生豬智慧養殖物聯網系統設計與實現

摘要：

為實現遠程對養殖豬舍的自動化管理，促進生豬養殖產業的智能化發展，以宿遷市東川養殖場為背景，采用分布式控制架構，綜合運用無線自組網通訊、云計算等技術，構建基于養殖實時感知、決策、控制的生豬智慧養殖物聯網系統。該系統可實現豬舍環境、飼料投喂、豬只生長情況等多項數據的實時監測，并通過系統進行自動策略分析控制。同時配備移動端APP，方便管理員隨時隨地進行豬欄監管和數據查詢。測試結果表明，針對不同環境和養殖分區，該系統可實現豬舍分布式環境監測、遠程調控、豬只生長監測、生豬生理狀態監測等功能，系統無線信號傳輸穩定，控制可靠性高，連續進行1 000次接收數據測試數據無丟失，平均響應速率lt;200ms。

關鍵詞：生豬；智慧養殖；遠程調控；物聯網；管理平臺

中圖分類號：S24

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 01-0073-06

Design and implementation of IoT system in swine intelligent breeding

Wang Zeping¹， Ying Shijia²， Fang Yinlong³， Liu Zheng⁴

（1. "Suqian Institute of Agricultural Science， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Suqian， 223800， China;

2. Institute of Animal Science， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing， 210014， China;

3. Nanjing Luwei Intelligent Technology Co.， Ltd.， Nanjing， 210014， China； 4. Nanjing Institute of Agricultural

Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract：

In order to achieve remote automated management of swine farming houses and promote the intelligent development of swine farming industry， taking the Dongchuan breeding farm in Suqian as the background， this study adopted distributed control architecture， integrated wireless AD hoc communication， cloud computing and other technologies to build a swine intelligent farming iot system based on real-time perception， decision-making and control of breeding. This system can realize real-time monitoring of swine house environment， feed feeding， swine growth and other data， and perform automatic strategy analysis and control through the system. In addition， the system is equipped with a mobile APP for administrators to supervise the pigsty and query data anytime and anywhere. Test results show that the system can achieve distributed environmental monitoring of swine houses， remote control， monitoring of swine growth， and monitoring of swine physiological status for different environments and breeding zones. The wireless signal transmission of the system is stable， the control reliability is high， the data is received for 1 000 times continuously without data loss， and the average response rate is less than 200ms.

Keywords：

swine; intelligent breeding; remote control; Internet of Things; management platform

0"引言

受條件設施、養殖技術、養殖規模等因素的影響^［1］，養殖戶很難及時發現生豬的異常，從而導致生豬病死甚至傳染，造成巨大損失^［2］。此外，由于規模化豬場養殖密度高，生豬患呼吸道疾病的概率增大^［3］，對舍內環境控制、生豬健康狀態監控以及生產關鍵數據實時監控等方面提出更高的要求。因此，規模化的豬場中，在盡量避免人和豬接觸的情況下，如何在早期發現異常豬，實現養殖環境精準可控是亟需解決的問題。調研顯示^［4］：48.38%農牧企業用工成本增高；超50%的農牧企業采取靈活用工方式，實施云平臺辦公、自動化生產等。可見，以狀態感知、實時分析、自我決策、精準執行^［5］為特征的數字化、自動化、智慧化養殖方式已成為現代生豬養殖不可或缺的內容和發展的主要方向，也是農牧產業創新發展的重要力量。

早在2016年，歐美畜牧業發達國家規模化豬場智能化飼養設備的使用率已達到60%^［6］。我國物聯網在農業養殖業領域的應用起步雖然相對晚一些，但隨著物聯網的發展，在“互聯網+”的推動下，近年來我國在智慧養殖信息化水平方面同樣涌現出許多成果。楊東軒等^［7］選取低功耗WiFi微控制器以及兼顧成本和性能的環境傳感器，設計并實現一種低成本的禽舍環境監測器；劉冠廷^［8］利用Zig Bee技術建立組網模型對禽畜舍環境進行智能管控，這個模型可對多源感知節點進行精準監測，并且通過GPRS DTU對數據進行可靠傳輸；劉恰^［9］提出的移動式散養雞舍環境監控系統，在實現環境參數提取的同時，通過模糊神經網絡PID控制方式對雞舍溫度進行控制，系統可實現根據適宜雞只生長的溫度來控制溫度裝置；牛海春等^［10］利用一種基于STM32F103RCT6的微控制器進行設計并制作出畜禽養殖環境監測系統；鄺楚文等^［11］針對畜禽養殖場地處偏僻，設備落后及異地養殖存在管理難點的問題，采用中移M6315模組，分析LwM2M協議、MQTT協議的發布訂閱機制，以輕量級TCP協議進行網絡傳輸，實現了畜禽養殖自動飼養機、通電水閥等功能。王默宣^［12］通過無線通信獲得傳感器數據并控制繼電器開關，實現面向智慧養殖均衡環境參數的物聯網聯動控制系統；徐倩^［13］提出的一種基于云平臺的豬舍監測系統實現了對豬舍內的溫濕度、光照、氨氣濃度、火焰、雨滴以及行人的監測，并利用YOLOv4算法實現豬舍內豬只的檢測、跟蹤以及分割。

現有的智慧養殖物聯網系統在使用中存在以下問題：（1）缺乏自主調節的策略和系統，現有的智慧養殖物聯網系統無法實現全自動無人化監控與管理，且很多系統監測參數單一。（2）現有人工及半自動養殖管理模式下，環境和飼喂調控管理需要依靠人工經驗實現閉環調節，對管理人員的管理經驗要求高，常因調控不及時和調控精度不高而影響養殖效果，同時人工的用工量較大。（3）現有的基于物聯網的管理系統普遍采用集中管控的模式，雖能實現數據在線監測、遠程人工操控，但難以針對不同環境和養殖分區制定不同的調控策略，難以實現高效、高質量的養殖生產管理，同時系統布線復雜，安裝及維護難度較大。

為此，本文綜合運用無線傳感器網絡、分布式控制、云計算等技術手段，設計一款較為完善的生豬智慧養殖物聯網系統，包括豬舍養殖環境和豬舍調控機構的監管控、生豬生理功能監控、自動飼喂等功能。同時，構建基于策略和模型配置的分布式調控系統，可以針對不同場景及養殖分區高效進行系統構建和策略定制，并在豬場進行驗證試驗。

1"系統整體結構

系統主要包含底層硬件設備、云服務平臺和移動客戶端三部分。底層硬件設備包含視頻監控設備、分布式環境監測終端、LoRa無線智能控制器、LoRa網關、4G智能網關、本地智能控制器。LoRa網關與分布式環境監測終端、LoRa無線智能控制器構建無線自組網，實時監測舍內多區域的溫度、濕度、氣體濃度等環境參數，4G智能網關用以接收云服務平臺決策控制指令或接收本地智能控制器指令自動控制風機、濕簾、飼喂機、補光燈等機構，實現環境智能調節和飼喂管理。云服務平臺作為系統的“大腦”，負責環境數據、機構操控、智能決策控制，與4G智能網關通過MQTT協議進行數據和指令交互，完成底層設備監控管理，提供科學的養殖管理建議，可隨時隨地查看豬場內的情況，了解豬只的健康狀態、飼養情況等，同時提供移動客戶端實現智慧化養殖管理。系統整體架構如圖1所示。

2"系統軟硬件設計與實現

2.1"硬件設計

2.1.1"環境監測終端

環境監測終端是集環境信息監測、LoRa無線網絡連接和遠程平臺監測為一體的智能監測終端^［14］，環境監測終端周期進行環境參數采集，通過LoRa與4G智能網關組網通訊，通訊采用MODBUS-RTU協議，當收到智能網關的環境數據讀取指令時，監測終端即將最新環境數據無線轉發給智能網關，再由網關轉發至遠程監控平臺，實現環境實時監測和歷史趨勢分析。環境監測終端結構如圖2所示。

系統可以實時監測當前環境溫度、濕度、光照強度、CO2濃度、NH3濃度、H2S濃度、PM2.5、PM10、PM1.0等信息，監測參數的技術指標如表1所示。

2.1.2"生豬智能耳標

所使用耳標材質為聚碳酸酯（PC），設計的通訊頻段為2.4G，包含溫度傳感器、震動傳感器、電池電壓測量3個傳感器類型，測溫精度±0.2℃，每10s發送一個數據包。該耳標所配備的網關為無線通訊，覆蓋范圍半徑為50m，網關與遠程服務器的通訊通過4G或WLAN通訊，通訊采用UDP協議。網關每5min讀取向平臺更新一次耳標監測數據，包括生豬體溫、運動時長、電池電壓等數據。服務端工作流程如圖3所示。

服務端采用Netty框架構建UDP服務器，調用耳標廠商提供的SDK解析耳標數據，最后將數據進行存儲。Netty是異步的、基于事件驅動的NIO網絡應用框架，能夠開發高性能、高可用的網絡應用程序。本框架可支持接入海量耳標終端，而且性能優秀。

2.1.3"智能LoRa無線控制器

智能LoRa無線控制器是集2路AD數據采集、4路開關量輸入、4路繼電器輸出控制、無線LoRa通信、遠程平臺操控為一體的智能控制終端，控制終端通過LoRa與4G智能網關組網通訊，采用MODBUS-RTU協議。為滿足本地手動操控和遠程平臺遙控，智能控制器通過開關量輸入端外接多路自復位操作按鈕進行本地操控，同時通過LoRa通訊進行遠程指令操控，具體工作流程如圖4所示。

當本地按鈕按下時智能控制器自動進行防抖檢測，并根據當前設備運行狀態進行相反運行狀態輸出，再經強弱電隔離驅動完成220V或380V的強電設備控制，同時記錄的設備運行狀態也相應進行更新，并實時發送給4G智能網關進行遠程平臺的設備狀態同步更新，從而保證遠程平臺端能夠實時動態監測本地機構運行狀態；當遠程平臺控制指令通過4G智能網關下發至智能控制器時，控制器通過ID和操作指令解析，控制繼電器輸出使設備達到預期工作狀態，并進行設備狀態更新存儲，同時反饋控制執行結果，保證設備遠程可靠閉環控制。

2.1.4"4G智能網關

網關采用FCU1103嵌入式控制單元，Cortex-A7架構，NXP單核i.MX6UL處理器，支持LoRa、4G無線通信、485總線通信，與服務器采用MQTT協議交互，實現本地控制系統高效網聯管理，保證消息的可靠性。智能網關作為整個監控系統的核心，具備LoRa自組網能力和遠程網絡無線通訊能力，負責與環境監測終端和智能無線控制器組建無線通訊網絡進行環境數據采集、設備控制、設備運行狀態監測，同時連接遠程服務器完成數據遠程傳輸和控制指令接收轉發^［15］，智能網關的工作原理如圖5所示。

智能網關內建4個線程任務，通過文件配置設定各任務執行參數進行循環執行。網關同時還配有觸摸顯示終端，通過可視化數字文本和動態圖標實時顯示當前養殖舍的環境參數和設備運行狀態，并對LoRa終端設備的連接狀態和遠程服務器的連接狀態進行動態監測，幫助現場管理人員更加便捷地查看與管理。

2.2"軟件設計

智慧豬舍管控云服務平臺基于Spring框架設計開發，由訪問層、前端展示層、交互層、業務應用層、數據層和平臺層構成，系統功能如圖6所示。數據中心通訊中間件采用Niosocket通信，負責與智能網關建立4G連接，維持連接并進行接收數據和操控指令的雙向收發和解析存儲；后端基于spring框架，用于完成軟件通訊功能的業務和數據支持，與前端建立交互；業務應用前端交互基于VUE進行設計，提供Web頁面進行人機交互。

2.2.1"軟件后臺

1） "數據庫設計。系統后臺數據庫采用MySQL+Elastic Search雙數據庫，MySQL存儲業務數據，Elasric Search存儲設備采集的數據。由于業務數據量相對較小，而且增量不大，故選用關系型數據庫MySQL^［16］；由于設備采集的數據量會隨著時間的推移越來越大，Elastic Search具有實時存儲和實時分析的分布式搜索引擎，面向文檔，檢索速度快等特點^［17］，故選用Elastic Search存儲傳感器數據，能大大提高數據的檢索效率，提升用戶體驗。

2） "決策管理。后臺共采用兩種策略管理模式。一是定時策略：后臺啟用定時策略，執行系統預先設定的控制模型，策略模型包含開啟養殖舍內的風機、濕簾、喂料、照明等機構，定時時間到，下發控制指令至智能網關；二是規則策略：系統后臺根據實時采集的傳感器數據以及系統預制的控制模型，進行實時在線分析，若達到某一控制模型的觸發條件，則立即執行。智能網關內部集成的4G通訊模塊在系統啟動時自主連接管控平臺，并與平臺進行調控策略和模型的匹配，若有修改則同步更新，若無修改則直接運行，自動調控策略運行時，依據調控策略對接收到的環境參數信息進行解析并生成調控指令下發給智能控制器完成機構自動調控，并將實時參數和機構狀態同步向平臺更新傳送。智能策略控制運行機制如圖7所示。基于自主策略的養殖在線調控能夠進一步解放人工，并擺脫現場養殖管理對人工經驗的過分依賴，解決人工或半自動管控模式下調控不及時和調控精度不高等問題。

2.2.2"軟件前端

軟件前端采用Html+Css+Vue框架進行設計開發。軟件功能包括數據監測，后臺管理，設備管理，用戶管理等多模塊。點擊進入軟件后臺，可從數據監測頁面查看所有環境監測終端的數值及舍內所有設備的運行情況；視頻監控中所選用的是360°可旋轉攝像頭，在軟件后臺可以根據需要向上下左右自由旋轉，并可放大縮小近遠焦查看所想要觀看的區域；除此以外，在后臺的設備管理中，可自由地增加、減少或者編輯養殖舍內的設備信息，同時設備模型中可自由配置屬性，并進行圖標管理；生豬管理中，也可以自由增刪生豬編號，并對其具體的信息如日齡、免疫情況等進行編輯，并可隨時查看每一頭生豬的具體體溫及活躍度情況；同時，后臺的數據報表可供隨時查看并導出歷史數據；用戶權限管理界面可供管理員進行用戶訪問權限的設置。

3"系統集成與測試

智慧養殖物聯網系統主要從3個方面作為切入點實現智慧養殖：一是通過傳感器和攝像頭對養殖場內的狀況進行環境數據、影像數據的采集；二是分別對2種數據進行解析、處理和分析，驅動分布式智能控制器進行養殖機構調控；三是對Web端進行環境超標、病豬監測的告警推送，并通過Web端實現環境控制。

3.1"系統集成

用戶直接訪問公網IP進入Web頁面，登錄智慧豬舍養殖管控平臺后，用戶可在前端頁面實時查看到豬舍內視頻監控窗口、豬舍內環境監測數據、豬舍內調控機構的狀態以及豬舍內各豬只身體狀態，并可在前端頁面進行豬舍風機、濕簾、喂料、照明等開關操作。飼養員不僅能通過前端界面查詢飼喂記錄以及生豬身體狀態，系統還會向用戶提供各種異常報警（包括豬舍環境溫度異常以及豬只體溫異常）。實際前端交互界面經過日常使用驗證，可以完成業務需求。

3.2"生豬個體體溫監測

通過生豬佩戴的無線設備，實時采集對應生豬的體溫、行為信息，及時提供健康異常狀態預警。通過后臺點擊生豬耳標所屬編號，可查看對應生豬體溫和運動時長的當前和歷史數據。同時可獲得該豬日齡及所接種疫苗的具體情況；在整個試驗過程中，選取的生豬的耳朵體表溫度在35.52℃～36.93℃范圍內波動（圖8）。由于試驗時間跨度較大、豬舍外界環境消毒等因素，造成了豬的體表溫度出現些許變化，但可作為生豬是否發病的參考衡量因素之一。

3.3"系統可靠性測試

對智慧養殖物聯網系統進行測試，環境監測終端每1min上傳一次數據，結果如表2所示，可以看出連續進行1 000次接收數據測試數據無丟失。

對LoRa網關分為兩步進行測試，結果如表3所示。首先是下行數據測試，通過向4個LoRa無線控制器下發控制指令，底層設備均能正確響應，說明LoRa網關下行數據轉發正常；從收到指令到下發指令，耗時0.5s，數據無丟失，控制成功率100%。其次，通過對上行數據測試，每次下發控制指令，均能接收到LoRa無線控制器返回的響應，說明上行數據正常。

4"結論

1） "設計一套生豬智慧養殖物聯網系統，該系統利用各類傳感器集實時采集、記錄、上傳、報警等功能于一體，通過云端（阿里云）進行數據分析、保存并將報警信息通過微信小程序和短信推送給養殖管理員，可實現對各區域養殖環境、豬只生長信息、飼喂設備的動態監管控。

2） "本系統數據傳輸與遠程操控穩定可靠，平均響應速率lt;200ms。系統支持PC端網頁、微信端登錄查看及導出實時數據、實時曲線、報警記錄、歷史記錄等，可以極大地減少養殖人員的工作量，提高工作效率和信息化管理水平。

3） "構建的基于策略和模型配置的分布式調控系統，靈活性更高、實用性更強，可以針對不同場景及養殖分區高效進行系統構建和策略定制，更契合規模化智慧養殖的產業及技術需求，保障生豬養殖安全與質量的同時，實現提高養殖企業的經濟效益和社會效益的最終目標。

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