楊東軒，張建偉，張剛剛，侯堃

(1.北京工商大學農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯技術(shù)及應用國家工程實驗室，北京市，100048；2.北京市畜牧總站，北京市，100107；3.首都師范大學數(shù)字校園建設(shè)中心，北京市，100048)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)走向精細化和信息化的重要手段，已廣泛應用于種植業(yè)、水產(chǎn)業(yè)以及畜牧業(yè)等領(lǐng)域。其中應用于禽舍環(huán)境的監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效提高肉禽或蛋禽的個體健康和生產(chǎn)效率[1]。盡管此類系統(tǒng)技術(shù)先進且功能完善，但因其普遍的高造價和復雜的部署方式對于中小規(guī)模禽舍而言投入大、風險高，因此較難廣泛地落地推廣。沈翠鳳[2]基于LoRa技術(shù)，提出了從感知層采集各項參數(shù)后傳輸給遠程后端系統(tǒng)的方案，但該方案需在現(xiàn)場環(huán)境中部署多個LoRa匯聚節(jié)點以及互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，且需租用云端服務器，一次性投入和長期維護成本均較高。張紅欣[3]采用多頻段無線模塊結(jié)合氣體傳感器的方案實現(xiàn)了禽舍環(huán)境的監(jiān)控，但沒有說明其系統(tǒng)性能和成本。任玲[4]和徐光[5]等提出了一種利用ZigBee技術(shù)設(shè)計的禽舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，但是該方案在網(wǎng)絡部署方面需要額外部署轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，提高了系統(tǒng)復雜度和成本。還有研究利用NB-IoT等窄帶技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)測方案，但該類方案需要長期支付窄帶通信費用[6]。陳羊陽等[7]設(shè)計的家禽管理系統(tǒng)具備完善的監(jiān)測方案，但其僅從管理層面提高了生產(chǎn)效率，未使用環(huán)境數(shù)據(jù)對環(huán)控裝置進行管控。本文提出的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)利用低功耗Wi-Fi技術(shù)設(shè)計了禽舍環(huán)境監(jiān)測器，使用子任務同時處理傳感器調(diào)零和網(wǎng)絡連接等耗時操作，提高了硬件運行效率。系統(tǒng)采用低成本的樹莓派單板電腦作為業(yè)務服務器，基于Spring Boot框架實現(xiàn)了用戶服務接口和自動控制策略，采用Pi4J硬件接口庫實現(xiàn)對環(huán)控設(shè)備的實時控制。通過在實際禽舍環(huán)境中的長期試驗運行，驗證了系統(tǒng)的有效性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與原理

1.1 禽舍監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本文提出的禽舍監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案基于物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，包含感知層、網(wǎng)絡層和應用層[8]。系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示，虛線框體代表了系統(tǒng)的三個主要組成部分。其中，感知層由本文設(shè)計的若干個低功耗Wi-Fi環(huán)境監(jiān)測器構(gòu)成，負責對禽舍內(nèi)的主要環(huán)境參數(shù)進行采集，是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。盡管目前大部分規(guī)?；\作的禽舍都具有環(huán)境監(jiān)測器等相關(guān)設(shè)備，但是其僅具有環(huán)境數(shù)據(jù)采集和展示的功能[9]，不能直接應用于本文設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)。本文設(shè)計的監(jiān)測器，作為系統(tǒng)中的底層設(shè)備，僅需要實現(xiàn)低功耗無線傳輸和精準的數(shù)據(jù)采集即可，無需實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、運算和展示等額外功能，因此其具有低功耗和低成本的優(yōu)勢。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

網(wǎng)絡層是系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸和信息交換的中樞部分，傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)將網(wǎng)絡層的研究重點聚焦于范圍可擴展、傳輸距離遠和自組網(wǎng)等特點上[10]。而本系統(tǒng)針對中小規(guī)模禽舍的特定環(huán)境，提出了網(wǎng)絡層只要滿足低數(shù)據(jù)傳輸率、低功耗和易于組網(wǎng)等特性即可。因此在底層設(shè)備的網(wǎng)絡接入方面，采用了大部分養(yǎng)殖場已經(jīng)具備且更加成熟的2.4 GHz頻段Wi-Fi無線路由器進行組網(wǎng)。在該網(wǎng)絡環(huán)境的基礎(chǔ)上，監(jiān)測器和服務器之間采用MQTT消息傳輸協(xié)議的發(fā)布和訂閱機制，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)和控制參數(shù)的傳輸。

應用層位于系統(tǒng)的頂層，通過網(wǎng)絡層提供的MQTT服務與感知層的環(huán)境監(jiān)測器進行信息交換。其中業(yè)務服務是核心部分，通過I/O接口控制禽舍內(nèi)環(huán)控設(shè)備的運作，對禽舍外部通過以太網(wǎng)提供用戶接口服務，禽舍管理員在養(yǎng)殖場內(nèi)部、外部均能查看和控制系統(tǒng)的運行。

1.2 系統(tǒng)部署及運行原理

為了降低養(yǎng)殖場的使用成本和不影響正常的生產(chǎn)流程，本系統(tǒng)不對禽舍內(nèi)部現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)控設(shè)備進行改造。如圖2所示，無線環(huán)境監(jiān)測器懸掛于養(yǎng)殖架首尾端等靠近底部糞坑的位置，采集并上報該位置的氨氣濃度、硫化氫濃度、二氧化碳濃度以及溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)。由于該監(jiān)測器通過Wi-Fi進行通訊，因此兼容大部分使用IEEE802.11標準的無線路由器，無需采購或定制開發(fā)基于其他物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議(ZigBee、6LoWPAN等)的專用網(wǎng)關(guān)。使用基于ARM架構(gòu)的樹莓派單板電腦作為系統(tǒng)的服務器，該設(shè)備可以運行基于Linux系統(tǒng)的Raspberry Pi OS操作系統(tǒng)[11]。該設(shè)備相比于高性能的通用服務器而言雖然在處理性能上有一定的限制，但其優(yōu)點在于同時兼?zhèn)湟欢ǖ倪\算能力和硬件接口控制能力，且設(shè)備具有能耗極低、成本低廉的特點。系統(tǒng)使用該設(shè)備運行MQTT消息轉(zhuǎn)發(fā)服務器和監(jiān)控系統(tǒng)業(yè)務服務器等應用層程序。將該單板電腦安裝部署于禽舍內(nèi)部的電源箱旁邊，通過板載的RJ45以太網(wǎng)接口接入禽舍內(nèi)部局域網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡通信。應用層程序根據(jù)感知層采集的環(huán)境參數(shù)計算控制模式，最終由樹莓派的硬件I/O接口控制繼電器模塊對禽舍內(nèi)的排風扇、水簾和暖風機等設(shè)備實施通斷電源的操作。由于整套系統(tǒng)可以實現(xiàn)PID閉環(huán)自動控制，因此用戶無需主動關(guān)注禽舍內(nèi)的環(huán)境情況。當禽舍內(nèi)的環(huán)境情況達到預設(shè)報警值時，服務器的接口服務會向禽舍管理員發(fā)送短信進行告警。表1給出了本系統(tǒng)中監(jiān)測器所采用的主要傳感器硬件的相關(guān)性能參數(shù)。

圖2 系統(tǒng)部署示意圖

表1 傳感器性能參數(shù)

2 禽舍環(huán)境監(jiān)測器設(shè)計

2.1 硬件電路設(shè)計

無線環(huán)境監(jiān)測器是禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其中負責氣體濃度采集的信號處理電路和無線微控制器電路是硬件設(shè)計的重點。分別采用型號為ME3-NH3和ME3-H2S的傳感器采集氨氣和硫化氫濃度。二者同為3引腳結(jié)構(gòu)的電化學(EC)傳感器，其內(nèi)部通過與被測氣體發(fā)生氧化還原反應而產(chǎn)生微弱電流，因此需要設(shè)計信號處理電路將該微弱信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。由于傳統(tǒng)設(shè)計方案使用獨立元器件構(gòu)建信號處理電路的恒電位、I/V轉(zhuǎn)換和短路保護等模塊，因此電路的整體性能易受不同元器件的個體差異影響，對校準時的調(diào)零操作帶來不便。本文使用先進的AFE電路方案，選用型號為LMP91000的集成IC處理傳感器輸出的信號。通過其內(nèi)部的可編程偏置電壓和跨組增益模塊，將微弱電流信號放大至可識別的電壓信號，電路原理圖如圖3所示。

圖3 LMP91000電路原理圖

采用型號為CC3200的微控制器(MCU)作為監(jiān)測器的核心處理單元和無線收發(fā)單元。該控制器是基于SimpleLink技術(shù)實現(xiàn)的低功耗Wi-Fi微控制器，在具備ARM Cortex-M4內(nèi)核的同時，還集成了負責無線通訊的2.4 GHz頻段收發(fā)器。相比獨立設(shè)計處理器和無線收發(fā)器的方案[12]，本監(jiān)測器的核心電路可進一步精簡，從而增加電路的穩(wěn)定性。

電路設(shè)計如圖4所示，除了用于射頻信號的帶通濾波電路，其優(yōu)勢還在于無需使用額外的元器件便可以直接通過I2C總線接口與傳感器模塊進行通訊。其他用到的引腳還包括用于采集氣體濃度和電池電壓等模擬信號的A/D輸入、用于控制監(jiān)測器換氣風扇的PWM輸出以及控制I2C芯片使能的數(shù)字I/O。二氧化碳傳感器和溫濕度傳感器的型號分別為SGP30和SHT31，均使用I2C總線與微控制器進行通訊，無需占用更多引腳。

圖4 微控制器電路原理圖

2.2 軟件程序設(shè)計

監(jiān)測器的軟件開發(fā)基于FreeRTOS實時操作系統(tǒng)，如圖5所示。

(a)傳感器調(diào)零任務

為了提高運行效率，軟件創(chuàng)建了兩個子任務，分別執(zhí)行MQTT客戶端任務和傳感器調(diào)零任務。傳感器調(diào)零任務耗時較長，因此在硬件上電后只運行一次，調(diào)零結(jié)束后將傳感器的相關(guān)調(diào)零參數(shù)存入Flash存儲器，以避免因意外重啟而造成的數(shù)據(jù)丟失。在運行調(diào)零任務的同時，MQTT客戶端任務并行處理網(wǎng)絡認證和服務器連接操作，待成功連接至服務器后便進入循環(huán)采集周期。至此監(jiān)測器開始循環(huán)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、消息發(fā)送及接收和系統(tǒng)休眠操作，在休眠期間大部分硬件電路停止運行，只保留運行微控制器的睡眠時鐘，因此可最大程度地降低硬件功耗。

3 服務器端設(shè)計

3.1 業(yè)務邏輯

服務器端的硬件載體為樹莓派單板電腦，在其系統(tǒng)中運行多個服務程序。首先為監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)測器和業(yè)務服務之間的通訊提供MQTT消息轉(zhuǎn)發(fā)服務。考慮到單板電腦的處理能力有限，選用輕量級的開源軟件Mosquitto作為MQTT通訊協(xié)議中的轉(zhuǎn)發(fā)服務器(Broker)。

其次，作為MQTT通訊協(xié)議中的訂閱者(Subscriber)，該單板電腦中運行的業(yè)務服務需要接收來自消息發(fā)布者(Publisher)環(huán)境監(jiān)測器的采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)寫入到MySQL數(shù)據(jù)庫。然后，業(yè)務服務根據(jù)歷史和實時的禽舍環(huán)境數(shù)據(jù)，使用多路PID控制模型分別將每種環(huán)境參數(shù)作為輸入變量，將計算得出的結(jié)果根據(jù)權(quán)重系數(shù)進行加權(quán)平均處理，最終做出是否開啟或關(guān)閉排風扇、水簾或暖風機等設(shè)備的決策。若計算結(jié)果超出用戶設(shè)置的閾值，則通過短信平臺接口發(fā)送報警短信給用戶。業(yè)務服務基于Spring Boot框架設(shè)計，使用跨平臺語言Java編寫。在定時執(zhí)行傳感器數(shù)據(jù)存儲和PID控制等業(yè)務服務的同時，還通過RESTful風格API為用戶提供HTTP接口。服務器端的程序結(jié)構(gòu)如圖6所示，用戶登錄及監(jiān)控界面如圖7所示。

圖6 服務器端業(yè)務流程

(a)監(jiān)測器節(jié)點列表界面

3.2 設(shè)備控制方法

為了對禽舍內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備的220 V交流電源進行開關(guān)控制，需要使用繼電器模塊來實現(xiàn)小電流驅(qū)動大電流。樹莓派單板電腦對外提供多種I/O引腳，可用于控制各種硬件模塊，從而節(jié)約傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中需要額外設(shè)計的微控制器硬件的成本。服務器的業(yè)務邏輯采用Java語言編寫，因此選取Pi4J庫函數(shù)對GPIO引腳進行控制，該庫函數(shù)是針對樹莓派硬件以Java語言實現(xiàn)的，可直接由Spring Boot框架調(diào)用。排風扇控制示意圖如圖8所示，從樹莓派的擴展引腳分別引出5 V、GND以及I/O引腳至繼電器模塊的電源和信號輸入。再將繼電器的公共COM端接入排風扇電源的火線端，在繼電器的常開NO端和排風扇的電源零線接入端之間加入市電插頭并接至供電箱。使用Pi4J庫提供的GpioPinDigitalOutput類控制數(shù)字引腳輸出高低電平，從而實現(xiàn)排風扇的啟動和關(guān)閉。

圖8 排風扇控制示意圖

4 測試方法與分析

系統(tǒng)的測試運行包含實驗室環(huán)境中的監(jiān)測器硬件調(diào)試和禽舍現(xiàn)場環(huán)境進行的實地長期測試，現(xiàn)場環(huán)境為位于北京市平谷區(qū)內(nèi)的某一小規(guī)模蛋雞養(yǎng)殖場。環(huán)境監(jiān)測器的性能決定系統(tǒng)感知層的可靠性，因此需要對系統(tǒng)中監(jiān)測器的運行功耗和環(huán)境數(shù)據(jù)的采集準確性進行測試。首先在實驗室環(huán)境運行該設(shè)備，使用型號為RIGOL DM3058E的精密電流表實時記錄監(jiān)測器在周期性數(shù)據(jù)采集過程中的運行電流，電流表可以將連續(xù)采集的電流值通過存儲設(shè)備導出為歷史記錄。如圖9所示，根據(jù)記錄繪制出監(jiān)測器在一個氣體濃度采集周期下的電流曲線，可知監(jiān)測器在睡眠模式時運行功耗最低，電流僅為330 uA；以120 s為周期出現(xiàn)的65 mA 波峰是溫濕度傳感器運行時的電流；氣體濃度的采集點出現(xiàn)在風扇運行結(jié)束之后，可明顯地看出在最高電流280 mA之后出現(xiàn)的68 mA波峰即為氣體濃度采集時的電流。試驗表明，該設(shè)備的平均運行電流為1.04 mA，通過延長監(jiān)測器的睡眠時間，可進一步降低設(shè)備的平均運行電流。根據(jù)電荷量庫倫算法t=Q/I可知，其中I為平均運行電流，采用一塊電池容量為Q=22.4 Ah的鋰電池，可計算出監(jiān)測器以電池供電時可以連續(xù)運行897 d。

圖9 采集周期電流曲線

為了驗證監(jiān)測器采集數(shù)據(jù)的準確性，在本文試驗中使用了多種工業(yè)用途的手持檢測儀的檢測結(jié)果作為對照組，在實際環(huán)境中連續(xù)記錄環(huán)境數(shù)據(jù)并與監(jiān)測器采集的結(jié)果進行對比。表2給出了同一試驗環(huán)境下，本監(jiān)測器采集值與對照組的平均相對誤差，以及對照組手持檢測儀的具體型號。試驗結(jié)果表明，本文設(shè)計方案的監(jiān)測結(jié)果符合《GB 12358—2006》國家標準中對于有毒氣體檢測誤差的要求。結(jié)合表1給出的該監(jiān)測器所用傳感器的硬件相關(guān)參數(shù)，可見在采集性能接近的情況下本監(jiān)測器的實現(xiàn)更具性價比。

表2 采集值與真實值平均相對誤差對比

通過對比兩組蛋雞舍的長期運行狀況來驗證本禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的總體運行效果。如圖10所示，選定的該養(yǎng)殖場具有兩棟同等規(guī)模的雞舍，該雞舍大致呈東西走向，寬度約為15 m，長度約為75 m。其內(nèi)部布局也基本一致，分別具有4組養(yǎng)殖架、養(yǎng)殖架下面是裝有刮糞器的糞坑和5條過道。雞架西面盡頭的墻上裝有5組排風扇，東面則是4組水簾分別正對每組雞架，除此之外還具有暖風機、軌道式飼料喂撒器和藥水噴淋器等設(shè)備。

圖10 雞舍所在地衛(wèi)星地圖

兩組試驗雞舍的飼養(yǎng)品種同為海蘭褐殼蛋雞，其中一組雞舍保持原有設(shè)備和人工操作方式不變，另一組雞舍部署本文設(shè)計的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。部署方式為分別在養(yǎng)殖架的首尾端懸掛無線監(jiān)測器，如圖2所示；對排風扇、水簾、暖風機等環(huán)境控制設(shè)備的供電箱加裝繼電器控制模塊，并由樹莓派服務器端的數(shù)字I/O引腳控制；服務器與監(jiān)測器間通過雞舍內(nèi)現(xiàn)有的Wi-Fi無線路由器實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)測試運行始于2019年6月，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)束于2020年7月，共計378個自然日。該品種蛋雞飼養(yǎng)周期一般為500 d左右，因此試驗時間段覆蓋了飼養(yǎng)周期的大部分時間。表3給出了兩組試驗蛋雞舍的對比數(shù)據(jù)，分別對比了起始和結(jié)束時的總體耗電量以及雞只淘汰數(shù)量等參數(shù)。由耗電量對比可知，該養(yǎng)殖場在使用本環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的情況下，單一雞舍可節(jié)約用電2 656 kW·h，節(jié)電率約為7.71%。由雞只淘汰率對比可知，由于系統(tǒng)可及時地自動啟動減排和控制溫控裝置，提高了禽類的生存率。

表3 雞舍的耗電與雞只存活數(shù)量對比

5 結(jié)論

設(shè)計并實現(xiàn)的禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)包含低功耗W-Fi環(huán)境監(jiān)測器、低成本業(yè)務服務器以及相應的監(jiān)控程序。

1)部署簡便，僅需要部署環(huán)境監(jiān)測器、樹莓派單板電腦和對應環(huán)控設(shè)備的控制繼電器即可，禽舍內(nèi)其他已有的環(huán)控設(shè)備可直接利舊。硬件成本低，系統(tǒng)中的無線監(jiān)測器無需配置專用頻段和協(xié)議的網(wǎng)關(guān)，可接入以太網(wǎng)環(huán)境，且服務器端硬件運行于禽舍內(nèi)部從而不需要在云端托管，對于中小規(guī)模的禽舍來說一次性投入成本少，無需支付服務器托管費。

2)高有效性，經(jīng)過長時間的運行測試對比，由于禽舍的各種環(huán)境控制設(shè)備可以實現(xiàn)自動化運行，因此能夠在節(jié)約人力成本的同時節(jié)約更多電力成本，年節(jié)電率為7.71%。由于系統(tǒng)可以持續(xù)改善禽舍內(nèi)的溫濕度和空氣質(zhì)量等環(huán)境，提升了禽類的動物福利，使得淘汰率降低0.8%。