田松山，黃劍林，馬林，丁朝陽(yáng)，馬曉花

（西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州，730030）

中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，畜牧養(yǎng)殖業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，隨著我國(guó)畜牧業(yè)的快速發(fā)展，養(yǎng)殖技術(shù)也隨之在發(fā)生變化。但是通過(guò)對(duì)于國(guó)內(nèi)多家養(yǎng)殖企業(yè)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的養(yǎng)殖企業(yè)并沒(méi)有對(duì)動(dòng)物的健康狀況并沒(méi)有一個(gè)完整的疾病檢測(cè)檢測(cè)系統(tǒng)，更多的只是對(duì)于養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)環(huán)境的檢測(cè)，以及一些自動(dòng)喂食的系統(tǒng)。

現(xiàn)在我們對(duì)于動(dòng)物的疫病的監(jiān)測(cè)及控制更加的重視，對(duì)于畜牧產(chǎn)品的信息追蹤要求更加嚴(yán)格。而現(xiàn)在在市場(chǎng)上出現(xiàn)的對(duì)于飼養(yǎng)場(chǎng)動(dòng)物健康狀況的自動(dòng)記錄分析裝置很少，對(duì)于牲畜產(chǎn)品的流通過(guò)程追蹤系統(tǒng)不夠完善，且價(jià)格高昂，局限性較多，對(duì)于養(yǎng)殖技術(shù)的推廣和發(fā)展有一定的影響。許多的飼養(yǎng)場(chǎng)沒(méi)有系統(tǒng)的免疫程序，不按程序設(shè)防，“重養(yǎng)輕防，輕防重治”的思想意識(shí)十分嚴(yán)重，而且疫苗保存使用不當(dāng)、免疫效果低下，這些都容易導(dǎo)致動(dòng)物疫病傳播，給動(dòng)物疫病防控帶來(lái)隱患。

針對(duì)上述問(wèn)題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)出了基于大數(shù)據(jù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的飼養(yǎng)場(chǎng)動(dòng)物健康狀況記錄分析裝置，利用大數(shù)據(jù)的5V特點(diǎn)：Volume（大量）、Velocity（高速）、Variety（多樣）、Value（低價(jià)值密度）、Veracity（真實(shí)性），對(duì)于大量數(shù)據(jù)的處理分析更加科學(xué)合理，可以更加方便高速快捷真實(shí)的實(shí)現(xiàn)對(duì)于飼養(yǎng)場(chǎng)動(dòng)物的采食量以及相關(guān)數(shù)據(jù)的分析進(jìn)而對(duì)動(dòng)物的健康狀況做出最終的記錄和分析，同時(shí)依據(jù)現(xiàn)代通信技術(shù)與RFID技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于牲畜產(chǎn)品自養(yǎng)殖至屠宰出售全程追蹤，以及牲畜的治療記錄、免疫記錄等等的可視化處理，極大的方便了人們對(duì)于牲畜的管理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目是基于大數(shù)據(jù)和現(xiàn)代通信技術(shù)而設(shè)計(jì)出的飼養(yǎng)場(chǎng)動(dòng)物健康狀況記錄分析裝置，利用RFID技術(shù)以及舵機(jī)模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊、按鍵模塊、溫濕度傳感器、顯示屏模塊、紅外測(cè)溫傳感器、稱重模塊等組成。各類傳感器模塊對(duì)于動(dòng)物的采食量、體溫、體重等數(shù)據(jù)上傳至云端從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于動(dòng)物健康狀況的檢測(cè)和監(jiān)控，在云端對(duì)大量數(shù)據(jù)結(jié)合軟件算法進(jìn)行處理分析，最終達(dá)到可以方便、高速、快捷、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對(duì)于飼養(yǎng)場(chǎng)動(dòng)物的健康狀況做出判斷并進(jìn)行記錄和預(yù)警。

本項(xiàng)目的目的是解決現(xiàn)代智能養(yǎng)殖中對(duì)于動(dòng)物健康狀況情況的檢測(cè)，涉及了防疫問(wèn)題、奶牛產(chǎn)量檢測(cè)以及對(duì)于飼養(yǎng)場(chǎng)環(huán)境條件的檢測(cè)，同時(shí)還包括牧產(chǎn)品自飼養(yǎng)場(chǎng)至屠宰售賣(mài)的全程追蹤，在動(dòng)物出現(xiàn)問(wèn)題的第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)，降低了損失，極大的方便了管理者的管理壓力。同時(shí)項(xiàng)目具有很好的擴(kuò)展性，例如對(duì)于動(dòng)物的族譜、出生死亡、以及配種等信息的記錄和統(tǒng)計(jì)，可以方便管理者對(duì)于動(dòng)物的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)處理，更好的促進(jìn)推現(xiàn)代技術(shù)在養(yǎng)殖業(yè)中的發(fā)展和推廣。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖 1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

■ 2.1 系統(tǒng)主要功能

本項(xiàng)目主要實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)于飼養(yǎng)場(chǎng)動(dòng)物身體健康狀況的檢測(cè)以及預(yù)警，同時(shí)也具備對(duì)于飼養(yǎng)場(chǎng)內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度等的數(shù)據(jù)檢測(cè)和報(bào)警等功能，并且可以通過(guò)云端下發(fā)命令，達(dá)到控制風(fēng)扇、電機(jī)等以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)飼養(yǎng)場(chǎng)內(nèi)部溫度、濕度的功能，系統(tǒng)擴(kuò)展性較強(qiáng)。可幫助飼養(yǎng)人員更好的管理飼養(yǎng)場(chǎng)，減少勞動(dòng)力消耗，使牧場(chǎng)管理更加便利，促進(jìn)國(guó)內(nèi)養(yǎng)殖技術(shù)的發(fā)展。下面介紹一下本項(xiàng)目的一些主要功能：

（1）飼養(yǎng)場(chǎng)環(huán)境情況檢測(cè)，使用各類傳感器獲取飼養(yǎng)場(chǎng)內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳濃度、揮發(fā)性有機(jī)化合物濃度等信息，并且可以將信息顯示在本地OLED顯示屏上，同時(shí)也可以將數(shù)據(jù)上傳至云端，顯示在網(wǎng)頁(yè)上，以供管理人員隨時(shí)隨地查看。

（2）體溫體重?cái)?shù)據(jù)檢測(cè)，通過(guò)紅外測(cè)溫模塊和稱重模塊，將動(dòng)物進(jìn)食、進(jìn)水時(shí)的體溫體重信息獲取，同時(shí)將數(shù)據(jù)及時(shí)反饋給飼養(yǎng)者，并且數(shù)據(jù)可及時(shí)保存至云端或本地，以便于對(duì)于動(dòng)物的進(jìn)食情況和健康狀況進(jìn)行分析，當(dāng)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒飼養(yǎng)人員。

（3）生長(zhǎng)發(fā)育情況，通過(guò)對(duì)于動(dòng)物的體重變化以及其年齡、性別等的綜合分析，得出動(dòng)物的發(fā)育狀況是否正常，同時(shí)使用電子標(biāo)簽，可以將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確到每一頭動(dòng)物身上，如果出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，提示工作人員對(duì)可能出現(xiàn)問(wèn)題的動(dòng)物進(jìn)行處理。

（4）進(jìn)食量數(shù)據(jù)，通過(guò)動(dòng)物進(jìn)食前后的體重變化，得出動(dòng)物的進(jìn)食量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)上傳存儲(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)量不夠，可以從網(wǎng)絡(luò)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助分析，當(dāng)分析數(shù)據(jù)得出異常結(jié)果時(shí)及時(shí)報(bào)警提醒工作人員。

（5）產(chǎn)奶管理，如果是奶牛等動(dòng)物，在其產(chǎn)奶時(shí)，同樣可以使用類似的方法測(cè)得每頭奶牛的產(chǎn)奶量，以及每頭奶牛產(chǎn)量的變化趨勢(shì)等。

本項(xiàng)目具備很強(qiáng)的擴(kuò)展性，目前實(shí)現(xiàn)的有自動(dòng)清糞功能，在云端發(fā)送命令給主控芯片，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)刮板將動(dòng)物的糞便集中到以其，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清糞功能，本項(xiàng)目可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，修改相對(duì)應(yīng)的功能，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合不同的功能需要。

■ 2.2 系統(tǒng)主要硬件

當(dāng)飼養(yǎng)場(chǎng)動(dòng)物到達(dá)指定地方進(jìn)食、喝水，使用RFID電子標(biāo)簽來(lái)識(shí)別每只動(dòng)物的身份，這是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的前提和基礎(chǔ)，通過(guò)多種傳感器收集其來(lái)回時(shí)的體重、體溫、以及在此區(qū)域停留的時(shí)間等數(shù)據(jù)，將質(zhì)量產(chǎn)生的重力壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號(hào)，這是取得質(zhì)量數(shù)據(jù)的核心內(nèi)容，將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至云端進(jìn)行存儲(chǔ)。本項(xiàng)目主要硬件：

（1）RFID讀卡器，無(wú)線射頻識(shí)別即射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID），是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種，通過(guò)無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，利用無(wú)線射頻方式對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫(xiě)，從而達(dá)到識(shí)別目標(biāo)和數(shù)據(jù)交換的目的。使用RFID讀卡器識(shí)別動(dòng)物身上電子耳標(biāo)的身份信息，從而可以獲取每個(gè)動(dòng)物ID，以便于將數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的存儲(chǔ)。

（2）HX711稱重模塊，使用稱重模塊，當(dāng)動(dòng)物在指定地方進(jìn)食進(jìn)水等，可以獲取動(dòng)物的體重信息，同動(dòng)物的身份信息一同上傳至云端。后期可以通過(guò)分析動(dòng)物的體重變化來(lái)分析其可能出現(xiàn)疾病或著出現(xiàn)發(fā)育異常等情況，及時(shí)提示飼養(yǎng)員進(jìn)一步確認(rèn)動(dòng)物身體是否出現(xiàn)異常并處理異常。

采用問(wèn)卷調(diào)查的方式對(duì)兩組患者進(jìn)行兩次測(cè)評(píng),時(shí)間是在進(jìn)行疼痛護(hù)理和疼痛護(hù)理干預(yù)之后,兩次測(cè)試間隔為15d。

（3）紅外測(cè)溫模塊，在對(duì)動(dòng)物的體重信息測(cè)量的同時(shí)，對(duì)于動(dòng)物的體溫信息也及時(shí)測(cè)量并上傳，隨時(shí)檢測(cè)動(dòng)物的溫度信息，體溫異常及時(shí)報(bào)警提示飼養(yǎng)者。

（4）DHT11溫濕度檢測(cè)模塊，采用此模塊，時(shí)刻檢測(cè)飼養(yǎng)場(chǎng)內(nèi)部的溫度濕度變化，同時(shí)該數(shù)據(jù)時(shí)刻更新至云端，并設(shè)置合理的閾值，當(dāng)結(jié)果超出設(shè)置的閾值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟風(fēng)扇等裝置，及時(shí)調(diào)節(jié)飼養(yǎng)場(chǎng)內(nèi)溫濕度。

（5）SGP30環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)模塊，采用此模塊測(cè)量飼養(yǎng)場(chǎng)內(nèi)部的二氧化碳濃度和揮發(fā)性有機(jī)化合物濃度，時(shí)刻檢測(cè)飼養(yǎng)場(chǎng)內(nèi)部環(huán)境溫度。上傳至云端顯示在用戶終端。

（6）ESP8266物聯(lián)網(wǎng)模塊，采用此模塊將傳感器接收的各類數(shù)據(jù)通過(guò)路由器發(fā)送至云端，在云平臺(tái)上顯示動(dòng)物的實(shí)時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并且也可以通過(guò)此模塊接收云端發(fā)送的數(shù)據(jù)，使得主控芯片控制電機(jī)、風(fēng)扇等實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。

■ 2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目使用12.6V的鋰電池作為電源，整個(gè)系統(tǒng)還需要使用到5V電源為MCU以及部分模塊供電、3.3V電源為部分模塊供電。需要使用到兩個(gè)可調(diào)降壓模塊使鋰電池電源供來(lái)的電壓分為兩種不同大小的電壓以滿足系統(tǒng)需要，保證能夠?yàn)镸CU及所用到的模塊提供其所需要的電壓是使它們正常工作完成項(xiàng)目需求的前提。

根據(jù)MCU不同I/O口所具有的硬件資源將不同模塊接在合適的I/O口上，以實(shí)現(xiàn)硬件資源的合理使用，此外大多數(shù)模塊采用到串口通信，為了滿足模塊能夠?qū)崿F(xiàn)其功能并能夠進(jìn)行相互間的通信從而滿足項(xiàng)目需要，需要將MCU的串口資源進(jìn)行分配使其不存在沖突順利完成項(xiàng)目所需要的功能。其中，SGP30環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)模塊使用USART1，SYN6288語(yǔ)音播報(bào)模塊使用USART2，ESP8266模塊使用USART3，RFID讀卡器模塊使用USART4，剩下的串口當(dāng)作備用。此外MCU的定時(shí)器資源也需要合理分配給各個(gè)模塊使用。其系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路原理圖如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計(jì)原理圖

■ 2.4 用戶終端

通過(guò)網(wǎng)站將數(shù)據(jù)結(jié)果以及分析得出的動(dòng)物健康狀況展示給使用者，用戶可以使用手機(jī)或電腦等終端，隨時(shí)隨地登錄網(wǎng)站，查看飼養(yǎng)場(chǎng)的運(yùn)行狀況，當(dāng)牲畜可能出現(xiàn)或已經(jīng)出現(xiàn)疾病時(shí)及時(shí)報(bào)警，并準(zhǔn)確給出異常牲畜的ID，提醒飼養(yǎng)人員及時(shí)處理。也可以遠(yuǎn)程發(fā)送指令，控制風(fēng)扇、電機(jī)等的運(yùn)行。針對(duì)不同的用戶，可以根據(jù)用戶的需求調(diào)整顯示的內(nèi)容，定制多種多樣的頁(yè)面，從而滿足不同的需求。

我們采用了MQTT通信協(xié)議，首先是通過(guò)各類傳感器（溫濕度傳感器，光照傳感器，紅外測(cè)溫傳感器等）的數(shù)值，實(shí)時(shí)上報(bào)于對(duì)外開(kāi)放的公共的MQTT服務(wù)器，然后編寫(xiě)MQTT服務(wù)器對(duì)接獲取單片機(jī)上傳的信息，接著對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步的分析，并且在云平臺(tái)上定制規(guī)則，下發(fā)到單片機(jī)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作。在單片機(jī)上使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，獲取傳感器的數(shù)值，然后通過(guò)MQTT協(xié)議實(shí)時(shí)上傳到MQTT的web服務(wù)器，這里我們使用的是阿里云的IoT Studio服務(wù)，同時(shí)可以將采集到的數(shù)據(jù)接入阿里云的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)當(dāng)中，進(jìn)行進(jìn)一步的分析，并最終將結(jié)果展現(xiàn)在網(wǎng)頁(yè)上，供用戶使用。

軟件部分的工作流程為：接收數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)傳感器進(jìn)行軟件智能化補(bǔ)償校正，這將會(huì)提高傳感器精度，接著判斷數(shù)據(jù)是否完成，若沒(méi)有完成，則重新進(jìn)行接收，完成之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，并結(jié)合大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析學(xué)習(xí)，一方面利用歷史數(shù)據(jù)對(duì)于動(dòng)物當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷動(dòng)物是否可能發(fā)生了疾病，并進(jìn)一步采集相關(guān)動(dòng)物的數(shù)據(jù)，以便于得出最終較為準(zhǔn)確的結(jié)果，如果出現(xiàn)疾病則報(bào)警提醒飼養(yǎng)者。另一方面，由于一次一次的數(shù)據(jù)處理、存檔，系統(tǒng)自身功能也將得到完善和加強(qiáng)，對(duì)于動(dòng)物可能產(chǎn)生的疾病，例如：感冒、消化道疾病、呼吸道疾病等等，動(dòng)物在患相同的疾病時(shí)的一些數(shù)據(jù)會(huì)有一些相似的特征，通過(guò)這些特征，系統(tǒng)將可以對(duì)于動(dòng)物在某些病癥的早期數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，從而達(dá)到可以預(yù)測(cè)該種病癥的發(fā)生，相應(yīng)的可以提前讓用戶做好相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

同時(shí)用戶可隨時(shí)自主進(jìn)行選擇需要顯示的信息，如動(dòng)物的產(chǎn)奶量變化，體溫體重?cái)?shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等。監(jiān)測(cè)各個(gè)方面的具體情況，同時(shí)對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)做出分析判斷，如果出現(xiàn)異常，則報(bào)警提醒管理人員處理異常。最后是通過(guò)RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)牧產(chǎn)品的全程追蹤，動(dòng)物的電子耳標(biāo)標(biāo)碼是終身攜帶的，通過(guò)這個(gè)電子標(biāo)碼可以追溯到這頭牲畜的生產(chǎn)場(chǎng)、收購(gòu)場(chǎng)、屠宰場(chǎng)、以及銷售流向。這樣如果發(fā)生疫情和畜產(chǎn)品質(zhì)量等問(wèn)題，即可追蹤（追溯）其來(lái)源，分清責(zé)任，堵塞漏洞，同時(shí)利用標(biāo)識(shí)功能，有利于打擊售賣(mài)病死牲畜的一系列參與者，監(jiān)管?chē)?guó)內(nèi)畜產(chǎn)品的安全，確保民眾食用到健康的牧產(chǎn)品。其系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

4 總結(jié)與展望

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的“基于大數(shù)據(jù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的飼養(yǎng)場(chǎng)動(dòng)物健康狀況記錄分析裝置”在模擬的飼養(yǎng)場(chǎng)環(huán)境下，各模塊運(yùn)行正常，響應(yīng)較快，數(shù)據(jù)上傳及時(shí)，可以在網(wǎng)頁(yè)端隨時(shí)隨地查看飼養(yǎng)場(chǎng)動(dòng)物的生命體征，以及飼養(yǎng)場(chǎng)的環(huán)境情況，并且可以在網(wǎng)頁(yè)端下發(fā)命令控制風(fēng)扇等的運(yùn)行，或者通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置的閾值，當(dāng)數(shù)據(jù)超出設(shè)置的閾值時(shí)自動(dòng)運(yùn)行風(fēng)扇。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的該裝置具有一定的使用價(jià)值，可以適用于多種動(dòng)物的養(yǎng)殖，例如牛、羊、豬等，但是功能還不夠完備，比如數(shù)據(jù)處理還有一定的問(wèn)題，缺少一種較為完美準(zhǔn)確判斷出動(dòng)物的健康狀況的算法，數(shù)據(jù)量較少，對(duì)于動(dòng)物早期疫病數(shù)據(jù)匹配失誤率較高，后期將針對(duì)多種動(dòng)物分別建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，提高結(jié)果的準(zhǔn)確率。

根據(jù)市場(chǎng)需求，本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可以促進(jìn)我國(guó)規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)的升級(jí)，針對(duì)不同規(guī)模以及不同類型的牲畜養(yǎng)殖給出相對(duì)應(yīng)的解決方案，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，提高養(yǎng)殖效率，大大減少勞動(dòng)力消耗。最終達(dá)到從根本上改變現(xiàn)有生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)資源完全使用，讓中國(guó)的畜牧業(yè)變得更加科技化、智能化。