基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的牛舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

王傲 盧文 曾光 郭靜

摘 要：傳統(tǒng)牛舍環(huán)境調(diào)控設(shè)備的智能化程度較低，成本較高壽命短，造成奶牛舒適度低，影響產(chǎn)奶量。根據(jù)荷斯坦奶牛的生活習(xí)性和最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計改進(jìn)了一套監(jiān)測調(diào)節(jié)牛舍環(huán)境信息的系統(tǒng)，包括采集數(shù)據(jù)的監(jiān)測節(jié)點和組網(wǎng)的協(xié)調(diào)器、WiFi網(wǎng)關(guān)及上位云服務(wù)。傳感器節(jié)點安裝在牛舍的不同位置，節(jié)點上傳數(shù)據(jù)至網(wǎng)關(guān)后再傳至云服務(wù)器平臺處理，處理完成后，將結(jié)果下發(fā)至相關(guān)控制節(jié)點，通過控制相關(guān)設(shè)備完成對環(huán)境的調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：奶牛養(yǎng)殖；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；環(huán)境實時監(jiān)控；云服務(wù)

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）07-00-03

0 引 言

規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖已成為當(dāng)下奶牛養(yǎng)殖的主流方式。養(yǎng)殖過程中尤其要注意養(yǎng)殖環(huán)境的舒適度和養(yǎng)殖過程中疫病的防控，這樣才能提高牛奶產(chǎn)量。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為奶牛的精細(xì)化養(yǎng)殖提供了有力手段，與奶牛養(yǎng)殖結(jié)合可更新現(xiàn)有傳感器和控制系統(tǒng)[1]。通過應(yīng)用最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實現(xiàn)無線監(jiān)控奶牛養(yǎng)殖的各個環(huán)節(jié)，在奶牛的生長過程中，養(yǎng)殖環(huán)境對奶牛的影響尤為明顯。牛舍環(huán)境因素包括溫濕度、光照強度、有害氣體濃度等[2]。惡劣的環(huán)境條件會使奶牛生產(chǎn)能力下降，發(fā)病率和死亡率增加。因此，奶牛場的環(huán)境監(jiān)測顯得極其重要。

除此之外，系統(tǒng)還可利用物聯(lián)網(wǎng)對牛舍進(jìn)行環(huán)境調(diào)控，對奶牛進(jìn)行精細(xì)化管理，從而達(dá)到節(jié)約設(shè)備成本，提高奶牛產(chǎn)奶量的目的。

本文在參考和借鑒相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)下相關(guān)新興技術(shù)，開發(fā)出一套適用于中小規(guī)模養(yǎng)殖場的小型養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過傳感器采集牛舍的環(huán)境信息，利用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式，把歷史數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)經(jīng)分析分類呈現(xiàn)在網(wǎng)站中，實現(xiàn)各節(jié)點環(huán)境數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析及可視化，并根據(jù)設(shè)定好的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動調(diào)控。從而為奶牛提供舒適的環(huán)境，提升奶牛產(chǎn)奶品質(zhì)和產(chǎn)量，進(jìn)而獲得更大的經(jīng)濟效益[2]。

1 系統(tǒng)的總體方案

1.1 系統(tǒng)的總體目標(biāo)

本系統(tǒng)主要適用于小型奶牛場，通過使用多種傳感器采集溫濕度、光強、氨氣等牛舍環(huán)境信息，使用ZigBee協(xié)議將數(shù)據(jù)從節(jié)點上傳到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)打包通過板載的ESP8266 WiFi芯片上傳到MQTT服務(wù)器，網(wǎng)站后臺程序訂閱MQTT服務(wù)后，會從MQTT服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)并存進(jìn)數(shù)據(jù)庫，通過對數(shù)據(jù)的分析處理，判斷當(dāng)前數(shù)值是否符合標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此動態(tài)調(diào)控相關(guān)設(shè)備，保持牛舍溫濕度的穩(wěn)定。最終將信息實時顯示到網(wǎng)站上，方便管理者查看。該系統(tǒng)還可幫助管理者減少工作量，具有網(wǎng)頁自動調(diào)控和手動調(diào)控功能，隨時控制牛舍的各種設(shè)備，使得奶牛養(yǎng)殖環(huán)境保持最佳狀態(tài)，使奶牛生活得更加舒適，節(jié)省人力成本，提高產(chǎn)奶量，實現(xiàn)動物養(yǎng)殖的效益最高、成本最低和利益最大化。

1.2 系統(tǒng)工作流程

通過計算機和多平臺終端的實時監(jiān)測、預(yù)警服務(wù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測、預(yù)警和控制，達(dá)到養(yǎng)殖場的利益最大化[3]。

（1）環(huán)境數(shù)據(jù)采集：牛舍的數(shù)據(jù)采集采用五點取樣法。布置五個節(jié)點，每個點均包括一組傳感器，每組傳感器采集溫濕度信息，光照信息，有害氣體濃度。系統(tǒng)綜合分析各組數(shù)據(jù)，減小誤差。

（2）數(shù)據(jù)傳輸：傳感器節(jié)點使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信模塊，將空氣溫度等模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將信息收集到協(xié)調(diào)器上，協(xié)調(diào)器將每個節(jié)點的數(shù)據(jù)封裝好，通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。

（3）數(shù)據(jù)庫建模：利用Navicat設(shè)計數(shù)據(jù)庫，在云服務(wù)器上建立MySQL數(shù)據(jù)庫，并且存儲數(shù)據(jù)庫文件信息，開放數(shù)據(jù)庫端口。

（4）網(wǎng)站數(shù)據(jù)顯示統(tǒng)計及分析：采用維護(hù)性強，開放性高的 Java Web 技術(shù)搭建網(wǎng)站，使用MQTT Client訂閱服務(wù)獲取感知層數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)分類存儲到數(shù)據(jù)庫中。

（5）實時監(jiān)測：網(wǎng)站后臺程序?qū)ι蟼鞯臄?shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)數(shù)據(jù)變化超出設(shè)定值的范圍后，程序?qū)⒆詣涌刂葡嚓P(guān)設(shè)備，保持牛舍環(huán)境穩(wěn)定。

（6）手動控制：管理員通過登陸管理員賬號，可在網(wǎng)頁上查看設(shè)備工作狀態(tài)并手動操作相關(guān)設(shè)備。

2 硬件組成

本系統(tǒng)的硬件部分主要由傳感器、ZigBee無線自組網(wǎng)和WiFi網(wǎng)關(guān)組成。

2.1 傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，可靠性強，準(zhǔn)確度高[4]。采用GY-30數(shù)字光強傳感器，穩(wěn)定性好，準(zhǔn)確度高。MQ135傳感器對氨氣、硫化物、苯系物蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其他有害物的監(jiān)測也較理想，可靠性強，適合牛舍這類糞尿較多，氨氣濃度高的場景。

2.2 ZigBee芯片

ZigBee采用TI公司設(shè)計的CC2530 芯片，該芯片成本低，可擴展能力強，能夠以較低的總材料成本建立非常強大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，且運行模式之間轉(zhuǎn)換的時間短，能源消耗低。

2.3 ESP8266芯片

該芯片體積小，功耗低，性能強大，支持透傳，丟包現(xiàn)象不嚴(yán)重，且價格較低，資源豐富，易于開發(fā)，是當(dāng)前WiFi開發(fā)的不二選擇。

3 硬件功能開發(fā)

在該系統(tǒng)中，固件程序即指存儲于終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點中的程序。

3.1 終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器程序

終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器程序使用ZigBee_Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā)，協(xié)議棧集成了ZigBee的全部協(xié)議?？梢愿鶕?jù)我們的需求來開發(fā)相關(guān)功能，減少開發(fā)時間。

3.2 ESP8266程序

系統(tǒng)主要使用芯片自帶的AT指令功能。ZigBee協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)后通過 UART 口將數(shù)據(jù)以 AT 指令的形式發(fā)給 ESP8266 模塊，通過 POST方式將數(shù)據(jù)提交到服務(wù)器上。

3.3 終端節(jié)點控制程序

使用Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)控制程序，設(shè)置節(jié)點編號。通過配置GPIO和使用繼電器，讓不同的設(shè)備都能受協(xié)調(diào)器下發(fā)指令的控制，使之能和系統(tǒng)相互配合。

4 軟件功能設(shè)計

4.1 MQTT Client和MQTT Server

在云服務(wù)器上搭建MQTT Server，接收ESP網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)站后臺程序中搭建MQTT Client，通過訂閱服務(wù)獲取服務(wù)器端發(fā)送的數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)分類，使用JDBC連接數(shù)據(jù)庫，將收集的環(huán)境數(shù)據(jù)寫入MySQL數(shù)據(jù)庫的各字段中[5，6]。

4.2 MySQL數(shù)據(jù)庫建立

本系統(tǒng)使用Navicat 數(shù)據(jù)庫可視化工具建立數(shù)據(jù)庫，分別建立了用戶表、管理員表、棟舍表及數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)庫流程如圖1所示。

4.3 網(wǎng)站開發(fā)

本系統(tǒng)的Web頁面和后臺程序使用MyEclipse開發(fā)，采用維護(hù)性強，開放性高的 Java Web 技術(shù)搭建網(wǎng)站，采用MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。此種技術(shù)搭建的網(wǎng)站維護(hù)方便，可靠性和安全性較高。網(wǎng)站后臺程序采用Java語言，前端采用jQuery和AJAX技術(shù)，實現(xiàn)實時顯示的功能，還可以在網(wǎng)頁上手動控制牛舍中設(shè)備的開關(guān)[7]。網(wǎng)站界面如圖2所示。

5 智能控制設(shè)計

5.1 控制溫濕度變化

當(dāng)溫濕度發(fā)生的變化超出奶牛最適合的范圍時，后臺程序會根據(jù)當(dāng)前各傳感器的值來判斷是否需要啟動風(fēng)扇，噴霧，加熱器等設(shè)備工作。如需要，后臺程序控制設(shè)備采取操作，控制對應(yīng)的風(fēng)扇和噴霧器。風(fēng)扇安裝在牛舍不同的位置就會有不同的功能，高處的排風(fēng)扇用來換氣，低處的排風(fēng)扇用來除濕，還有在室內(nèi)加快空氣循環(huán)的循環(huán)扇和直接給牛吹風(fēng)的降溫扇，如何合理啟停設(shè)備是系統(tǒng)工作的重要任務(wù)。

系統(tǒng)控制相關(guān)設(shè)備的指令下達(dá)后，實時監(jiān)測環(huán)境信息，等待溫濕度發(fā)生變化，當(dāng)溫濕度的變化符合要求時，關(guān)閉相關(guān)設(shè)備，從而保持牛舍溫濕度的穩(wěn)定。

5.2 控制光照

當(dāng)天氣陰暗，光照強度過弱時，系統(tǒng)會自動打開日光燈補光。系統(tǒng)還會調(diào)取當(dāng)天的天氣API接口獲取當(dāng)天光照時長，若不夠則補足，使奶牛在牛舍中也可享受充足的光照。

5.3 控制有害氣體濃度

當(dāng)有害氣體濃度過高時，采取噴霧和排風(fēng)扇協(xié)同工作的方式來降低有害氣體濃度，水霧可有效地吸附氨氣，保持牛舍空氣的潔凈[8]。

6 結(jié) 語

奶牛養(yǎng)殖業(yè)在我國國民經(jīng)濟中占有重要地位，但從目前規(guī)?；B(yǎng)殖奶牛的實際情況來看，容易在規(guī)?；B(yǎng)殖肉牛中出現(xiàn)環(huán)境調(diào)控不及時，影響奶牛生長，降低奶牛養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益等問題[9]。而僅靠個人難以判斷牛舍的各種環(huán)境指標(biāo)是否滿足奶牛生長發(fā)育的需要。本研究通過MyEclipse開發(fā)平臺，整合 MySQL，Java，Web，HTML開發(fā)動物養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，采用低功耗的MQTT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該系統(tǒng)可極大地減少養(yǎng)殖人員精力的投入，監(jiān)測不同節(jié)點的溫度、濕度、空氣指標(biāo)。實現(xiàn)各節(jié)點環(huán)境數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析及可視化，為奶牛提供舒適的環(huán)境，提升奶牛產(chǎn)奶品質(zhì)，從而獲得更大的經(jīng)濟效益。

參考文獻(xiàn)

[1]張建華，趙璞，劉佳佳，等.物聯(lián)網(wǎng)在奶牛養(yǎng)殖中的應(yīng)用及展望[J].農(nóng)業(yè)展望，2014，10（10）：51-56.

[2]張杰.新疆肉牛養(yǎng)殖適用設(shè)施設(shè)備技術(shù)研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[3] 朱軍，麻碩士，畢玉革，等.種豬數(shù)字化養(yǎng)殖平臺的構(gòu)建 [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26（4）：215 -219.

[4]周劼，王爍. 基于GPRS的半干旱地區(qū)氣象遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)研制開發(fā)[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2013（30）：10-14.

[5] 吳詩怡，萬敏，王傲，等.蛋雞養(yǎng)殖環(huán)境溫濕度變化實時監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)[J].信息技術(shù)與信息化，2017（Z1）：30-33.

[6]楊洋. 基于ZigBee的嵌入式RFID養(yǎng)殖場管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2013.

[7]朱瑜紅.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的奶牛舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].黑龍江畜牧獸醫(yī)，2016（16）：59-61.

[8]王琳，蔡煜，閆文慧，等.奶牛養(yǎng)殖環(huán)境空氣質(zhì)量現(xiàn)狀監(jiān)測與分析[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2009（6）：71，122.

[9]楊海青.對我國奶牛規(guī)模養(yǎng)殖模式的思考[J].畜牧獸醫(yī)科技信息，2018（2）：56.