能、內存大小有關）造成了數據傳輸的瓶頸。這里將開始出現性能瓶頸的并發量數看作系統通信性能的拐點。可以看出這個拐點在120～140之間，因此可以認為保證后臺通信穩定的飼喂站最大并發量為120，連接平均用時和平均響應時間分別為80.90 ms和343 ms。按照每個群養飼喂站的最大母豬容量（45頭）進行估算，本條件下的理論最大母豬容量為5 400頭母豬。完全可以滿足中大型豬場的母豬飼養需求。因為此并發瓶頸與云服務器性能有關，如果母豬養殖單位需要更大并發量，適當提升云服務器配置即可。

7結論

1） 本文基于SpringBoot+Vue框架，設計出了一套切實解決母豬群養精準管理問題的后臺管理系統。系統按照前后端分離的MVVC結構進行設計，將后端的業務代碼、控制代碼和持久化代碼分離，有效降低了程序的耦合度；前端使用Vue.js實現模型與虛擬Dom元素間的綁定，用事件驅動頁面渲染，提高了前端動態性能。

2） 同時，該系統還使用Netty框架，自定義了飼喂站和后臺間的通信協議，可以保證在實際的4G網絡環境下長時間、多飼喂站的實時并發通信。試驗表明，實驗環境下的后端服務在數據大量并發的情況下，產生通信瓶頸的并發量在120～140之間，平均連接用時和響應時間分別為80.90 ms和343 ms。即可以實現對120臺飼喂站設備的穩定通信控制。足以滿足大型活豬生產單位的大規模母豬生產需求。

3） 經過一年左右的試驗，系統不僅實現了對飼喂站設備的狀態監控，還實現了母豬信息管理和飼喂專家系統功能。這對于養豬產業智能化，飼喂設備物聯網領域有著重要的現實意義，也對“雙疫”影響下廣受關注的人畜分離的實現提供了技術支持。

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