范毓升，楊正乘，施沁希

(南京農業(yè)大學 信息管理學院，江蘇 南京 210095)

0 引言

2022年中央一號文件指出大力推進智慧農業(yè)發(fā)展，促進信息技術與農業(yè)鄉(xiāng)村的融合。我國當今生豬養(yǎng)殖產業(yè)，也已初步實現(xiàn)了智慧化、規(guī)?；B(yǎng)殖。但是產業(yè)結構上呈現(xiàn)出省際和省內的供給與需求在地域上不匹配的現(xiàn)象[1]，衍生出生豬運輸這個生豬產業(yè)鏈上的重要一環(huán)。生豬運輸是指運輸活體豬，包括仔豬、種豬、出欄豬等的農牧運輸物流。生豬運輸構建了生豬產業(yè)鏈環(huán)節(jié)之間的系統(tǒng)銜接，向上對接生豬養(yǎng)殖端，向下溝通屠宰分銷，面向市場、消費者。

然而在其運輸過程中，豬所處的環(huán)境不可避免地與養(yǎng)殖環(huán)境發(fā)生了劇烈變化，引起生豬在運輸過程中的應激反應。運輸應激會使豬肉的pH和系水力發(fā)生顯著變化，從而產生PSE肉，降低豬肉品質[2]，同時也有可能導致生豬減重甚至死亡，還會損害動物福利[3]。這些會影響生豬銷售價格，增大了生豬運輸損耗成本，不利于生豬產業(yè)整體的可持續(xù)發(fā)展。在非洲豬瘟疫情常態(tài)化防控中，運輸過程實現(xiàn)生物安全的監(jiān)控溯源是穩(wěn)定生豬供給和保證生豬價格平穩(wěn)的重要影響因素[4]。因此，如何有效地監(jiān)控并控制生豬運輸過程中的環(huán)境，已成為以生豬運輸為代表的農牧物流中研究的熱點問題。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等一系列信息技術的廣泛應用和迅猛發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”與各行各業(yè)的深度融合，針對上述運輸中環(huán)境引起的生豬應激問題，國內外學者應用物聯(lián)網(wǎng)技術對生豬運輸環(huán)境進行了以下研究。1998年國外學者Geers等[5]首次提出對運輸環(huán)境的在線監(jiān)測這一概念，利用遙感和無線通信技術，實現(xiàn)了動物疾病預防及控制，并檢測運輸過程中的動物福利。李煒恒等[6]將ARM控制器和ZigBee網(wǎng)絡應用于接收牲畜電子標簽和體質監(jiān)測傳感器，實現(xiàn)對生豬運輸環(huán)境的監(jiān)控。

然而，目前對生豬運輸過程的調節(jié)依然主要依靠監(jiān)控系統(tǒng)報警后的司機手動調節(jié)或管理人員遠程控制，缺乏及時性和專業(yè)性，還可能會影響駕駛員的注意力。因此，本文從先前研究基礎上提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術獲取生豬在運輸過程中的實時狀態(tài)，并通過空調、風機、濕簾等相關設備的自動開關來控制運輸環(huán)境，使運輸環(huán)境保持適宜穩(wěn)定，以期減少生豬運輸中的應激損耗，提高動物福利，為生豬運輸管理智能化決策提供參考。

1 生豬運輸控制系統(tǒng)的構建

1.1 運輸應激環(huán)境因子分析

運輸過程有極其復雜的應激源，對于運輸環(huán)境中影響生豬應激以及豬肉品質的因素，田寒友等[7]從運輸?shù)臅r間和溫度角度，研究了運輸時間小于6 h，運輸溫度為10～20 ℃，對防止生豬運輸應激及改善豬肉品質有顯著性作用。Harmon等[8]對斷奶仔豬在運輸車上不同位置和裝載密度下的死亡率的研究得出，季節(jié)和溫度對同一輛車上層和下層的豬應激狀況并不相同，有顯著性差異。Zhao等[9]研究發(fā)現(xiàn)運輸?shù)竭_時的死亡率，會因生豬品種不同而受到影響，斷奶豬的死亡率往往高于育肥豬，更易受到運輸環(huán)境影響發(fā)生應激。同時溫度和相對濕度、二氧化碳、氨氣濃度等多種環(huán)境因素之間也存在耦合關系，共同作用危害生豬健康。此外，在運輸過程中，養(yǎng)殖基地較為偏遠，道路基礎設施不完善、流通性差，車輛顛簸、急剎，道路上的噪聲均是導致生豬運輸中應激的因素。

綜上所述，考慮到運輸車輛的環(huán)境限制和成本控制以及其動態(tài)性的特點，與養(yǎng)殖端的精細化智能環(huán)境控制系統(tǒng)相比需要縮小化和簡約化，筆者查閱相關文獻綜合生豬適宜的環(huán)境參數(shù)考慮，選擇溫度、濕度、氨氣、二氧化碳濃度作為環(huán)境因子對其進行控制調節(jié)，減少生豬運輸中的應激。

1.2 生豬運輸環(huán)境控制系統(tǒng)框架

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的生豬運輸環(huán)境控制系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡層、應用層3個部分所組成，實現(xiàn)了對運輸車輛環(huán)境的智能控制和遠距離管理[10]。系統(tǒng)的設計概念如圖1所示。

圖1 生豬運輸環(huán)境控制系統(tǒng)體系框架

感知層主要是由氣體傳感器、溫濕度傳感器、紅外攝像頭等感知智能化設備構成的傳感器網(wǎng)絡，通過收集運輸生豬的環(huán)境信息，并用網(wǎng)絡層將信息傳輸?shù)絑igBee模塊，該模塊有低功率可休眠的優(yōu)點并可以實現(xiàn)短距離無線組網(wǎng)，經(jīng)過網(wǎng)關轉化后，傳遞到上位機系統(tǒng)。上位機系統(tǒng)通信采用的是基于TCP/IP協(xié)議中SOCKET套接字實現(xiàn)，并將運輸車中的信息存儲在SQL Server數(shù)據(jù)庫中；應用層通過調取數(shù)據(jù)庫中存儲的信息，實現(xiàn)車輛環(huán)境異常狀況自動蜂鳴報警功能、環(huán)境異常自動調整功能、環(huán)境狀況管理查詢功能。其中，查詢功能的網(wǎng)頁版采用JSP方式開發(fā)的Web界面來顯示狀態(tài)，移動版采用Android方式設計移動手機App提供給管理人員使用。

2 環(huán)境控制系統(tǒng)軟硬件設計

2.1 生豬運輸環(huán)境控制系統(tǒng)硬件設計

本研究設計的運輸調節(jié)系統(tǒng)硬件包括微處理器模塊、傳感器模塊、通信模塊、控制模塊、電源模塊等部分。選用STM32F103單片機為微處理器，是意法半導體公司生產搭載Cortex-M3內核的主流MCU，集低功率、低電壓和豐富的外設于一身。STM32將傳感器所采集的運輸車輛中溫度、濕度、有害氣體濃度等環(huán)境因子放大濾波處理及A/D轉換后匯集發(fā)送到ZigBee通信模塊，STM32同時可以通過控制是否開啟空調、風機、濕簾等設備實現(xiàn)運輸環(huán)境調節(jié)。

生豬運輸中的環(huán)境參數(shù)主要包括溫度、相對濕度、氨氣濃度和二氧化碳濃度等。選用SHT11溫濕度一體傳感器測量溫濕度，其特性為測溫精度為±0.4 ℃，測濕精度為±3%；測量氨氣選擇ME4-NH3，其量程0～200 ppm，分辨率0.1 ppm；測量二氧化碳選擇MG811，其量程0～10 000 ppm，分辨率1 ppm。

考慮到運輸車輛在使用開始和結束之后，為了保證生物安全和衛(wèi)生環(huán)保需要經(jīng)過充分的消洗，筆者選擇在傳感器設備上增加的防碰撞外殼和耐腐蝕性保護套。在視頻監(jiān)控設備上選用FILR A615型紅外攝像頭，安裝在車廂前段，可以在運輸過程中呈現(xiàn)出豬只熱圖，實現(xiàn)對生豬體溫狀況的檢測。

2.2 生豬運輸環(huán)境控制系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計由采集端節(jié)點控制器和遠程管理信息平臺所共同組成。實現(xiàn)對傳感器網(wǎng)絡所獲得的數(shù)據(jù)進行實時保存、分析、預警和自動調整等功能。軟件與硬件之間的通信方式采用遠程無線通信模塊，數(shù)據(jù)報文的格式為字符串。

根據(jù)程序設置的采集周期，來驅動傳感器采集生豬運輸車環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)微處理器STM32經(jīng)過初始化后，定時周期開始系統(tǒng)進入低功率休眠模式。當定時周期結束后，微處理器依次讀取各個傳感器的信息，經(jīng)過匯總、校對、存儲并處理后上傳到上位機系統(tǒng)，并將傳感器網(wǎng)絡獲得的信息全部采用分布式儲存在數(shù)據(jù)庫中，可以加快數(shù)據(jù)查詢速度和信息存儲容量。

信息平臺從數(shù)據(jù)庫中讀取環(huán)境信息后，由于運輸環(huán)境狀況復雜，傳感器的測量過程往往伴隨干擾，隨之產生的誤差是不可避免的，并且是多傳感器數(shù)據(jù)信息。本文采用賦權平均法對多傳感器數(shù)據(jù)信息進行融合，簡單且直觀，同時適用于波動水平較小的運輸環(huán)境數(shù)據(jù)處理。根據(jù)總均方誤差(MSE)最小的原則，對每個測量值賦權進行調試，預測精度較高的傳感器數(shù)據(jù)賦以較大的權重，避免單一傳感器導致的局限性。隨后對超過閾值上下限的參數(shù)啟動風機、空調等對應設備進行調節(jié)，改善生豬運輸環(huán)境。采集環(huán)境數(shù)據(jù)并反饋調節(jié)的程序流程，如圖2所示。

3 結語

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術的生豬運輸環(huán)境控制系統(tǒng)，可以有效地對生豬運輸過程中環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時采集、處理和遠程監(jiān)控管理。根據(jù)提前設定好的環(huán)境參數(shù)對應適宜的上下限進行自動調節(jié)，控制生豬運輸車內空調、風機、濕簾等相關設備開關，使生豬可以在運輸中處于較為適宜平穩(wěn)的環(huán)境。綜上，此系統(tǒng)可以減少運輸過程中生豬應激所引起的減重損耗甚至死亡的問題，并保證了動物福利。對于稟賦更高生物安全需求的農牧物流企業(yè)可以實現(xiàn)降本增效，同時有利于生豬產業(yè)的整體發(fā)展，有良好的市場應用潛力。

圖2 采集環(huán)境數(shù)據(jù)并反饋調節(jié)的程序流程