(華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南 鄭州 450000)

0 引言

我國(guó)正處在向農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期[1]，傳統(tǒng)的人工養(yǎng)殖在檢測(cè)動(dòng)物健康、行為和養(yǎng)殖環(huán)境的方式耗費(fèi)較大的人力，但并不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境及發(fā)現(xiàn)病種，導(dǎo)致養(yǎng)殖不衛(wèi)生、有病種出現(xiàn)影響?zhàn)B殖。物聯(lián)網(wǎng)智能養(yǎng)豬正是基于人們關(guān)心的健康安全問題，能提高養(yǎng)殖信息化、透明化管理，實(shí)現(xiàn)精細(xì)養(yǎng)殖，使客戶隨時(shí)隨地能實(shí)時(shí)了解養(yǎng)殖的具體情況，同時(shí)也給養(yǎng)殖方提供了養(yǎng)殖的便利，智能化的數(shù)據(jù)分析會(huì)調(diào)動(dòng)智能控制對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行溫度、光照、粉塵、有毒氣體的調(diào)節(jié)，物聯(lián)網(wǎng)與APP的完美結(jié)合使得養(yǎng)殖者與消費(fèi)者隨時(shí)可觀測(cè)到養(yǎng)豬場(chǎng)內(nèi)的環(huán)境信息與豬種信息，使養(yǎng)殖更透明化、精細(xì)化，是養(yǎng)殖業(yè)新的發(fā)展趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

對(duì)大規(guī)模型的養(yǎng)殖場(chǎng)采用集散式控制技術(shù)，對(duì)養(yǎng)豬舍進(jìn)行編號(hào)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)一舍一監(jiān)控，養(yǎng)殖舍環(huán)境信息參數(shù)相互獨(dú)立，并最終統(tǒng)一發(fā)送至一個(gè)上位機(jī)端集中管理。

養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]采用手機(jī)APP、計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、傳感器、執(zhí)行設(shè)備等組成，如圖1所示。計(jì)算機(jī)通過對(duì)單片機(jī)獲取的傳感器信息進(jìn)行分析，發(fā)送命令給執(zhí)行設(shè)備對(duì)養(yǎng)殖舍進(jìn)行環(huán)境調(diào)控，同時(shí)將分析結(jié)果發(fā)送至手機(jī)APP提醒工作人員養(yǎng)殖環(huán)境變化并進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，方便工作人員及時(shí)了解信息。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

各個(gè)養(yǎng)豬舍通過M-Bus總線連接在一起，各個(gè)養(yǎng)殖舍具有獨(dú)立的傳感器、單片機(jī)、執(zhí)行設(shè)置[3]，通過總線將信息傳輸至上位機(jī)，由于M-Bus總線的特性，各養(yǎng)殖舍之間的信息無交叉?zhèn)鬏?。在STM32單片機(jī)上連接溫濕度檢測(cè)模塊、光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)模塊、粉塵檢測(cè)模塊、NH3等有害氣體檢測(cè)模塊等，組成整體的硬件部分。

智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4]是通過傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)各舍的信息，如光照、溫度、粉塵、二氧化碳、氨氣等，當(dāng)這些參數(shù)與養(yǎng)殖的適應(yīng)參數(shù)有偏差時(shí)，可以利用由單片機(jī)控制的外圍設(shè)備(通風(fēng)扇、補(bǔ)光燈、暖風(fēng)機(jī)、水簾等)來改善環(huán)境信息參數(shù)，當(dāng)達(dá)到最佳養(yǎng)殖條件時(shí)，外圍設(shè)備會(huì)自動(dòng)停止工作。

2.1 具體的硬件模塊

2.1.1 光照強(qiáng)度傳感器

自然光照時(shí)間隨季節(jié)的變化而呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，夏至日照時(shí)間最長(zhǎng)，冬至日照時(shí)間最短，因此針對(duì)不同的豬種要進(jìn)行不同的光照處理，進(jìn)行人工補(bǔ)光。根據(jù)需求選擇BH1750光照傳感器檢測(cè)養(yǎng)殖場(chǎng)的光照變化，該傳感器抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高、響應(yīng)速度快，根據(jù)檢測(cè)到的養(yǎng)殖場(chǎng)光照強(qiáng)度并進(jìn)行調(diào)節(jié)補(bǔ)光燈的強(qiáng)弱。

2.1.2 溫濕度傳感器

養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的溫濕度過高會(huì)引發(fā)動(dòng)物的生長(zhǎng)環(huán)境不利，容易滋生細(xì)菌，導(dǎo)致養(yǎng)殖種生病，可能引起流感，因此要保證養(yǎng)殖場(chǎng)的溫濕度的標(biāo)準(zhǔn)值。養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的溫濕度范圍在正常的范圍內(nèi)，不用考慮高溫、低溫極端情況。采用SHT10溫濕度傳感器來進(jìn)行溫濕度的檢測(cè)，當(dāng)溫度過高執(zhí)行設(shè)備打開水簾，通風(fēng)扇為養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行降溫；當(dāng)濕度過高執(zhí)行設(shè)備關(guān)閉水簾，打開除濕器進(jìn)行除濕。

2.1.3 紅外溫度傳感器

紅外線溫度傳感器可以不接觸目標(biāo)，而通過測(cè)量目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射強(qiáng)度計(jì)算出物體的表面溫度。非接觸測(cè)溫是紅外測(cè)溫儀最大的優(yōu)點(diǎn)，可用于不接觸動(dòng)物直接檢測(cè)到溫度，用來判定生長(zhǎng)的健康與否。

2.1.4 粉塵傳感器

養(yǎng)殖舍內(nèi)的空氣質(zhì)量直接影響豬種的生長(zhǎng)速度和健康水平。研究表明，在已發(fā)生的疫病中有40%以上是通過空氣傳播的，而在突發(fā)的烈性疫病中會(huì)有70%多與環(huán)境空氣質(zhì)量有關(guān)。粉塵中攜帶大量的病原體，會(huì)通過呼吸道黏膜感染疾病，造成疾病傳播。

用粉塵傳感器檢測(cè)空氣中的粉塵，當(dāng)空氣中含過高的粉塵，執(zhí)行設(shè)備通風(fēng)和加濕功能，降低粉塵量。

2.2 WiFi通信模塊

為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與手機(jī)APP之間的通信，并實(shí)現(xiàn)通過手機(jī)對(duì)養(yǎng)殖舍進(jìn)行控制，選用ESP8266WiFi[6]模塊進(jìn)行信息傳遞。此模塊對(duì)2.4 G和5 G的頻段都有很好的支持，且該模塊內(nèi)部具有穩(wěn)壓器，TR開關(guān)、匹配網(wǎng)絡(luò)等，不需要再設(shè)計(jì)其他復(fù)雜外部電路就可完成WiFi模塊配置工作。由于此模塊對(duì)TTL串口通信標(biāo)準(zhǔn)有很好的兼容，故可直接與單片機(jī)的串口管腳TX、RX相連接。

在監(jiān)控系統(tǒng)的控制方面，用到數(shù)據(jù)融合算法，對(duì)所以采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，根據(jù)整合結(jié)果對(duì)比預(yù)先設(shè)置好的環(huán)境參數(shù)狀態(tài)，通過融合算法的決策，尋找最優(yōu)控制狀態(tài)，不僅能控制調(diào)控設(shè)備的啟停，還可以根據(jù)當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)預(yù)測(cè)下一刻環(huán)境狀態(tài)，避免了單純利用所設(shè)定的環(huán)境參數(shù)閾值來控制導(dǎo)致的工作系統(tǒng)不穩(wěn)定、效果差的缺點(diǎn)。

3 APP功能設(shè)計(jì)

手機(jī)端APP基于APICloud這個(gè)軟件平臺(tái)開發(fā)，使用APICloud提供的云API和端API[5]，省去繁雜的服務(wù)端編碼，還同時(shí)支持IOS和安卓系統(tǒng)。

APP作為網(wǎng)絡(luò)通信客戶端，要實(shí)現(xiàn)與ESP8266服務(wù)器通信，客戶端按周期發(fā)送命令用于讀取養(yǎng)殖舍環(huán)境信息；同時(shí)通過APP可實(shí)時(shí)將養(yǎng)殖信息顯示給養(yǎng)殖戶和客戶，使養(yǎng)殖過程更加透明化和安全化；運(yùn)用養(yǎng)殖APP可以對(duì)育種、生產(chǎn)、養(yǎng)殖、銷售、流通、檢疫等環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)記載，如圖2所示。

圖2 APP功能圖

移動(dòng)端首頁是各大功能模塊菜單，點(diǎn)擊即可進(jìn)入其中某一個(gè)模塊。點(diǎn)擊“視頻監(jiān)控”即可查看不同位置的視頻攝像頭獲取的最新的豬種生長(zhǎng)狀況和生成環(huán)境，點(diǎn)擊“傳感器信息”即可查看傳感器收集到的養(yǎng)豬區(qū)域相關(guān)信息，點(diǎn)擊“智能報(bào)警”即可設(shè)置相關(guān)的參數(shù)閾值范圍。對(duì)豬舍的光照、溫度、粉塵、二氧化碳、氨氣等監(jiān)測(cè)進(jìn)行顯示，超出指標(biāo)或低于指標(biāo)會(huì)進(jìn)行自動(dòng)APP推送、自動(dòng)報(bào)警提示，并自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖3為部分顯示界面圖。

APP還包括豬的生產(chǎn)管理信息、安全檢測(cè)信息以及私人定訂界面。

3.1 環(huán)境監(jiān)控

影響?zhàn)B豬場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益的因素很多，環(huán)境因素是決定養(yǎng)豬業(yè)生產(chǎn)水平高低的重要因素之一。養(yǎng)豬環(huán)境是指影響豬群繁殖、生長(zhǎng)發(fā)育等方面的生活條件，由豬舍內(nèi)的溫度、濕度、光照、設(shè)施、設(shè)備等因素組成的特定環(huán)境。

圖3 APP顯示圖

3.2 生產(chǎn)管理

1)對(duì)種豬、仔豬、和肉豬的編號(hào)、豬舍等資料進(jìn)行備案跟蹤。

2)詳細(xì)跟蹤記載所吃飼料及進(jìn)食情況，記錄進(jìn)場(chǎng)和出場(chǎng)時(shí)間。

3)可以通過APP進(jìn)行豬肉私人訂制和鮮銷。

3.3 安全檢測(cè)

1)免疫：在APP上可以通過豬舍和編號(hào)查詢每一頭豬所打的疫苗類型、時(shí)間、用量以及免疫時(shí)間。

2)疾?。嚎梢圆榭吹揭鹭i生病的原因，以及所用藥品和免疫時(shí)間。

3)檢疫：可以查看到具體時(shí)間的檢疫樣本、檢疫項(xiàng)目、具體結(jié)果，以及治療方案和所開處方。

4)消毒：詳細(xì)可見消毒所使用的藥品以及消毒時(shí)間。

3.4 圖像觀察

通過攝像設(shè)備觀測(cè)養(yǎng)豬場(chǎng)的豬種活動(dòng)信息，可發(fā)現(xiàn)有無異常行為的豬種，亦可觀測(cè)豬場(chǎng)的衛(wèi)生狀況。

4 結(jié)語

養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境的穩(wěn)定健康是養(yǎng)殖中的重要環(huán)節(jié)，基于APP應(yīng)用的養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依托在養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度等傳感器和無線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境的智能感知、智能決策、智能分析，提供精準(zhǔn)化養(yǎng)殖、可視化管理。該技術(shù)大大解放了生產(chǎn)力，節(jié)省了勞力和物力，提高了生產(chǎn)效率，改善了養(yǎng)殖環(huán)境，透明化的養(yǎng)殖模式使客戶更放心。