基于嵌入式的物聯網技術的規?；i場健康養殖系統設計

張尉+高星星+肖進+高一川

摘 要：提出了基于嵌入式的物聯網技術的豬場健康養殖環境監控系統，采用B/S模式，設計了一種通用型的控制器，可以通過手機終端遠程和現地端監控多個豬舍，實時檢測每個豬舍的溫度、濕度、二氧化碳，氨氣等環境因素，可實現對不同育齡階段豬仔的豬舍進行智能通風、智能控溫、數據記錄追溯、遠程診斷和疫情預警功能。將以上這套系統應用于武漢市新洲區東泰豬場，經過試用證明了該套系統可降低勞動強度，提高養殖的質量。

關鍵詞：規?；i場；嵌入式；物聯網；通用控制器

中圖分類號：S24 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.11.008

Abstract： In this paper， a universal controller and healthy aquaculture environmental monitoring systems was proposed based on embedded networking， Using B/S mode. It could realize remote and local control，and real-time detection of environmental factors for each piggery including temperature， humidity， carbon dioxide， ammonia and other values. For different stage pigs it could realize intelligent ventilation， intelligent temperature control， data recording traceability， remote diagnostics and outbreak alert. The system was installed in Dongtai farms of Xinzhou District of Wuhan City， after the trial it was proved that the set of systems can reduce labor intensity while improving the quality of farming.

Key words： large scale pig farm；embedded technology；IOT；universal controller

現代生豬養殖產業正在經歷“精細化、設施化、智能化”的變革[1]，各種新技術新設備層出不窮，而生豬所在的環境是影響生豬養殖產量和質量的最關鍵因素。在規?；i養殖中不同育齡階段的生豬所需要的舒適環境差異較大[2]，目前已建成的豬場在環境控制方面多以人工經驗控制為主，沒有科學量化和精細化管理的標準和依據，且豬舍數量較多、類型不同，容易造成人為操作失誤增加工作量，養殖質量難以保證；有一些大型養豬場雖配置了傳統的PLC（可編程邏輯控制器） [3-4]作為現場監控中心，采用有線方式分布，但其系統布線復雜，容易造成接觸不良，維護成本高，且不能遠程控制。而相關畜舍內環境參數也沒有長時間動態監測量化的指標，通常依靠經驗判斷，具有不可靠性，一旦出現疫情也難以追溯。

隨著畜禽健康養殖和動福利的提出[5]，人們也越來越意識到，良好的小氣候環境對減少生豬患病機率，提高生豬肉品質有著決定性的作用。隨著物聯網[6-10]和“互聯網+”技術實踐的不斷深入，可以精確控制各豬舍欄內小氣候環境，助力畜禽養殖管理不斷走向精細化、智能化。本研究提出了基于嵌入式的物聯網豬場健康養殖環境監控系統，采用B/S模式，可以通過手機終端遠程和現地端監控多個豬舍，實時檢測每個豬舍的溫度、濕度、二氧化碳，氨氣值等環境因素，針對不同階段豬仔的豬舍進行智能通風，智能控溫，實現數據記錄追溯，遠程診斷和疫情預警。

1 系統設計

1.1 系統總體設計

基于物聯網方式，系統從邏輯上分為：應用層，傳輸層，現地采集控制層（圖1）。

應用層面向管理者和養殖戶，包括：園區管理、遠程診斷、數據記錄追溯、遠程操控、動態監測和預警、智能自動監控模式。

傳輸層則是根據現場條件，采取穩定且經濟綜合最優的通信方式，如ZigBee，GPRS網絡。

現地采集控制層是根據不同類型的豬舍分別進行設計，由終端節點（豬舍環境參數監測節點和設備控制節點）以及現地控制器構成。

監測節點負責采集豬舍的溫濕度、氣體相關信息，設備節點則是風機、濕簾、保溫燈等執行機構，這些終端由跳線編碼器設置節點編號，通過ZigBee無線傳感自組織網絡與現地監控器通信，并通過GPRS網絡將豬舍環境參數發送到監測服務器。

用戶可通過手機或者計算機瀏覽器直接對豬舍小環境進行實時監測，并能夠遠程控制濕簾、大小風機組和保溫燈，噴霧降溫系統，喂料機等設備，從而實現對豬舍分欄小氣候環境的精確控制。

1.2 通信方式選擇

本方案是基于原有豬場進行的升級改造，有線方式雖然最為可靠，但是布線和維護復雜，且長期消毒容易使裸露在外的線纜腐蝕，另一方面為了使傳感器便于靈活部署，減少電纜投入，故在充分利用原有通信線纜的基礎上，盡量采用無線通信方式。無線方式有ZigBee，WIFI，GPRS，3G、4G網絡。

ZigBee是一種短距離、低功耗、高可靠性的全雙工無線通信技術，具有低復雜度、自組織、低功耗、低數據率等特點，可以短距離現場傳感器自組網。

GPRS網絡具有傳輸速度快、傳輸距離遠、實時性好，實時在線等優點，缺點是費用較高。

WIFI可以用于本地組網，可以減少信息交互費用。視頻信息則是通過專門的線路進行傳輸。

1.3 控制策略選擇

溫濕度是影響動物生存與生產諸多環境因素中較為重要的兩個指標。

豬不喜歡長期生長在潮濕環境下，否則會發生拉稀、感冒及其他疾病，豬舍最佳濕度為60%～70%。

不同年齡階段和生長性能的豬所要求的最適環境溫度差異較大[1]，尤其哺乳豬仔和繁殖種豬敏感性最高。哺乳豬仔，由于其組織器官和機能尚未完善，皮毛稀疏，對寒冷抵抗力差，對溫度環境要求較高。有害氣體也必須控制在一定范圍內（GB/T 17824.3—2008），如表2所示。

因此，不同育齡的豬其豬舍結構設計不相同，執行機構也有差異，需要采用不同的控制策略。如產房包含兩種類型的豬，對溫度要求不同，需對仔豬每個欄都分別再增加一個保溫燈，將產房進行分區管理。

1.4 控制模式

控制有手動控制和智能控制模式，手動又分為現地手動和遠程手動，管理員可根據指標參數直接操作執行機構開合實現。

智能控制，則是根據設置的不同的控制目標，將采集回來的溫度信號在線實時監測，并自動調節。

2 系統硬件設計

2.1 感知/控制終端節點設計

為實現豬舍環境的實時監控，單個豬舍內采用ZigBee方式進行組網。采用工業級的高增益型ZigBee無線模塊，支持太陽能供電。

如圖3所示，ZigBee終端節點搜索并加入網絡，現地控制器充當了接收協調器，接收傳感器上報的數據，同時通過ZigBee終端節點控制執行驅動機構繼電器，控制設備檔位開關。

溫度傳感器采用DS18B20芯片，可輕松地組建傳感器網絡、與STM32接口簡單的數字化溫度傳感器。測量范圍為（-55～125）℃，精度為±5 ℃。

NH3傳感器采用pH-NH3氨氣傳感器，采用國外進口的電化學傳感器（可燃氣采用催化燃燒式），利用控制電位電解法原理，在電解池內安置3個極（工作電極、對電和參比電極），以薄膜同外界隔開，并施以一定的極化電壓。被測氣體透過薄膜到達工作電極，產生氧化還原反應，傳感器即有相應電流輸出，此電流與被測氣體深度成正比關系，該電流信號經擴散式采樣變為電壓信號放大后，再經電壓/電流轉換電路，將變化的電壓信號變為電流信號輸出。

如圖4所示，CO2傳感器采用紅外二氧化碳傳感器工作原理，利用不同氣體對紅外輻射有著不同的吸收光譜，吸收強度與氣體濃度有關的原理來檢測CO2濃度。紅外線氣體檢測儀的優點是測量范圍寬、選擇性好、防爆性好、設計簡便、價格低廉。

攝像頭控制信號可以通過云臺設備來控制，視頻信號數據量太大一般采用專網，通過網關設備直接發到視頻服務器。

2.2 現地控制器設計

保育室、種豬結構大體相同，產房由于有母豬和仔豬設計相對復雜，雖然執行機構有所不同，但組成模塊類似，本文設計了一種通用多源信息采集控制終端，如圖5所示。

主要由傳感器檢測模塊、通信模塊、電源模塊、驅動模塊、顯示屏、處理單元組成。

傳感器檢測模塊包括溫度傳感器，濕度傳感器，CO2、NH3傳感器以及信號調理電路。

驅動單元包括大風機、保溫燈組、濕簾、小風機。

微處理器采用基于Cotex-M3內核ARM 32位處理器，型號為STM32F107，是一款互連型系列微控制器，性能較強大，集成了各種高性能工業標準接口。

如圖6所示，繼電器驅動單元用于驅動電氣柜里的中間繼電器，再依靠中間繼電器驅動交流接觸器，從而實現對外部設備電源的控制。

3 軟件設計

豬舍環境系統具有多變量、非線性、時變和滯后特點，難建立精確的數學模型，一般采用模糊控制算法，設置相應通風換氣的規則，且針對不同豬和不同階段對溫濕度的要求，來實現豬舍環境自動控制，啟動相應降溫和保溫設備，使其滿足控制溫度，濕度，二氧化碳和氨氣目標，或者再內置其他高級預測控制類算法，如圖7所示。

將高級智能算法移動到上層應用層，這樣可以選用和匹配多種合適的智能控制算法，放置應用層軟件平臺，便于升級維護。

3.1 采集節點軟件設計

各個采集終端定點定時上報數據，上報周期由現地控制器設定，數據采集后CPU將AD轉化后的數據進行均值處理，使數據更加平滑和準確。

通過RS485串口將數據發送至ZigBee通信模塊。最后通過ZigBee無線通信模塊將數據傳送到現地監控層，并進行集中顯示和控制。

3.2 控制節點軟件設計

現地控制器是整個系統的核心，操作系統選用了μC/OS—II系統，是一款基于優先級的搶占式多任務系統，內核簡單短小精悍，代碼開源，能夠管理多達64個任務，同時具有實時內核、任務時間管理、內存管理等功能，在小型系統中得到了廣泛的應用。

控制節點負責接收數據、解析計算數據，并控制相應執行機構，如圖8所示。

3.3 上層應用軟件設計

如圖9所示，總體采用BS架構，監控中心由上位機數據接口軟件、數據庫和信息發布網站組成。服務器平臺采用目前流行的.NET技術架構，如圖10所示，該架構系統界面友好、易安裝、易操作，硬件擴展接口豐富，系統輔助工具多，有利于后期的系統升級、維護等。數據接口軟件接收遠程GPRS終端發送的數據，并存入SQL Server數據庫。如圖11所示，數據庫包括每個豬舍的數據如實時的溫度、濕度、CO2、NH3等信息。

4 結 論

近年來，武漢東泰畜牧發展有限公司[11]以農業自然生態系統發展原理和經濟規律為指導，對畜禽養殖糞污進行無害化處理全利用，零污染，使得各類農業生產要素相互促進、良性循環發展。園區豬場實行雨污分離、干清糞加沼氣處理工藝，并按照2萬頭養殖規模年糞污產生量，建成新型紅泥塑料沼氣池，沼液由無塔供水增壓設施經園區管網系統自動輸送到園區茶葉種植區、水產養殖區，直接為茶葉區、水產區以及其他種植區提供肥料。

新建成的基于物聯網的豬舍管理系統，利用傳感器和物聯網技術實現了傳感器和環境控制設備之間的聯動，不但能完成數據記錄還可以追溯和分析。該系統根據不同育齡豬所需要的最適宜環境的不同實現了精準管理，并減少人為操作失誤和工作量。經大量試驗證明，該系統能較好地達到規?；i場養殖監控的要求。

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[11]作者不詳.武漢東泰畜牧公司建成200公頃畜牧循環經濟園[J].湖北畜牧獸醫，2012（8）：45-45.