王傲 盧文 曾光 郭靜

摘 要：傳統(tǒng)牛舍環(huán)境調控設備的智能化程度較低，成本較高壽命短，造成奶牛舒適度低，影響產奶量。根據荷斯坦奶牛的生活習性和最新的物聯(lián)網技術，設計改進了一套監(jiān)測調節(jié)牛舍環(huán)境信息的系統(tǒng)，包括采集數(shù)據的監(jiān)測節(jié)點和組網的協(xié)調器、WiFi網關及上位云服務。傳感器節(jié)點安裝在牛舍的不同位置，節(jié)點上傳數(shù)據至網關后再傳至云服務器平臺處理，處理完成后，將結果下發(fā)至相關控制節(jié)點，通過控制相關設備完成對環(huán)境的調節(jié)。

關鍵詞：奶牛養(yǎng)殖；物聯(lián)網技術；環(huán)境實時監(jiān)控；云服務

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）07-00-03

0 引 言

規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖已成為當下奶牛養(yǎng)殖的主流方式。養(yǎng)殖過程中尤其要注意養(yǎng)殖環(huán)境的舒適度和養(yǎng)殖過程中疫病的防控，這樣才能提高牛奶產量。

物聯(lián)網技術的發(fā)展和應用為奶牛的精細化養(yǎng)殖提供了有力手段，與奶牛養(yǎng)殖結合可更新現(xiàn)有傳感器和控制系統(tǒng)[1]。通過應用最新的物聯(lián)網技術，可實現(xiàn)無線監(jiān)控奶牛養(yǎng)殖的各個環(huán)節(jié)，在奶牛的生長過程中，養(yǎng)殖環(huán)境對奶牛的影響尤為明顯。牛舍環(huán)境因素包括溫濕度、光照強度、有害氣體濃度等[2]。惡劣的環(huán)境條件會使奶牛生產能力下降，發(fā)病率和死亡率增加。因此，奶牛場的環(huán)境監(jiān)測顯得極其重要。

除此之外，系統(tǒng)還可利用物聯(lián)網對牛舍進行環(huán)境調控，對奶牛進行精細化管理，從而達到節(jié)約設備成本，提高奶牛產奶量的目的。

本文在參考和借鑒相關研究的基礎上，結合當下相關新興技術，開發(fā)出一套適用于中小規(guī)模養(yǎng)殖場的小型養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過傳感器采集牛舍的環(huán)境信息，利用B/S（瀏覽器/服務器）模式，把歷史數(shù)據和數(shù)據經分析分類呈現(xiàn)在網站中，實現(xiàn)各節(jié)點環(huán)境數(shù)據的統(tǒng)計分析及可視化，并根據設定好的數(shù)據進行自動調控。從而為奶牛提供舒適的環(huán)境，提升奶牛產奶品質和產量，進而獲得更大的經濟效益[2]。

1 系統(tǒng)的總體方案

1.1 系統(tǒng)的總體目標

本系統(tǒng)主要適用于小型奶牛場，通過使用多種傳感器采集溫濕度、光強、氨氣等牛舍環(huán)境信息，使用ZigBee協(xié)議將數(shù)據從節(jié)點上傳到協(xié)調器，協(xié)調器將數(shù)據打包通過板載的ESP8266 WiFi芯片上傳到MQTT服務器，網站后臺程序訂閱MQTT服務后，會從MQTT服務器獲取數(shù)據并存進數(shù)據庫，通過對數(shù)據的分析處理，判斷當前數(shù)值是否符合標準，據此動態(tài)調控相關設備，保持牛舍溫濕度的穩(wěn)定。最終將信息實時顯示到網站上，方便管理者查看。該系統(tǒng)還可幫助管理者減少工作量，具有網頁自動調控和手動調控功能，隨時控制牛舍的各種設備，使得奶牛養(yǎng)殖環(huán)境保持最佳狀態(tài)，使奶牛生活得更加舒適，節(jié)省人力成本，提高產奶量，實現(xiàn)動物養(yǎng)殖的效益最高、成本最低和利益最大化。

1.2 系統(tǒng)工作流程

通過計算機和多平臺終端的實時監(jiān)測、預警服務，實現(xiàn)遠程監(jiān)測、預警和控制，達到養(yǎng)殖場的利益最大化[3]。

（1）環(huán)境數(shù)據采集：牛舍的數(shù)據采集采用五點取樣法。布置五個節(jié)點，每個點均包括一組傳感器，每組傳感器采集溫濕度信息，光照信息，有害氣體濃度。系統(tǒng)綜合分析各組數(shù)據，減小誤差。

（2）數(shù)據傳輸：傳感器節(jié)點使用ZigBee網絡通信模塊，將空氣溫度等模擬信號轉換成數(shù)字信號，通過ZigBee網絡將信息收集到協(xié)調器上，協(xié)調器將每個節(jié)點的數(shù)據封裝好，通過MQTT協(xié)議將數(shù)據發(fā)送至服務器。

（3）數(shù)據庫建模：利用Navicat設計數(shù)據庫，在云服務器上建立MySQL數(shù)據庫，并且存儲數(shù)據庫文件信息，開放數(shù)據庫端口。

（4）網站數(shù)據顯示統(tǒng)計及分析：采用維護性強，開放性高的 Java Web 技術搭建網站，使用MQTT Client訂閱服務獲取感知層數(shù)據，并且將數(shù)據分類存儲到數(shù)據庫中。

（5）實時監(jiān)測：網站后臺程序對上傳的數(shù)據進行實時監(jiān)測，當數(shù)據變化超出設定值的范圍后，程序將自動控制相關設備，保持牛舍環(huán)境穩(wěn)定。

（6）手動控制：管理員通過登陸管理員賬號，可在網頁上查看設備工作狀態(tài)并手動操作相關設備。

2 硬件組成

本系統(tǒng)的硬件部分主要由傳感器、ZigBee無線自組網和WiFi網關組成。

2.1 傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，可靠性強，準確度高[4]。采用GY-30數(shù)字光強傳感器，穩(wěn)定性好，準確度高。MQ135傳感器對氨氣、硫化物、苯系物蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其他有害物的監(jiān)測也較理想，可靠性強，適合牛舍這類糞尿較多，氨氣濃度高的場景。

2.2 ZigBee芯片

ZigBee采用TI公司設計的CC2530 芯片，該芯片成本低，可擴展能力強，能夠以較低的總材料成本建立非常強大網絡節(jié)點，且運行模式之間轉換的時間短，能源消耗低。

2.3 ESP8266芯片

該芯片體積小，功耗低，性能強大，支持透傳，丟包現(xiàn)象不嚴重，且價格較低，資源豐富，易于開發(fā)，是當前WiFi開發(fā)的不二選擇。

3 硬件功能開發(fā)

在該系統(tǒng)中，固件程序即指存儲于終端節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點中的程序。

3.1 終端節(jié)點和協(xié)調器程序

終端節(jié)點和協(xié)調器程序使用ZigBee_Z-Stack協(xié)議棧進行開發(fā)，協(xié)議棧集成了ZigBee的全部協(xié)議?？梢愿鶕覀兊男枨髞黹_發(fā)相關功能，減少開發(fā)時間。

3.2 ESP8266程序

系統(tǒng)主要使用芯片自帶的AT指令功能。ZigBee協(xié)調器收到數(shù)據后通過 UART 口將數(shù)據以 AT 指令的形式發(fā)給 ESP8266 模塊，通過 POST方式將數(shù)據提交到服務器上。

3.3 終端節(jié)點控制程序

使用Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)控制程序，設置節(jié)點編號。通過配置GPIO和使用繼電器，讓不同的設備都能受協(xié)調器下發(fā)指令的控制，使之能和系統(tǒng)相互配合。

4 軟件功能設計

4.1 MQTT Client和MQTT Server

在云服務器上搭建MQTT Server，接收ESP網關上傳的數(shù)據，在網站后臺程序中搭建MQTT Client，通過訂閱服務獲取服務器端發(fā)送的數(shù)據，再對數(shù)據分類，使用JDBC連接數(shù)據庫，將收集的環(huán)境數(shù)據寫入MySQL數(shù)據庫的各字段中[5，6]。

4.2 MySQL數(shù)據庫建立

本系統(tǒng)使用Navicat 數(shù)據庫可視化工具建立數(shù)據庫，分別建立了用戶表、管理員表、棟舍表及數(shù)據表。數(shù)據庫流程如圖1所示。

4.3 網站開發(fā)

本系統(tǒng)的Web頁面和后臺程序使用MyEclipse開發(fā)，采用維護性強，開放性高的 Java Web 技術搭建網站，采用MySQL數(shù)據庫進行數(shù)據存儲。此種技術搭建的網站維護方便，可靠性和安全性較高。網站后臺程序采用Java語言，前端采用jQuery和AJAX技術，實現(xiàn)實時顯示的功能，還可以在網頁上手動控制牛舍中設備的開關[7]。網站界面如圖2所示。

5 智能控制設計

5.1 控制溫濕度變化

當溫濕度發(fā)生的變化超出奶牛最適合的范圍時，后臺程序會根據當前各傳感器的值來判斷是否需要啟動風扇，噴霧，加熱器等設備工作。如需要，后臺程序控制設備采取操作，控制對應的風扇和噴霧器。風扇安裝在牛舍不同的位置就會有不同的功能，高處的排風扇用來換氣，低處的排風扇用來除濕，還有在室內加快空氣循環(huán)的循環(huán)扇和直接給牛吹風的降溫扇，如何合理啟停設備是系統(tǒng)工作的重要任務。

系統(tǒng)控制相關設備的指令下達后，實時監(jiān)測環(huán)境信息，等待溫濕度發(fā)生變化，當溫濕度的變化符合要求時，關閉相關設備，從而保持牛舍溫濕度的穩(wěn)定。

5.2 控制光照

當天氣陰暗，光照強度過弱時，系統(tǒng)會自動打開日光燈補光。系統(tǒng)還會調取當天的天氣API接口獲取當天光照時長，若不夠則補足，使奶牛在牛舍中也可享受充足的光照。

5.3 控制有害氣體濃度

當有害氣體濃度過高時，采取噴霧和排風扇協(xié)同工作的方式來降低有害氣體濃度，水霧可有效地吸附氨氣，保持牛舍空氣的潔凈[8]。

6 結 語

奶牛養(yǎng)殖業(yè)在我國國民經濟中占有重要地位，但從目前規(guī)?；B(yǎng)殖奶牛的實際情況來看，容易在規(guī)?；B(yǎng)殖肉牛中出現(xiàn)環(huán)境調控不及時，影響奶牛生長，降低奶牛養(yǎng)殖的經濟效益等問題[9]。而僅靠個人難以判斷牛舍的各種環(huán)境指標是否滿足奶牛生長發(fā)育的需要。本研究通過MyEclipse開發(fā)平臺，整合 MySQL，Java，Web，HTML開發(fā)動物養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，采用低功耗的MQTT協(xié)議進行數(shù)據傳輸，該系統(tǒng)可極大地減少養(yǎng)殖人員精力的投入，監(jiān)測不同節(jié)點的溫度、濕度、空氣指標。實現(xiàn)各節(jié)點環(huán)境數(shù)據的統(tǒng)計分析及可視化，為奶牛提供舒適的環(huán)境，提升奶牛產奶品質，從而獲得更大的經濟效益。

參考文獻

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