基于分布式對象的蛋雞舍設(shè)施養(yǎng)殖數(shù)字化智能監(jiān)測系統(tǒng)

孟超英 王 佳 陳紅茜 李 輝 張雪彬

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，北京 100083；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083)

基于分布式對象的蛋雞舍設(shè)施養(yǎng)殖數(shù)字化智能監(jiān)測系統(tǒng)

孟超英1王 佳1陳紅茜2,3李 輝1張雪彬1

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，北京 100083；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083)

為了在非人為干擾條件下，可實時監(jiān)測預(yù)警蛋雞生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)過程，保障動物福利，本文基于可被遠程調(diào)用的分布式對象的3Tiers物聯(lián)網(wǎng)軟件體系結(jié)構(gòu),將傳感器技術(shù)和云技術(shù)結(jié)合在一起，設(shè)計了蛋雞舍設(shè)施養(yǎng)殖數(shù)字化智能監(jiān)測系統(tǒng)。3Tiers物聯(lián)網(wǎng)軟件架構(gòu)考慮了大量的異構(gòu)數(shù)據(jù)集成和對傳感器設(shè)備的監(jiān)測、遠程交互性能的需求，滿足了本研究中對規(guī)模化蛋雞生產(chǎn)過程的研究要求。系統(tǒng)實現(xiàn)了規(guī)?；半u舍的實時生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)采集和視頻監(jiān)控、生產(chǎn)資料管理、生產(chǎn)過程管理、基礎(chǔ)信息管理、統(tǒng)計管理、預(yù)警設(shè)置管理、系統(tǒng)管理和推送管理功能。考慮到溫?zé)岘h(huán)境對蛋雞健康福利和生產(chǎn)性能有著重要的影響，利用系統(tǒng)中的大量環(huán)境數(shù)據(jù)，對中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實驗站大雞舍內(nèi)的小氣候環(huán)境舒適度進行評價，并結(jié)合產(chǎn)蛋率、死淘率和耗料，在黃山養(yǎng)殖場對環(huán)境舒適度評價進行了驗證。通過對上莊雞舍24 h周期內(nèi)和2016年11月—2017年4月的環(huán)境情況進行分析，結(jié)果表明實驗蛋雞舍內(nèi)的小氣候環(huán)境溫濕指數(shù)始終小于70，蛋雞群始終處于舒適區(qū)；而通過對養(yǎng)殖場雞舍2016年7—10月份的環(huán)境數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析，驗證了當(dāng)?shù)半u處于舒適區(qū)時，產(chǎn)蛋率提升，死淘率下降，耗料更接近標(biāo)準(zhǔn)。

蛋雞； 分布式對象； 物聯(lián)網(wǎng)； 環(huán)境舒適度； 實時監(jiān)測

引言

隨著人們對禽蛋產(chǎn)品需求的增長和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，我國禽蛋產(chǎn)量在近30年以來一直占據(jù)世界首位，是世界禽蛋總量的40%左右。而我國的禽蛋生產(chǎn)結(jié)構(gòu)也在不斷優(yōu)化變革，蛋雞養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)正在逐漸由散養(yǎng)小規(guī)模向集約化、工廠化發(fā)展，如何在沒有人為干擾的情況下實時獲取蛋雞的生產(chǎn)過程信息和養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)，并且對這些數(shù)據(jù)信息進行整合分析以便進行科學(xué)管理都是亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題[1-2]。目前許多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)大多停留在使用傳感器采集數(shù)據(jù)并初步展示的階段，或是小規(guī)模示范應(yīng)用，采集到的數(shù)據(jù)沒有經(jīng)過處理分析和決策預(yù)警。

本文旨在使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對規(guī)?；半u養(yǎng)殖現(xiàn)場環(huán)境和生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)進行獲取和計算分析反饋，采用物聯(lián)網(wǎng)軟件體系結(jié)構(gòu)將傳感器設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接，實現(xiàn)智能化識別和監(jiān)測管理蛋雞養(yǎng)殖生產(chǎn)過程[3-4]，并根據(jù)溫度、相對濕度、二氧化碳濃度、氨氣濃度和溫濕指數(shù)(Temperature-humidity index, THI)來對中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實驗站大雞舍(以下簡稱上莊雞舍)內(nèi)的冬季小氣候環(huán)境進行舒適度評價，并結(jié)合產(chǎn)蛋率、死淘率和耗料，在位于黃山的大型規(guī)?；B(yǎng)殖場父母代場一區(qū)(以下簡稱黃山雞舍)對環(huán)境舒適度評價進行驗證。

1 基于分布式對象的物聯(lián)網(wǎng)軟件體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的各個方面，并對農(nóng)業(yè)信息化和精細化管理等方面起到重要的推動作用[5-7]。針對復(fù)雜多變的應(yīng)用范圍和實際情況，物聯(lián)網(wǎng)軟件體系結(jié)構(gòu)可以用來定義應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建模型和交互拓?fù)洌瑥亩梢越鉀Q物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建過程中面臨的不同應(yīng)用系統(tǒng)互聯(lián)互通、信息資源共享、異構(gòu)數(shù)據(jù)集成、動態(tài)維護系統(tǒng)等問題[8]。

常用的基于可被遠程調(diào)用的分布式對象的物聯(lián)網(wǎng)軟件體系結(jié)構(gòu)有Physicalnet、3CoFramework、3Tiers。

Physicalnet[9]架構(gòu)是基于輕量級分布式對象，在物端的構(gòu)件為感知服務(wù)和網(wǎng)關(guān)服務(wù)，在云端負(fù)責(zé)服務(wù)倉庫連接物端的構(gòu)件，以及相對應(yīng)的服務(wù)解析，最上層的構(gòu)建是編程抽象模型管理，可以方便物聯(lián)網(wǎng)軟件系統(tǒng)的開發(fā)。針對應(yīng)用需求使用編程抽象的描述方式，它所對應(yīng)的物理實體的服務(wù)特性是異構(gòu)性和資源受限性。

3CoFramework[10]是一種基于分層Component(組件)的軟件體系結(jié)構(gòu)，將物聯(lián)網(wǎng)軟件部分分為位于物端的數(shù)據(jù)層組件、位于云端的信息層組件、知識層組件和表達層組件4層。4層組件由被協(xié)調(diào)器(Coordinator)管理的連接件(Connector)連接構(gòu)成一個完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。針對應(yīng)用需求使用業(yè)務(wù)流抽象的描述方式，它所對應(yīng)的物理實體的服務(wù)特性是異構(gòu)性、大規(guī)模性和不完整性。

3Tiers[11]架構(gòu)中的Tiers就是層的概念，一個Tier不是一個單一的前端或后端，而是一個具有特定功能的計算機軟件和硬件的組合。3Tiers是一個將云端和物端，也就是云服務(wù)和物理實體服務(wù)結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起的一個物聯(lián)網(wǎng)軟件體系結(jié)構(gòu)，具體的分層如圖1所示。物端環(huán)境層的物理組件提供了感知和執(zhí)行物理實體世界的服務(wù)，可以采集物理設(shè)備數(shù)據(jù)并與之交互；云端服務(wù)層是提供數(shù)據(jù)的存儲運算分析等功能；云端控制層組件則包括物理組件監(jiān)測、服務(wù)注冊查找與動態(tài)組合、接口適配以及服務(wù)失效管理。

圖1 基于分布式對象的3Tiers軟件體系結(jié)構(gòu)Fig.1 3Tiers software architecture based on distributed objects

在Physicalnet、3CoFramework和3Tiers這些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中，3Tiers架構(gòu)采用基于云端和物端之間的協(xié)同工作模式，采用分布式服務(wù)發(fā)現(xiàn)方式和動態(tài)的服務(wù)組合方式，它所考慮的物理實體的服務(wù)特性是異構(gòu)性、與物理世界的交互性、動態(tài)性和不完整性，比其他兩種參考模型多考慮了軟件與物理世界的交互性和動態(tài)性，并且在控制層的設(shè)計中對應(yīng)設(shè)計考慮了物理組件的監(jiān)測、配置等來實現(xiàn)物理實體的服務(wù)特性。3Tiers相比較其他的基于分布式對象的軟件體系結(jié)構(gòu)更加適用于構(gòu)建開發(fā)系統(tǒng)復(fù)雜且規(guī)模較大、可用于遠程調(diào)用物理實體和互動的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。因此，本研究中針對規(guī)?；半u養(yǎng)殖中大量異構(gòu)數(shù)據(jù)集成和對傳感器設(shè)備的監(jiān)測、交互性能的需求，采用3Tiers基于分布式對象的物聯(lián)網(wǎng)軟件體系結(jié)構(gòu)，開發(fā)蛋雞舍設(shè)施養(yǎng)殖數(shù)字化智能監(jiān)測系統(tǒng)。

2 硬件設(shè)計

蛋雞設(shè)施養(yǎng)殖數(shù)字化智能監(jiān)測系統(tǒng)在硬件設(shè)計上采取分散監(jiān)控采集、集中操作的方法。在不同的雞舍內(nèi)根據(jù)實際養(yǎng)殖現(xiàn)場情況和需求，會對其進行有針對性的傳感器部署，包括環(huán)境傳感器、攝像頭、拾音器和RFID采集設(shè)備。本系統(tǒng)適用于規(guī)?；B(yǎng)雞場，具體的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示。所有的物理組件(相關(guān)的環(huán)境參數(shù)傳感器、攝像頭和拾音器、RFID標(biāo)簽和閱讀器)采集到的數(shù)據(jù)先存儲在現(xiàn)場服務(wù)器上。其次，現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)由Kafka集群同步到遠程服務(wù)器上，終端的用戶可以使用計算機和智能手機來訪問服務(wù)器上的數(shù)據(jù)。

圖2 蛋雞舍物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖Fig.2 Hardware architecture diagram of real-time monitoring system for layer house

本系統(tǒng)所涵蓋的環(huán)境參數(shù)傳感器主要有光照傳感器、溫濕度傳感器和氨氣傳感器?？紤]到雞舍的環(huán)境布局和對環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求，在大規(guī)模的棲架式養(yǎng)殖模式下的雞舍內(nèi)會設(shè)置多個環(huán)境參數(shù)采集點。環(huán)境參數(shù)傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過采集卡經(jīng)由匯聚節(jié)點處傳輸?shù)浆F(xiàn)場服務(wù)器上，然后由LabVIEW編寫的環(huán)境采集程序在現(xiàn)場服務(wù)器上實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并存儲到數(shù)據(jù)庫中。

攝像頭選擇130萬像素2.5寸紅外網(wǎng)絡(luò)云臺的海康半球攝像機，帶有拾音器，可以采集聲音信息，并且使用云臺來調(diào)整鏡頭，可以達到350°水平旋轉(zhuǎn)。RFID標(biāo)簽和閱讀器主要是應(yīng)用于平養(yǎng)養(yǎng)殖模式下的蛋雞舍內(nèi)，在試驗區(qū)域內(nèi)的所有蛋雞腿上捆綁有RFID標(biāo)簽，在特定的試驗區(qū)域底部放置RFID閱讀器以讀取目標(biāo)蛋雞的相關(guān)信息。所有的RFID數(shù)據(jù)信息均可通過串口通信在現(xiàn)場服務(wù)器上獲取并匯總顯示。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)

基于3Tiers物聯(lián)網(wǎng)軟件體系結(jié)構(gòu)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計算技術(shù)，實現(xiàn)對規(guī)?；半u養(yǎng)殖場的環(huán)境參數(shù)和生產(chǎn)過程等的實時監(jiān)測和異地多雞舍異構(gòu)數(shù)據(jù)源的集成化管理。針對異地多雞舍的蛋雞舍物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理，系統(tǒng)采取分散監(jiān)控、集中操作的管理方法。詳細的軟件總體架構(gòu)如圖3所示。異構(gòu)數(shù)據(jù)源包括圖片、音頻、日常報表、視頻、環(huán)境參數(shù)、RFID數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)資料和生產(chǎn)數(shù)據(jù)等，采用基于json中間件的數(shù)據(jù)集成方法，可以屏蔽數(shù)據(jù)源的異構(gòu)性，使得所有數(shù)據(jù)可以在現(xiàn)場服務(wù)器上的數(shù)據(jù)中心進行統(tǒng)一管理和分析，也方便平臺對外提供統(tǒng)一透明的數(shù)據(jù)訪問接口。

圖3 蛋雞設(shè)施養(yǎng)殖數(shù)字化智能監(jiān)測系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)圖Fig.3 Software architecture diagram of real-time monitoring system for layer house

現(xiàn)場服務(wù)器和遠程Web服務(wù)器之間通過分布式消息中間件實現(xiàn)，該中間件以現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫為主，遠程數(shù)據(jù)庫為備份的異構(gòu)性數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時備份和發(fā)布，適用于需要容錯較高的不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境雞舍現(xiàn)場，并且還適用于異地多雞舍的異構(gòu)數(shù)據(jù)源情況。終端用戶可以使用計算機和智能手機等不同工具，通過瀏覽器和專用的蛋雞舍物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用程序，訪問部署在遠程Web服務(wù)器上的蛋雞舍設(shè)施養(yǎng)殖數(shù)字化智能監(jiān)測系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

蛋雞設(shè)施養(yǎng)殖數(shù)字化智能監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能模塊有7個，分別是：實時信息模塊、生產(chǎn)資料管理模塊、生產(chǎn)過程管理模塊、基礎(chǔ)信息管理模塊、統(tǒng)計管理模塊、預(yù)警設(shè)置模塊和系統(tǒng)管理模塊。詳細的系統(tǒng)功能模塊如圖4所示。

圖4 蛋雞設(shè)施養(yǎng)殖數(shù)字化智能監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊圖Fig.4 Function module diagram of real-time monitoring system for layer house

(1)實時信息模塊：該模塊負(fù)責(zé)雞舍現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)、音視頻數(shù)據(jù)、棲架蛋雞數(shù)量和蛋雞的體質(zhì)量等實時數(shù)據(jù)的采集處理和集中展示，這些數(shù)據(jù)來自各個雞舍現(xiàn)場內(nèi)外的多個采集點，相對應(yīng)的環(huán)境參數(shù)傳感器采用無線通信方式，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)浆F(xiàn)場服務(wù)器，然后通過編寫好的LabVIEW程序，將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫。而相應(yīng)的攝像頭和拾音器則主要是通過有線通信方式，將音視頻數(shù)據(jù)傳入現(xiàn)場服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫中。這些實時數(shù)據(jù)會經(jīng)過實時的處理和分析后展示給具有權(quán)限的用戶查看，使用戶能夠直觀地了解蛋雞養(yǎng)殖現(xiàn)場的實時情況。

(2)生產(chǎn)資料管理模塊：該模塊負(fù)責(zé)對生產(chǎn)資料進行管理，包括每日報表、日盈虧記錄、水電消耗、水電價格和設(shè)備運行情況管理。主要由在雞舍工作的人員使用計算機或是手機客戶端填寫雞舍的每日種蛋數(shù)、飼料消耗、飲水消耗、用電消耗、清糞情況、存欄數(shù)、死淘率以及相關(guān)設(shè)備運行狀態(tài)和故障原因等信息，由管理人員負(fù)責(zé)審核并管理這些信息。通過將這些復(fù)雜繁瑣的事項由原先的紙質(zhì)化變成現(xiàn)在的信息電子化，不僅方便生產(chǎn)資料的管理，還能夠通過將這些信息進行匯總計算分析，最大化地提高管理效率。

(3)生產(chǎn)過程管理模塊：該模塊主要是針對蛋雞養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中的各項活動和檢測指標(biāo)進行記錄匯總，包括轉(zhuǎn)群計劃管理、免疫記錄管理、藥品投入管理、健康檢測管理、雞糞檢測管理、種雞檢測管理、水質(zhì)檢測管理和異常情況管理。這些第一手的信息也都是由雞舍現(xiàn)場工作人員進行人工錄入系統(tǒng)，然后管理員對其進行審核和信息共享，本模塊可以實現(xiàn)對蛋雞生產(chǎn)過程的各個活動和檢測指標(biāo)的記錄和審核，使得對蛋雞的管理規(guī)?；鸵?guī)范化。

(4)基礎(chǔ)信息管理模塊：考慮到本系統(tǒng)會廣泛應(yīng)用于多個規(guī)模化示范雞場養(yǎng)殖基地，因此需要對實驗的場區(qū)、雞舍和采集點信息進行管理。本模塊則是由管理員進行填寫提交，便于對多個雞舍數(shù)據(jù)源信息進行分類管理。

(5)統(tǒng)計管理模塊：本模塊主要是根據(jù)數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)采集獲取到的室內(nèi)和室外環(huán)境參數(shù)，以及每日報表和相關(guān)的消耗信息進行環(huán)境參數(shù)和盈虧曲線的統(tǒng)計分析與監(jiān)測。環(huán)境參數(shù)的統(tǒng)計查詢主要是根據(jù)年月日來進行統(tǒng)計，并將數(shù)據(jù)以曲線方式展示，方便用戶更直觀地了解不同雞舍室內(nèi)外的不同環(huán)境參數(shù)的變化趨勢。盈虧曲線監(jiān)測功能通過繪制雞舍每日盈虧曲線，為管理人員提供直觀的雞舍日盈虧情況，方便相關(guān)人員進行查看和調(diào)整生產(chǎn)。

(6)預(yù)警設(shè)置模塊：本模塊主要是對環(huán)境參數(shù)預(yù)警值進行設(shè)置，并管理雞舍的環(huán)境參數(shù)預(yù)警記錄。通過在系統(tǒng)預(yù)定的時間點將環(huán)境參數(shù)的實時數(shù)據(jù)與設(shè)定的預(yù)警閾值進行比較，系統(tǒng)實現(xiàn)自動預(yù)警，通過系統(tǒng)推送預(yù)警消息，或是給相關(guān)責(zé)任人發(fā)送郵件或短信，以便管理人員和相關(guān)責(zé)任人員對警報進行處理解決。

(7)系統(tǒng)管理模塊：本模塊主要是對用戶信息、權(quán)限信息、每日工作日志、推送管理、推送列表和APP下載進行管理。用戶和權(quán)限管理主要是對使用本系統(tǒng)的不同角色的用戶設(shè)置不同的權(quán)限，并對其用戶信息進行管理。每日工作日志則是由現(xiàn)場工作人員和各級管理員每天填寫提交自己當(dāng)天的工作情況。而推送管理和推送列表主要是對實現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)對不同的用戶進行消息的即時和定時發(fā)送。APP下載則是為所有用戶提供手機客戶端的掃碼下載，使得用戶使用系統(tǒng)更加便捷。

4 蛋雞舍環(huán)境舒適度分析驗證

環(huán)境因素是制約家禽福利和生產(chǎn)性能的重要技術(shù)要素[12]。蛋雞是恒溫動物，在一定溫度、濕度范圍內(nèi)，蛋雞會自行調(diào)整產(chǎn)熱和散熱來維持體溫恒定，身體機能并不會受環(huán)境溫度所影響，但當(dāng)環(huán)境溫度過高時，動物會產(chǎn)生熱應(yīng)激反應(yīng)，蛋雞的血流速度下降，呼吸頻率上升，產(chǎn)蛋量嚴(yán)重下降；當(dāng)環(huán)境溫度過低時，蛋雞會增大采食量，減少產(chǎn)蛋量來維持體溫[13-15]。溫濕指數(shù)THI通過固化溫度和濕度參數(shù)的影響權(quán)重來表達對家禽體溫調(diào)節(jié)的影響規(guī)律，被廣泛運用于家禽環(huán)境舒適度評價中[16]。利用系統(tǒng)中的大量環(huán)境數(shù)據(jù)和生產(chǎn)性能數(shù)據(jù)，選用溫濕指數(shù)THI模型[17-20]來表達蛋雞的環(huán)境舒適度，對上莊雞舍內(nèi)的小氣候環(huán)境進行評價，并進一步在黃山雞舍對環(huán)境舒適度評價進行驗證。

4.1 上莊雞舍環(huán)境舒適度評價

實驗環(huán)境：上莊雞舍內(nèi)設(shè)置有2列一走道的2套蛋雞籠養(yǎng)設(shè)備，籠架為東西走向，其中南側(cè)為半架，北側(cè)為全架，全架的籠體長1.8 m，寬3 m，高3.4 m。其中半架為4層全階梯式飼養(yǎng)方式，全架為3層全階梯式飼養(yǎng)方式，產(chǎn)蛋箱均設(shè)置在籠架頂層上方。雞舍頂部設(shè)有3個進氣口，當(dāng)舍內(nèi)監(jiān)測的二氧化碳濃度超過一定閾值時，使用變頻風(fēng)機進行縱向負(fù)壓通風(fēng)，如圖5所示。舍內(nèi)大約有1 800只從北京華都峪口禽業(yè)有限公司引進的蛋雞，其中半架有約600只京白父母代蛋雞，全架有約1 200只京紅商品代蛋雞。

圖5 上莊雞舍Fig.5 Henhouse in Shangzhuang Station

環(huán)境數(shù)據(jù)采集時間為2016年11月1日—2017年4月11日。溫濕度傳感器監(jiān)測點共計16個，其中半架籠架有8個，全架籠架有8個，每個籠架按照上下層2個剖面分別設(shè)置4個在水平方向上均勻分布的溫濕傳感器監(jiān)測點。二氧化碳傳感器監(jiān)測點2個，分別在蛋雞舍內(nèi)的東側(cè)和西側(cè)，氨氣傳感器監(jiān)測點設(shè)置在西側(cè)舍內(nèi)墻上。溫濕度、二氧化碳和氨氣這些環(huán)境參數(shù)的采集頻率為每分鐘一次。

利用SILANIKOVE[21]在2000年提出的公式來計算THI，并且使用最高溫度和最低相對濕度來計算最大THI，最低溫度和最高相對濕度來計算最小THI。

由圖6可以看出，從00:00開始，舍內(nèi)溫度一直較為平穩(wěn)，在11:00左右達到最高值，然后溫度開始下降直到16：20左右溫度開始回升并趨于穩(wěn)定，平均溫度為18.79℃，最高溫度為21.5℃，最低溫度為17.2℃。

圖6 24 h內(nèi)上莊雞舍內(nèi)溫度變化Fig.6 Temperature change in Shangzhuang henhouse in 24 h

由圖7可以看出，從00:00開始舍內(nèi)相對濕度一直較為平穩(wěn)，在11:00左右開始急速下降，在15:00左右有一個波峰，達到最大值75.5%，后又急速下降，直到16：30左右相對濕度開始回升并趨于穩(wěn)定，平均相對濕度在59.21%，在14:00左右達到最低相對濕度36.9%。

圖7 24 h內(nèi)上莊雞舍內(nèi)相對濕度變化Fig.7 Relative humidity change in Shangzhuang henhouse in 24 h

由圖8可知，從00:00開始，舍內(nèi)的CO2濃度較為穩(wěn)定，從11:00開始有一個急速的下降，然后從16:30開始CO2濃度迅速回升并達到穩(wěn)定值。穩(wěn)定CO2濃度為1 757 mg/L，最低CO2濃度為568 mg/L，最高CO2濃度為2 415 mg/L。

圖8 24 h內(nèi)上莊雞舍內(nèi)CO2質(zhì)量濃度變化Fig.8 CO2 change in Shangzhuang henhouse in 24 h

由圖9可知，從00:00開始，舍內(nèi)的NH3濃度逐步穩(wěn)定升高，從11:00開始，NH3濃度開始迅速下降，在14:32時達到波峰，然后開始迅速下跌至波谷，在15:30左右逐漸上升至穩(wěn)定值。最高NH3濃度為2.6 mg/L，最低NH3濃度為0.2 mg/L，平均穩(wěn)定的NH3濃度為1.53 mg/L。

圖9 24 h內(nèi)上莊雞舍內(nèi)NH3質(zhì)量濃度變化Fig.9 NH3 change in Shangzhuang henhouse in 24 h

如圖10所示，最大的THI指數(shù)沒有達到67，根據(jù)ST-PIERRE等[22]的研究，當(dāng)THI小于等于70，則可認(rèn)為蛋雞在舒適區(qū)；當(dāng)THI在75～78之間，則蛋雞處于壓力區(qū)；當(dāng)THI大于等于78時，蛋雞的環(huán)境舒適度被定義為極度壓力區(qū)。上莊雞舍24 h內(nèi)的環(huán)境舒適度一直處于舒適區(qū)。在00:00—09:00之間，THI指數(shù)相對平穩(wěn)，隨后THI指數(shù)迅速上升在11:11左右達到最大值，然后迅速下降，在16:40左右跌至最小值，此后回升至平穩(wěn)值。在24 h周期內(nèi)THI的最大值約為66，最小值約為59，平穩(wěn)值約為62。

圖10 24 h內(nèi)上莊雞舍內(nèi)溫濕指數(shù)變化Fig.10 THI change in Shangzhuang henhouse in 24 h

圖11為2016年11月—2017年4月上莊雞舍內(nèi)溫度變化。由圖11可知，上莊雞舍內(nèi)的溫度變化較為穩(wěn)定，基本介于10℃和25℃之間，平均維持在17.2℃左右。

圖11 實驗期間上莊雞舍內(nèi)溫度變化Fig.11 Temperature change in Shangzhuang henhouse during experiment period

如圖12所示，上莊雞舍內(nèi)的相對濕度處于17%～93%之間，平均濕度維持在58.8%左右。

圖12 實驗期間上莊雞舍內(nèi)相對濕度變化Fig.12 Relative humidity change in Shangzhuang henhouse during experiment period

圖13為上莊雞舍內(nèi)溫濕指數(shù)THI的變化情況，THI基本介于49.2和68之間，均值為62。根據(jù)環(huán)境舒適度的定義，綜合判斷，本實驗區(qū)域內(nèi)的蛋雞在實驗時間范圍內(nèi)一直處于舒適區(qū)，充分保障了蛋雞的采食和產(chǎn)蛋行為等生產(chǎn)活動的正常進行。

圖13 實驗期間上莊雞舍內(nèi)溫濕指數(shù)變化Fig.13 THI change of henhouse during experiment period

上述數(shù)據(jù)以實驗雞舍內(nèi)測量到的溫度、相對濕度、CO2濃度、NH3濃度這些環(huán)境參數(shù)和計算得到的溫濕指數(shù)THI的值來對蛋雞舍內(nèi)的小氣候環(huán)境舒適度進行評價，通過對24 h周期內(nèi)和2016年11月1日—2017年4月11日的環(huán)境情況記錄分析，舍內(nèi)的小氣候環(huán)境一直處于舒適區(qū)，為蛋雞提供了一個良好的生長環(huán)境。

4.2 黃山雞舍環(huán)境舒適度評價驗證

本研究還在黃山雞舍研究了THI溫濕指數(shù)與產(chǎn)蛋率、死淘率以及耗料之間的關(guān)系，以此來驗證THI對蛋雞的環(huán)境舒適度描述是否準(zhǔn)確。

黃山雞舍內(nèi)共有4棟本交籠，分為5列4層，每棟車間共360組，每組長4.8 m，寬1.2 m，高0.7 m。配備自動上料系統(tǒng)和傳送帶式清糞系統(tǒng)，并采用濕簾降溫、縱向通風(fēng)系統(tǒng)。雞舍共有約29 457只海蘭褐父母代蛋雞，設(shè)有5個溫濕度采集點。實驗數(shù)據(jù)采集時間為2016年7月12日—2016年10月31日，即為蛋雞35～51周齡期間。

圖14～16是雞舍產(chǎn)蛋率趨勢、死淘率趨勢和日耗料趨勢圖。

圖14 海蘭褐蛋雞雞舍產(chǎn)蛋率趨勢圖Fig.14 Egg production rate trend in henhouse

圖15 海蘭褐蛋雞雞舍死淘率趨勢圖Fig.15 Trend diagram of death rate in henhouse

圖17是雞舍內(nèi)溫濕指數(shù)THI的變化情況，THI從35周齡開始一直處于80左右即為壓力區(qū)，在41周齡降至70左右即為舒適區(qū)。從產(chǎn)蛋率、死淘率和耗料上均可以反映出環(huán)境舒適度對于蛋雞生產(chǎn)的影響，當(dāng)?shù)半u處于壓力區(qū)時，實際產(chǎn)蛋率略高于標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)蛋率，實際死淘率和標(biāo)準(zhǔn)死淘率不分上下，互相交叉，實際耗料低于標(biāo)準(zhǔn)耗料，且差距較大；當(dāng)?shù)半u處于舒適區(qū)時，實際產(chǎn)蛋率明顯高于標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)蛋率，且差距逐漸加大，實際死淘率一直低于標(biāo)準(zhǔn)死淘率，并且符合標(biāo)準(zhǔn)趨勢，實際耗料仍低于標(biāo)準(zhǔn)耗料，但差距逐漸縮小，實際耗料逐漸接近標(biāo)準(zhǔn)?？偟膩碚f，當(dāng)?shù)半u處于舒適區(qū)時，產(chǎn)蛋率提升，死淘率下降，耗料接近標(biāo)準(zhǔn)。

圖16 海蘭褐蛋雞雞舍日耗料趨勢圖Fig.16 Trend diagram of feed consumption in henhouse

圖17 雞舍內(nèi)溫濕指數(shù)變化Fig.17 THI change in henhouse

5 結(jié)束語

基于3Tiers物聯(lián)網(wǎng)軟件體系結(jié)構(gòu)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計算技術(shù)，搭建并實現(xiàn)了蛋雞舍設(shè)施養(yǎng)殖數(shù)字化智能監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了對規(guī)模化蛋雞養(yǎng)殖場的環(huán)境參數(shù)和生產(chǎn)過程等的實時監(jiān)測，以及對異地多雞舍的異構(gòu)數(shù)據(jù)源的集成化管理，利用系統(tǒng)中的大量環(huán)境數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對上莊雞舍內(nèi)的小氣候環(huán)境評價，并通過產(chǎn)蛋率、死淘率和耗料，在黃山雞舍驗證了環(huán)境舒適度評價。結(jié)果表明在整個實驗過程中以及24 h周期內(nèi)，上莊雞舍內(nèi)環(huán)境一直處于舒適區(qū)，為蛋雞提供了良好的生長和生產(chǎn)環(huán)境；黃山雞舍的蛋雞在處于舒適區(qū)時，產(chǎn)蛋率上升，死淘率下降，實際日耗料接近標(biāo)準(zhǔn)日耗料，驗證了溫?zé)岘h(huán)境對蛋雞生產(chǎn)活動的影響，符合環(huán)境舒適度評價。

1 成遠.我國蛋雞產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、問題及政策建議[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備, 2010(7):4-7.

2 陳紅茜, 滕光輝, 邱小彬,等.基于分布式流式計算的蛋雞養(yǎng)殖實時監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)[J/OL].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2016,47(1):252-259.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160134&journal_id=jcsam.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.01.034.

CHEN Hongqian,TENG Guanghui,QIU Xiaobin,et al.Real-time monitoring and early warning system based on stream computing for laying hens raise[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(1):252-259.(in Chinese)

3 夏于, 孫忠富, 杜克明,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的小麥苗情診斷管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2013, 29(5):117-124.

XIA Yu, SUN Zhongfu, DU Keming, et al.Design and realization of IOT-based diagnosis and management system for wheat production[J].Transactions of the CSAE,2013,29(5):117-124.(in Chinese)

4 孫其博，劉杰，黎羴，等.物聯(lián)網(wǎng)：概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報，2010,33(3)：1-9.

SUN Qibo, LIU Jie, LI Shan, et al.Internet of things: summarize on concepts, architecture and key technology problem[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications, 2010,33(3):1-9.(in Chinese)

5 孫忠富, 杜克明, 尹首一.物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢與農(nóng)業(yè)應(yīng)用展望[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息, 2010(5):5-8.

SUN Zhongfu, DU Keming, YIN Shouyi.Development trend of internet of things and perspective of its application in agriculture[J].Agriculture Network Information, 2010(5):5-8.(in Chinese)

6 JI Y, ZHANG F, DONG J G, et al.Wireless sensor traceability algorithm based on internet of things in the area of agriculture[J].Sensors & Transducers, 2013, 151(4):101-106.

7 趙霞, 吳建強, 杜永林,等.物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息, 2011(6):5-8.

ZHAO Xia, WU Jianqiang, DU Yonglin, et al.Study on applying the Internet of things in the modern agriculture[J].Agriculture Network Information, 2011(6):5-8.(in Chinese)

8 陳海明, 崔莉.面向服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與模型檢測[J].計算機學(xué)報, 2016, 39(5):853-871.

CHEN Haiming, CUI Li.Design and model checking of service oriented software architecture for Internet of things: a survey[J].Chinese Journal of Computers, 2016, 39(5):853-871.(in Chinese)

9 VICAIRE P A, XIE Z, HOQUE E, et al.Physicalnet: a generic framework for managing and programming across pervasive computing networks[C]∥2010 16th IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applieations Symposium,2010:269-278.

10 ZHANG S, GODDARD S.A software architecture and framework for web-based distributed decision support systems[J].Decision Support Systems, 2007, 43(4):1133-1150.

11 LA H J, KIM S D.A service-based approach to designing cyber physical systems[C]∥IEEE/ACIS International Conference on Computer and Information Science, 2010:895-900.

12 劉鳳華.家畜環(huán)境衛(wèi)生學(xué)[M]． 北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2004:10-11．

13 VAN TIENHOVEN A, SCOTT N R, HILLMAN P E.The hypothalamus and thermoregulation: a review[J].Poultry Science, 1979, 58(6):1633-1639.

14 顧憲紅，王新謀.高溫對蛋雞生產(chǎn)性能和血漿皮質(zhì)酮、甲狀腺素、孕酮水平的影響[J]． 畜牧獸醫(yī)學(xué)報，1995，26(2):109-115．

15 BROBECK J R．Food intake as a mechanism of temperature regulation[J]． Obesity Research，1997，5(6):641-645．

16 常玉, 馮京海, 張敏紅.環(huán)境溫度、濕度等因素對家禽體溫調(diào)節(jié)的影響及評估模型[J].動物營養(yǎng)學(xué)報, 2015, 27(5):1341-1347.

CHANG Yu, FENG Jinghai, ZHANG Minhong.Effects of ambient temperature, humidity on poultry thermoregulation and the evaluation model[J].Chinese Journal of Animal Nutrition, 2015, 27(5):1341-1347.(in Chinese)

17 ZULOVICH J M, DESHAZER J A.Estimating egg production declines at high environmental temperatures and humidities[C].ASAE Paper 904021,1990．

18 EGBUNIK G N.The relative importance of dry-and wet-bulb temperatures in the thermorespiratory function in the chicken [J].Zentralblatt Für Veterinrmedizin Reihe A, 1979, 26(7):573-579．

19 陶秀萍.不同溫濕風(fēng)條件對肉雞應(yīng)激敏感生理生化指標(biāo)影響的研究[D].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2003．

20 XIN H, DESHAZER J A, BECK M M.Responses of pre-fasted growing turkeys to acute heat exposure[J].Transactions of the ASAE, 1992, 35(1):315-318．

21 SILANIKOVE N.Effects of heat stress on the welfare of extensively managed domestic ruminants[J].Livestock Production Science, 2000, 67(1-2):1-18.

22 ST-PIERRE N R, COBANOV B, SCHNITKEY G.Economic losses from heat stress by US livestock industries 1[J].Journal of Dairy Science, 2003, 86(5):E52-E77.

IntelligentMonitoringSystemBasedonDistributedObjectforLayerHouse

MENG Chaoying1WANG Jia1CHEN Hongqian2,3LI Hui1ZHANG Xuebin1

(1.CollegeofInformationandElectricalEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.NetworkCenter,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China3.CollegeofWaterResourcesandCivilEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

In view of the present situation that the development of the layer breeding industry from scattered to intensive and large-scale, the traditional breeding methods cannot meet the requirements of the development.In order to real-time monitor and early warn the egg production environment and the production process of laying hens under the conditions of non-human interference, as well as the protection of animal welfare, 3Tiers, the networking software architecture based on distributed objects that can be called remotely, combining the sensor technology and cloud technology, was used to develop layer house real-time monitoring system.3Tiers networking software architecture took integration of large amounts of heterogeneous data, the demand of monitoring sensors and remote interactive performance with sensors into consideration, which totally met the requirements of scaling farming.The system realized scaling layer house real-time production environment parameters acquisition and real-time video monitoring, production management, production process management, basic information management, statistical management, early warning management, system management and push management functions.Considering the thermal environment had an important impact on the health and welfare of laying hens and production performance.A large number of environmental data in the system was used to evaluate the microclimate environmental comfort in China Agricultural University Shangzhuang Station.Then egg production rate, death rate and feed consumption of a henhouse in Huangshan were used to verify the evaluation of the environmental comfort.The results showed that during the 24 h cycle and the whole period from November 2016 to April 2017, the value of the microclimate environment in the layer house of Shangzhuang Station was less than 70, which meant that the group of laying hens was always in the comfort zone.With the environmental data and production data analysis of a henhouse from July to October of 2016, it verified that when laying hens were in comfort zone, laying rate was increased, the death rate was decreased, and the feed consumption was more close to the standard.

laying hens; distributed objects; Internet of things; environmental comfort; real-time monitoring

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.037

S815; TP391

A

1000-1298(2017)10-0292-08

2017-01-25

2017-02-14

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0700204)

孟超英(1958—)，女，教授，主要從事計算機科學(xué)與技術(shù)研究，E-mail: mcy@cau.edu.cn