呂恩利，何欣源，羅毅智，王飛仁，夏晶晶，吳 凡，曾志雄

(1 華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院, 廣東 廣州 510642； 2 嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學與技術(shù)廣東省實驗室 茂名分中心, 廣東 茂名 525000；3 廣州迦恩科技有限公司, 廣東 廣州 511363； 4 廣東機電職業(yè)技術(shù)學院, 廣東 廣州 510550； 5 云南昌農(nóng)農(nóng)牧食品有限公司, 云南 文山 663000； 6 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南智慧農(nóng)業(yè)公共研發(fā)中心, 廣東 廣州 510630)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于豬場養(yǎng)殖，可以實現(xiàn)母豬智能飼喂[1]、遠程實時監(jiān)控[2]和養(yǎng)殖環(huán)境調(diào)控[3]，有利于增強母豬繁殖性能、提升豬場養(yǎng)殖效益[4-5]，對促進豬場數(shù)字化和智能化進程具有重要意義[6-7]。

國內(nèi)外學者對此開展了相關(guān)研究。國外在動物養(yǎng)殖中應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)較早，荷蘭 Nedap 公司開發(fā)的Velos 管理系統(tǒng)，使用RFID方式實現(xiàn)了群養(yǎng)母豬的個體精確飼喂[8]，加拿大 JYGA 科技公司的Gestal系統(tǒng)實現(xiàn)了對哺乳母豬全自動飼喂，其采用無線電技術(shù)搭配飼喂器，可以準確控制母豬的采食量[9]。國內(nèi)對物聯(lián)網(wǎng)智能飼喂的研究才剛剛起步，但也取得了許多研究成果[10]。朱偉興等[11]針對保育豬舍研發(fā)了環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，利用Zigbee 無線技術(shù)實現(xiàn)了豬舍環(huán)境的可視化、精準化調(diào)控。潘秦等[12]利用母豬飼喂專家系統(tǒng)實現(xiàn)了群養(yǎng)母豬智能飼喂，通過無線分組交換技術(shù)(GPRS)實時獲取耳標號和豬舍溫、濕度等信息。大部分學者主要集中在飼喂系統(tǒng)控制邏輯的優(yōu)化，對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化服務研究的相關(guān)文獻較少。而母豬養(yǎng)殖的數(shù)字化管理，對提高豬場生產(chǎn)力具有重要作用[13]。

本文在前人研究的基礎上，著重數(shù)據(jù)傳輸和解析方面，設計了一種哺乳母豬的智能飼喂物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。采用Netty、SpringBoot框架以及MySQL技術(shù)，以TCP/IP協(xié)議為基礎設計多種通信協(xié)議，以實現(xiàn)哺乳母豬飼喂數(shù)據(jù)傳輸和遠程控制指令下發(fā)，為實現(xiàn)哺乳母豬智能飼喂數(shù)字化管理提供參考。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設計

系統(tǒng)由感知層、傳輸層和應用層組成[10]，各個層之間通過廣域的互聯(lián)網(wǎng)相互連接，形成從哺乳母豬養(yǎng)殖生產(chǎn)中信息采集、信息傳輸、信息處理、設備控制的一站式服務體系[14]。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 哺乳母豬飼喂物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig. 1 Architecture diagram of feeding IoT system for lactating sows

1)感知層：該模塊自底向上由飼喂器設備和中央控制器組成，主要實現(xiàn)母豬飼喂信息、圖像數(shù)據(jù)的采集上傳以及遠程控制指令響應；

2)傳輸層：主要依托 GPRS ，按照約定的 IP 地址及端口號與服務器建立TCP連接，將感知層所獲得的數(shù)據(jù)進行長距離傳輸；

3)應用層：由數(shù)據(jù)服務中心、用戶以及中間鏈路部分組成。服務中心主要功能為：飼喂數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、Web網(wǎng)站服務等，為下屬用戶提供PC端的服務[15]。

1.1 現(xiàn)場設備

現(xiàn)場設備如圖2所示，智能飼喂器如圖2a所示，由單體機械和控制器組成，安裝在料線下方；中央控制器如圖2b所示，豬舍內(nèi)通常由一臺中央控制器控制多臺智能飼喂器設備，并負責與云端進行通信。

圖2 現(xiàn)場設備Fig. 2 Field equipment

1.2 系統(tǒng)技術(shù)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學者針對相關(guān)技術(shù)進行了不同的嘗試，為了滿足豬場實際應用需求，本文參照類似飼喂物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)完成了技術(shù)選型，如表1所示。

表1 飼喂物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)對比表Table 1 Technology comparison table of feeding IoT system

許多相關(guān)系統(tǒng)會將智能設備接入開源物聯(lián)網(wǎng)平臺，通常需要使用平臺固定的數(shù)據(jù)協(xié)議，存在配置繁瑣、增加業(yè)務困難的問題。由于豬場需要根據(jù)業(yè)務需求靈活地定制程序，所以本文選擇通過Netty框架實現(xiàn)多線程網(wǎng)絡服務器、自定義數(shù)據(jù)協(xié)議完成數(shù)據(jù)實時傳輸，使得系統(tǒng)具有更強的擴展性。例如，本文基于后臺對圖像分析要求，實現(xiàn)了現(xiàn)場豬只圖像采集傳輸；除此之外，云存儲能夠提高存儲效率，降級運營成本，同時具備負載均衡、故障冗余功能[16]。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸部分主要實現(xiàn)飼喂設備數(shù)據(jù)的接收和操作指令的下發(fā)。此部分基于Netty網(wǎng)絡通信框架完成功能搭建[17-18]，通過私有數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進行內(nèi)容傳輸。

2.1 Netty優(yōu)化設計

Netty是一個異步的、基于事件驅(qū)動的網(wǎng)絡應用框架，常用以快速開發(fā)高性能、高可靠性的網(wǎng)絡I/O程序[19]。Netty框架使用的線程模型基于Reactor模式進行演變，保證了單線程資源無競爭高效串行化任務的執(zhí)行，Netty使用零拷貝，堆外直接內(nèi)存進行Socket讀寫，傳輸快，且提供了對TCP、UDP和文件傳輸?shù)闹С帧?/p>

系統(tǒng)基于Netty框架開發(fā)數(shù)據(jù)接收模塊，模塊在啟動時通過ServerBootStrap綁定并監(jiān)聽一個網(wǎng)絡端口。當有中央控制器傳輸數(shù)據(jù)時，WorkerEventLoopGroup根據(jù)設計的自定義協(xié)議進行數(shù)據(jù)的校驗和解析。

數(shù)據(jù)解析完成后進行業(yè)務處理，該過程需要訪問數(shù)據(jù)庫。若在Netty的Worker線程中完成業(yè)務處理，將會影響數(shù)據(jù)接收模塊的數(shù)據(jù)處理效率。因此加入自定義線程池來處理耗時業(yè)務操作，進而提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理性能。線程池最大線程數(shù)超過系統(tǒng)資源限制時，新線程會處于無限等待[20]，為避免此現(xiàn)象發(fā)生，故采用如下算法公式：

式中：Ns為線程的設置數(shù)；Ni為CPU的核心數(shù)；Nj為預期CPU核心利用率；T/C為任務等待的時間與執(zhí)行時間的比值[21]。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設計

通信協(xié)議作為采集終端與收集端消息傳送的“模板”[22]，在業(yè)務中有十分重要的地位，是采集終端與收集端消息傳送的重要組成部分，而定義私有協(xié)議可更具有靈活性，可以按照業(yè)務需求有針對性地優(yōu)化。

本文的通信協(xié)議涉及到多種類型，包括生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)幀、飼喂曲線數(shù)據(jù)幀、圖像數(shù)據(jù)幀、升級設備數(shù)據(jù)幀等，本文以生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)幀和圖像數(shù)據(jù)幀進行介紹，數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)幀示意圖Fig. 3 Data frame diagram

對協(xié)議的數(shù)據(jù)幀公有幀位進行統(tǒng)一解釋，各位置作用如下。幀頭、幀尾：標識一個數(shù)據(jù)幀的開始結(jié)束，利用其解決數(shù)據(jù)幀黏包問題；校驗位：對數(shù)據(jù)幀中除幀頭、幀尾、校驗位外的所有數(shù)據(jù)累加取反，取低八位做正確性驗證；標志位：用來標識系統(tǒng)中不同類型的數(shù)據(jù)幀，例如基本信息數(shù)據(jù)、圖像信息數(shù)據(jù)等；長度位：表示除去幀頭、幀尾后整條數(shù)據(jù)幀的長度；控制器ID：此ID屬于中央控制器的唯一標識；飼喂器ID：此ID屬于飼喂器設備的唯一標識；哺乳母豬ID：飼喂器設備對應的哺乳母豬的唯一標識。

2.2.1 生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)幀生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)幀如圖3a所示，其中數(shù)據(jù)內(nèi)容位為特有幀位，該位的長度可根據(jù)實際生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)的不同而靈活變化。主要為母豬飼喂信息數(shù)據(jù)，包括豬只采食量、飲水量、舍號、欄號、分娩時間等。

2.2.2 圖像數(shù)據(jù)幀圖像數(shù)據(jù)幀的設計與系統(tǒng)處理圖像的邏輯有關(guān)，系統(tǒng)發(fā)送圖像時，會將該圖像分多段傳輸。在圖像上傳前，將分割段數(shù)發(fā)送至云端程序，之后發(fā)送圖像分段數(shù)據(jù)，以及當前分段數(shù)據(jù)在所有段中所處位置的編號，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)的編號將圖像拼接重現(xiàn)。故圖像數(shù)據(jù)幀又分為圖像數(shù)量幀和圖像內(nèi)容幀2種。

圖像數(shù)量幀如圖3b所示，其中分割段數(shù)為特有幀位，用來指明本次傳輸?shù)膱D像分為多少段數(shù)據(jù)進行上傳，通常在圖像數(shù)據(jù)上傳初期向云端發(fā)送該幀。例如分割段數(shù)是5，則表示圖像分5次進行傳輸，接下來將有5條圖像內(nèi)容幀陸續(xù)發(fā)送，將5條幀中圖像數(shù)據(jù)內(nèi)容進行拼接即為完整圖像。

圖像內(nèi)容幀如圖3c所示，其中當前段號和圖像數(shù)據(jù)為特有幀位。當前段號表示當前圖像數(shù)據(jù)所處分段的位置索引，即為系統(tǒng)最后拼接圖像時的順序編號；圖像數(shù)據(jù)位表示圖像拆分后的二進制數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)上傳流程

系統(tǒng)具有采集設備下料量、下水量、母豬日齡等飼喂數(shù)據(jù)、遠程采集現(xiàn)場圖片和設備升級等功能。下面以采集圖像流程為例進行介紹。 圖像數(shù)據(jù)上傳流程如圖4所示。

圖4 圖像上傳功能流程圖Fig. 4 Flow chart of image uploading function

系統(tǒng)間隔固定時間向飼喂設備下發(fā)圖像采集命令，飼喂器收到命令后采集圖片，中央控制器將圖片二進制化并對數(shù)據(jù)拆分，將圖像分段總數(shù)組合成圖像數(shù)量幀，將實際圖像數(shù)據(jù)組合成帶有當前段號的圖像內(nèi)容幀，依次發(fā)送至系統(tǒng)，最后對圖像數(shù)據(jù)進行CRC校驗[23]，保證圖像傳輸?shù)恼_性。

系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)幀后進行類型判斷，根據(jù)類型轉(zhuǎn)入相應處理程序，直至將完整圖片全部解析。系統(tǒng)定時對保存的圖片進行轉(zhuǎn)存，避免圖片太多消耗內(nèi)存。

3 系統(tǒng)測試

3.1 試驗環(huán)境

使用阿里云服務器共享計算型n4(ecs.n4.small)搭載本文系統(tǒng)，服務器配置信息參數(shù)為：Intel(R)Xeon(R) CPU E5-2 682 v4 @ 2.50GHz 1vCPU2G，2 G 內(nèi)存，100 G 硬盤，操作系統(tǒng)為 Alibaba Cloud Linux release 3，JDK 版本采用 1.8。此外使用 2臺8核CPU的計算機，作為壓測機，以測試系統(tǒng)的性能情況[24]。詳細配置信息參數(shù)為：Intel(R) Core(TM)i5-1035G1處理器，16 G 內(nèi)存，500 G 固態(tài)硬盤，操作系統(tǒng)為Win10。

3.2 系統(tǒng)平均響應時間

終端設備與系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸時，響應時間是衡量系統(tǒng)可靠性的標準之一。使用壓測機與系統(tǒng)建立若干個TCP連接，每個連接發(fā)送一個包含當前時間信息的數(shù)據(jù)實體。系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)后取出內(nèi)部封裝的時間信息并寫回壓測機，壓測機接收到返回的數(shù)據(jù)包，取出原始時間戳信息與當前時間對比[25]，試驗重復5組，計算平均響應時間。測試結(jié)果如表2所示。

表2 響應時間試驗結(jié)果Table 2 Test result of response timems

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理性能測試

試驗與“3.2”節(jié)類似，使用壓測機與系統(tǒng)連接，并發(fā)送帶有飼喂信息的數(shù)據(jù)包，每個連接發(fā)送時間間隔為1 s。試驗在3 000個連接數(shù)下發(fā)送數(shù)據(jù)，每個連接發(fā)送200個數(shù)據(jù)包，最后根據(jù)數(shù)據(jù)庫實際插入的數(shù)據(jù)量[26]，比較出數(shù)據(jù)處理模塊在有無業(yè)務線程池下單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)處理數(shù)。試驗重復進行10組，計算平均值。試驗結(jié)果如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)庫插入數(shù)據(jù)量結(jié)果Table 3 Result for the amount of data inserted into the database條

試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)在3 000個連接數(shù)下，平均響應時間約為330 ms，且在單位時間內(nèi)處理的數(shù)據(jù)量為750～1 180條，滿足豬場上位機設備的連接管理與數(shù)據(jù)處理要求。同時，系統(tǒng)通過引入自定義業(yè)務線程池，解耦耗時業(yè)務操作，相較原來無業(yè)務線程池，單位時間處理數(shù)提升約250條，處理量提高了31%。

4 物聯(lián)網(wǎng)應用

在云南省某母豬場的一條生產(chǎn)線(5個產(chǎn)仔舍單元)安裝了智能飼喂器，每個產(chǎn)仔舍單元有1臺中央控制器和56臺飼喂器。通過采集2021年7月1日至11月1日生產(chǎn)信息，對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行應用分析。

4.1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主界面

該界面對全部飼喂設備的運行情況進行統(tǒng)計顯示。顯示內(nèi)容有設備數(shù)目、設備在線情況以及設備日志等，還包括對產(chǎn)仔數(shù)、飼料消耗等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計顯示。在線設備數(shù)為正常運行的飼喂器數(shù)量，系統(tǒng)通過解析中央控制器發(fā)回的數(shù)據(jù)幀，得到幀中的飼喂器ID，判定為該飼喂設備在線，計入在線設備數(shù)量。主界面如圖5所示。

圖5 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主界面Fig. 5 Main interface of IoT system

4.2 母豬飼喂信息查詢界面

該界面顯示單臺飼喂器設備的數(shù)據(jù)信息。選擇相應的設備，可查詢出該設備上傳的母豬身份和生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)，并且以折線圖的形式顯示該母豬分餐計劃中的采食量和飲水量。當母豬當日采食量少于設備計劃下料量40% 時，系統(tǒng)認定該母豬采食異常，在主界面的設備日志和采食詳情異常數(shù)中反饋該情況。母豬飼喂信息查詢界面如圖6所示。

4.3 采集圖像

系統(tǒng)下發(fā)圖像采集命令，智能飼喂設備傳回現(xiàn)場圖像，用于后臺對母豬產(chǎn)程和產(chǎn)仔情況進行分析。實例如圖7所示。

圖7 遠程母豬圖像采集實例Fig. 7 Example of remote pig image acquisition

4.4 統(tǒng)計數(shù)據(jù)下載

系統(tǒng)提供統(tǒng)計數(shù)據(jù)導出功能，數(shù)據(jù)包括設備下料消耗量以及母豬日采食量。系統(tǒng)可以在時間維度上對數(shù)據(jù)按指標進行統(tǒng)計，可減輕豬場管理員分析數(shù)據(jù)的壓力，并且為調(diào)整母豬飼喂計劃和分析豬場飼料消耗成本提供了參考。

系統(tǒng)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)中所有豬只的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計不同產(chǎn)房母豬的采食總量和飲水總量；通過統(tǒng)計不同分娩前后時間的母豬數(shù)量與其采食總量和飲水總量，計算出不同分娩前后時間的母豬平均采食量和飲水量（圖8）。

圖8 不同分娩前后時間的哺乳母豬平均日消耗量Fig. 8 Average daily feed consumption of lactating sows on different day of delivery

由統(tǒng)計結(jié)果分析可知，后備母豬在分娩前3 d，采食量和飲水量均有明顯下降，在分娩當天母豬只有少量飲水。分娩完成后，母豬采食量和飲水量開始逐日增加，7 d后消耗量趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)論

1) 本文設計了一種哺乳母豬智能飼喂物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，開發(fā)語言使用Java，數(shù)據(jù)庫使用MySQL技術(shù)，利用Netty框架實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸服務，系統(tǒng)的WEB部分使用SpringBoot與Vue框架，以前后端分離形式開發(fā)，實現(xiàn)了母豬飼喂信息采集、圖像數(shù)據(jù)采集和設備遠程升級等功能，系統(tǒng)對飼喂數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，對調(diào)整母豬飼喂計劃，控制豬場消耗成本具有參考意義；

2) 系統(tǒng)通過自定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與解耦耗時業(yè)務操作，可以更加高效地傳輸母豬基礎數(shù)據(jù)和更加靈活地拓展系統(tǒng)業(yè)務功能，滿足了對豬場飼喂設備的連接管理與數(shù)據(jù)處理要求。系統(tǒng)在實際應用中，運行穩(wěn)定、智能化程度高，可以實時反饋母豬飼喂情況，在豬場生產(chǎn)建設中具有實際應用價值。