基于物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)種循環(huán)智慧一體化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

摘" 要：提升養(yǎng)種過程管理的智能化水平，能夠為推廣綠色農(nóng)業(yè)和控制面源污染提供科學(xué)依據(jù)。研究結(jié)合養(yǎng)種基地的實際需求和環(huán)境條件，構(gòu)建一個集數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理與展示于一體的智慧化監(jiān)測平臺，完成對養(yǎng)種循環(huán)利用各環(huán)節(jié)理化指標(biāo)的實時監(jiān)測，保障養(yǎng)種過程的科學(xué)合理和消納污水灌溉的污染防控。另外，物聯(lián)網(wǎng)平臺和數(shù)據(jù)可視化平臺的建設(shè)讓設(shè)備的管理更便捷、數(shù)據(jù)展示更直觀。經(jīng)過測試，系統(tǒng)滿足設(shè)計要求，通過優(yōu)化該系統(tǒng)的性能與功能，加強與其他信息化系統(tǒng)的集成與協(xié)同，可進一步推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向智能化、綠色化、高效化方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；養(yǎng)殖環(huán)境；糞污消納；土壤墑情；數(shù)據(jù)可視化

中圖分類號：S126" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " A文章編號：2096-9902（2025）07-0005-04

Abstract： Enhancing the intelligence of planting and breeding process management offers a scientific foundation for advancing green agriculture and mitigating non-point source pollution. This research integrates the practical requirements and environmental contexts of the planting and breeding base to develop a smart monitoring platform encompassing data acquisition， transmission， processing， and visualization. It achieves real-time monitoring of critical indicators across each phase of the planting and breeding cycle， thereby ensuring a scientifically sound and rational planting and breeding process， as well as effective pollution prevention and control in sewage irrigation. Furthermore， the establishment of Internet of Things（IoT） and data visualization platforms facilitates more streamlined device management and intuitive data presentation. Through testing， the system meets the design requirements. By optimizing the performance and functions of the system and strengthening integration and collaboration with other information systems， agricultural production can be further promoted in an intelligent， green and efficient direction.

隨著現(xiàn)代畜牧業(yè)的發(fā)展，生豬規(guī)模化、集約化的大型養(yǎng)殖場建設(shè)成為趨勢[1]，大型養(yǎng)殖場的新建和原有養(yǎng)殖場經(jīng)轉(zhuǎn)型升級后，在成本控制和疫病防治方面有明顯的優(yōu)勢，但產(chǎn)能增加的同時伴隨大量糞污的產(chǎn)生，如果處理不當(dāng)極易造成農(nóng)業(yè)的面源污染[2]。如何科學(xué)地、綠色地實施畜禽糞污消納和利用，是破解養(yǎng)殖業(yè)糞污處理和資源化利用難題的關(guān)鍵。

目前關(guān)于農(nóng)業(yè)智慧監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和建設(shè)，主要集中在單一模塊的實現(xiàn)，例如，在生豬健康監(jiān)測方面，有研究者通過耳標(biāo)完成豬只心率的監(jiān)測[1]和豬溫、心率等基本體征監(jiān)測[3]，或者通過前腿捆綁傳感器監(jiān)測豬只體溫和心率[4]，也有研究者通過紅外成像儀對豬只體溫監(jiān)測[5]，但以上研究存在傳感器易受污染和實時性不足的問題。在圈舍環(huán)境監(jiān)測方面，有研究者通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對生豬養(yǎng)殖環(huán)境的實時監(jiān)測，包括溫度、濕度、氣體濃度等關(guān)鍵參數(shù)的測量。還有研究者設(shè)計了基于云平臺的生豬規(guī)模養(yǎng)殖有害空氣成分和溫濕度的監(jiān)測系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)的采集和存儲，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的可視化、數(shù)據(jù)的回調(diào)、綜合評估當(dāng)前環(huán)境風(fēng)險等功能[6-7]，但系統(tǒng)未在生豬健康狀況監(jiān)測方面做進一步研究和集成。在作物種植環(huán)境監(jiān)測方面，有研究者提出基于云平臺或者WEB的系統(tǒng)解決方案，對土壤和作物環(huán)境的有關(guān)指標(biāo)實施遠(yuǎn)程的、實時的監(jiān)測，為后期生產(chǎn)作業(yè)提供一些參考[8]，但系統(tǒng)集成度和穩(wěn)定度、人機交互等方面需要進一步優(yōu)化和完善。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 需求分析

試驗區(qū)地處云南省威信縣，生豬養(yǎng)殖和獼猴桃種植是該縣2個支柱產(chǎn)業(yè)，大部分養(yǎng)殖場已經(jīng)初步構(gòu)建了糞污固液分離的預(yù)處理模式，養(yǎng)種循環(huán)利用一體化既要減少化肥投入，減輕面源污染，又要保證不影響農(nóng)業(yè)種植業(yè)的產(chǎn)量，達(dá)到提質(zhì)增效的目的。從綠色科學(xué)養(yǎng)殖的角度出發(fā)，推進廢棄物資源化利用，積極引導(dǎo)養(yǎng)殖戶實行種養(yǎng)結(jié)合模式是處理處置液體糞污的有效方法。從資源循環(huán)利用的角度出發(fā)，結(jié)合赤水河流域環(huán)境保護的要求，減少化肥用量，減輕面源污染。

針對以上目標(biāo)，系統(tǒng)需要具備養(yǎng)殖環(huán)境、種植環(huán)境、糞污消納等的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲與分析、預(yù)警、遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)可視化等功能，同時注重系統(tǒng)的可擴展性、兼容性、安全性和穩(wěn)定性。

1.2" 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本監(jiān)測系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于一個層次化、模塊化的架構(gòu)，如圖1所示。結(jié)構(gòu)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層3個部分組成。感知層主要由部署在養(yǎng)種環(huán)境中的各類傳感器以及相關(guān)外設(shè)，用于實時監(jiān)測環(huán)境指標(biāo)、豬溫、水質(zhì)和土壤墑情等。網(wǎng)絡(luò)層主要有鏈路和網(wǎng)關(guān)，確保數(shù)據(jù)的傳輸和設(shè)備間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。應(yīng)用層主要由云服務(wù)器和Web端應(yīng)用構(gòu)成，負(fù)責(zé)計算、分析和存儲來自物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化、預(yù)警、設(shè)備遠(yuǎn)程控制管理等。

2" 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1" 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)匯聚終端

本系統(tǒng)智能終端完成異構(gòu)數(shù)據(jù)匯總、通信、監(jiān)控運維、設(shè)備管理和邊緣計算等功能，同時具備數(shù)據(jù)加密和認(rèn)證機制來確保數(shù)據(jù)的完整性和真實性。邊緣計算功能通過對數(shù)據(jù)源頭的即時處理，有效提升系統(tǒng)的實時響應(yīng)能力和數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確性，降低數(shù)據(jù)傳輸帶寬需求和云端存儲壓力，對部分?jǐn)?shù)據(jù)進行本地化處理、反饋，從而大幅削減部署和運維成本。總體架構(gòu)如圖2所示。

通過數(shù)據(jù)模塊的各傳感器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉K端，之后通過GPRS、4G/5G、NB-IoT等網(wǎng)絡(luò)方式接入，將傳感器采集到的基地環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)睫r(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、可視化和智能控制。

2.2" 生豬養(yǎng)殖基地

該區(qū)域按規(guī)劃設(shè)計有生豬體溫監(jiān)測、圈舍環(huán)境監(jiān)測、消納污水監(jiān)測，以及相關(guān)的預(yù)警與控制。

2.2.1" 生豬體溫監(jiān)測

該監(jiān)測點實時監(jiān)測生豬體溫情況，自動發(fā)送提醒預(yù)警信息給養(yǎng)殖管理員和企業(yè)生產(chǎn)管理人員，實現(xiàn)生豬發(fā)熱等情況早發(fā)現(xiàn)、早處理。健康生豬體溫一般為38～39.5℃，豬仔的體溫略高，傍晚和早晨略有差異，但波動一般不超過0.5 ℃，病豬體溫一般為40～41.5 ℃，有時可達(dá)42 ℃以上[9]，根據(jù)這一溫度范圍，設(shè)備選型為TB-1217A-3/PA型智能活體紅外成像裝置，監(jiān)測范圍30～45 ℃，精度±0.5℃。

2.2.2" 圈舍環(huán)境監(jiān)測

在生豬圈舍內(nèi)建設(shè)環(huán)境監(jiān)測點，完成圈舍內(nèi)溫度、相對濕度、氣壓、光照度、氨氣濃度和二氧化碳濃度等指標(biāo)的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)記錄和統(tǒng)計，同時支持聯(lián)動圈舍內(nèi)噴淋、風(fēng)機等設(shè)備，實現(xiàn)自動調(diào)控。

2.2.3" 糞污消納處理水質(zhì)監(jiān)測

系統(tǒng)實現(xiàn)對無害化處理的水體進行溫度、水位、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、ORP氧化還原電位、濁度和氨氮等指標(biāo)的實時監(jiān)測、記錄、統(tǒng)計和分析，確保農(nóng)業(yè)用水符合排放標(biāo)準(zhǔn)后，輸送至獼猴桃種植區(qū)進行灌溉。

2.3" 獼猴桃種植基地

2.3.1" 小區(qū)域種植環(huán)境監(jiān)測

在獼猴桃種植基地，傳感器針對云南高原及山區(qū)地形、高濕度（多霧）、大溫差的環(huán)境，搭配AIoT農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺，可以隨時查看空氣溫度、濕度、風(fēng)速風(fēng)向、空氣質(zhì)量、降雨量和光照時長等環(huán)境信息和環(huán)境趨勢分析，環(huán)境信息出現(xiàn)異常時即時向用戶推送預(yù)警消息，確保用戶第一時間掌握環(huán)境信息。

2.3.2" 土壤墑情監(jiān)測

土壤墑情監(jiān)測模塊監(jiān)測土壤溫度、濕度（含水率）、土壤pH、土壤電導(dǎo)率（EC）和土壤鹽分等土壤環(huán)境數(shù)據(jù)。通過基地內(nèi)不同施肥區(qū)域的土壤進行持續(xù)監(jiān)測，優(yōu)化養(yǎng)種循環(huán)有機肥的施肥配方和施肥策略，確保有機肥得到高效利用。

2.3.3" 作物長勢監(jiān)測

根據(jù)示范區(qū)域現(xiàn)場地理環(huán)境和種植區(qū)域面積，安裝作物長勢監(jiān)測系統(tǒng)。數(shù)據(jù)接入物聯(lián)網(wǎng)平臺，并提供統(tǒng)一規(guī)范的API接口，支持連接其他支持GB28181標(biāo)準(zhǔn)的攝像頭。該監(jiān)測點主要完成作物長勢觀測和遠(yuǎn)程視頻診斷的功能，實現(xiàn)遠(yuǎn)程指導(dǎo)種植。

2.4" 數(shù)據(jù)可視化平臺

數(shù)據(jù)可視化平臺是養(yǎng)種循環(huán)一體化監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示環(huán)節(jié)，平臺設(shè)計旨在通過直觀、交互式的可視化界面，讓用戶實現(xiàn)從數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析到成果展現(xiàn)的一站式操作。實現(xiàn)基地數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)等進行集中管理、分析、可視化展示。

3" 邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)計

節(jié)點構(gòu)成如圖3所示，由微控制器，搭配傳感器、控制執(zhí)行部分、電源、顯示模塊和通信模塊等部件組成。主控單元電路設(shè)計包括GD32F103RET6最小系統(tǒng)，通信模塊有Wi-Fi模塊、4G模塊、LoRa模塊。監(jiān)測節(jié)點主要有養(yǎng)殖基地的環(huán)境、污水消納和種植基地的小區(qū)域環(huán)境、土壤墑情等。

3.1" 主控電路

如圖4所示，主控單元以Arm Cortex-M3內(nèi)核的32位通用微控制器GD32F103RET6為核心，工作主頻72 MHz，工作電壓2.6～3.6 V，64 k存儲器，工作溫度-40～85 ℃[10]，與同類產(chǎn)品相比最大速度提升，相同頻率下的代碼執(zhí)行效率提高，功耗低，被廣泛用于工業(yè)控制、人機交互、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

3.2" 通信部分

通信部分主要有Wi-Fi、4G、LoRa。Wi-Fi模塊選型為ESP-07S，WF_RET/WF_EN內(nèi)部已經(jīng)進行上拉，所以外部僅下拉有效，TXD引腳與單片機PC10引腳相連，Wi-Fi模塊的RXD引腳與單片機的PC11引腳相連。

4G模塊選型為AIR720UH，其覆蓋通信各種制式，支持多種開發(fā)方式。結(jié)合山區(qū)信號特點，借助中國移動4G流量將采集數(shù)據(jù)送至云平臺。

如圖5所示，LoRa模塊選型為RA-02，該模塊的射頻芯片 SX1278主要采用LoRa遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器，適用于超長距離擴頻通信，抗干擾性強，電流消耗低[11]。

4" 系統(tǒng)測試

4.1" 數(shù)據(jù)采集功能測試

為驗證系統(tǒng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，通過系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工采樣數(shù)據(jù)對比進行系統(tǒng)誤差測試， 測試地點為圈舍環(huán)境監(jiān)測站、土壤墑情監(jiān)測站等模塊，測試時間分別是2024年5月4日、5月12日9：00和16：00，測試數(shù)據(jù)誤差均穩(wěn)定在設(shè)計范圍。表1、表2分別給出2024年5月4日上午9：00時圈舍環(huán)境、土壤墑情的監(jiān)測數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)。

4.2" 數(shù)據(jù)可視化平臺測試

通過用戶名和密碼登錄數(shù)據(jù)可視化平臺，測試各項功能結(jié)果如下。

首頁：項目基本情況、數(shù)字地圖、種植基地基本情況、養(yǎng)殖基地基本情況，圖文和視頻顯示功能正常，測試結(jié)果符合設(shè)計要求。

數(shù)字種植基地：基地詳情、設(shè)備概況、環(huán)境參數(shù)、土壤墑情、作物長勢，各部分圖文和視頻顯示功能正常，點擊監(jiān)測指標(biāo)進入子目錄，顯示該指標(biāo)歷史記錄，測試結(jié)果符合設(shè)計要求。

數(shù)字養(yǎng)殖基地：基地詳情、設(shè)備概況、豬溫、圈舍環(huán)境、糞污消納，各部分圖文和視頻顯示正常，點擊監(jiān)測指標(biāo)進入子目錄，顯示該指標(biāo)歷史記錄，測試結(jié)果符合設(shè)計要求。

5" 結(jié)束語

基于云平臺的養(yǎng)種循環(huán)一體化監(jiān)測系統(tǒng)在生豬養(yǎng)殖區(qū)和獼猴桃種植區(qū)建設(shè)養(yǎng)種環(huán)境、生豬體溫、糞污消納、土壤墑情和植物長勢等監(jiān)測點，利用物聯(lián)網(wǎng)和云計算等技術(shù)，實現(xiàn)管理人員在養(yǎng)種環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)互通與共享。經(jīng)測試，系統(tǒng)各部分功能運行正常，誤差在允許范圍，測試結(jié)果符合設(shè)計要求。該設(shè)計在充分考慮養(yǎng)種基地特點和管理人員實際需求的同時，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實時性、數(shù)據(jù)展示的直觀性與操作的便捷性，為生豬養(yǎng)殖和獼猴桃種植提供了全面、精準(zhǔn)的監(jiān)測與分析服務(wù)，實現(xiàn)生產(chǎn)的智能化決策和精細(xì)化管理，推動養(yǎng)種業(yè)的有機融合，向更加綠色、高效、可持續(xù)的方向發(fā)展。

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基金項目：云南省重大科技專項計劃項目（202202AE090027）

作者簡介：張晉恒（1979-），男，碩士，講師。研究方向為智慧農(nóng)業(yè)。

*通信作者：周兵（1975-），男，博士，教授。研究方向為智慧農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)。