基于Arduino的大型家禽養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

李年攸，吳杰良，丁 鑫，劉松毅，劉持標(biāo)

(1.三明學(xué)院 信息工程學(xué)院， 福建 三明365004；2.福建省農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 三明365004；3.物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用福建省高校工程研究中心，福建 三明365004)

隨著人民生活水平的提高，生活物質(zhì)的豐富，人們對餐桌食物關(guān)注的焦點(diǎn)從量的需求提升到了質(zhì)的需求，家禽養(yǎng)殖戶的數(shù)量及養(yǎng)殖規(guī)模也隨著用戶的需求增加而擴(kuò)大，常年為市場提供充足的蛋和肉，為政府的“菜籃子”工程提供有力的保障。近年來，隨著國家大力推行農(nóng)業(yè)優(yōu)惠政策,大型家禽養(yǎng)殖場得以迅速發(fā)展,但這也導(dǎo)致了一些問題。由于這些養(yǎng)殖場沒有安裝經(jīng)濟(jì)高效的養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，對養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境的控制比較差，導(dǎo)致了家禽疫病的問題[1-5]。這也導(dǎo)致了家禽養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益的下降，直接影響到了養(yǎng)殖戶的積極性。

雖然養(yǎng)殖戶也嘗試對家禽生長環(huán)境因素進(jìn)行控制，但大多沒有達(dá)到最佳效果。例如，當(dāng)溫度或者濕度過高或者過低時，必須通過人工來對溫度或者濕度進(jìn)行調(diào)控，而且這種調(diào)控方式必須得有人實(shí)時觀察；在光照強(qiáng)度方面，禽舍內(nèi)雖然有光照，但是光照的強(qiáng)度不一定適合家禽的生長，不適宜的光照會造成家禽雞煩躁不安、啄癖等惡癖，導(dǎo)致家禽養(yǎng)殖質(zhì)量的下降。

近年來國內(nèi)外針對大型家禽養(yǎng)殖場監(jiān)控的展開了一些研究[6-8]。文獻(xiàn)[6]只提供了針對家禽體溫與疫病關(guān)系的研究。文獻(xiàn)[7]針對家禽養(yǎng)殖場的環(huán)境進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)測，但環(huán)境數(shù)據(jù)只能在養(yǎng)殖場的電腦上才能看到，不能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。文獻(xiàn)[8]提供了一種基于電力線載波的家禽養(yǎng)殖場環(huán)境監(jiān)控方案；其不足之處包括通信技術(shù)比較復(fù)雜、無APP 讓用戶查看實(shí)時數(shù)據(jù)及設(shè)備遠(yuǎn)程控制。

為了解決大型家禽養(yǎng)殖場的監(jiān)控問題， 本文設(shè)計了一套基于Arduino 和Android 的養(yǎng)殖場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，它包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。使用該系統(tǒng),養(yǎng)殖用戶可以隨時隨地使用APP 客戶端來監(jiān)控家禽的生長環(huán)境，包括監(jiān)測養(yǎng)殖場的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等關(guān)鍵環(huán)境因素；同時，利用APP 可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境的自動控制調(diào)節(jié)，使養(yǎng)殖場環(huán)境處于最佳狀態(tài)，以此來保障家禽健康成長。所開發(fā)的設(shè)備經(jīng)濟(jì)適用，可最大限度節(jié)約大型家禽養(yǎng)殖場物力、人力成本，進(jìn)而提高養(yǎng)殖利潤和養(yǎng)殖戶的積極性。

1 家禽養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

大型家禽養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。所開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)主要由一個或多個家禽養(yǎng)殖監(jiān)控設(shè)備、 服務(wù)器及APP 客戶端組成。家禽養(yǎng)殖監(jiān)控設(shè)備負(fù)責(zé)采集家禽養(yǎng)殖現(xiàn)場溫度、 濕度及光照傳感器的數(shù)據(jù)， 并將這些數(shù)據(jù)通過WiFi 無線網(wǎng)絡(luò)定時向服務(wù)器發(fā)送。如果有異常情形， 監(jiān)控系統(tǒng)自動觸發(fā)設(shè)備開關(guān) （系統(tǒng)處于自動模式） 進(jìn)行緊急防護(hù)，并通過APP 客戶端通知養(yǎng)殖戶。用戶可以通過手機(jī)APP 實(shí)時查看數(shù)據(jù)及發(fā)送控制指令到家禽養(yǎng)殖監(jiān)控設(shè)備， 來實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)、 調(diào)溫及光照的控制（系統(tǒng)處于手動模式）。服務(wù)器負(fù)責(zé)接收、顯示和保存來自家禽養(yǎng)殖監(jiān)控設(shè)備的傳感器數(shù)據(jù)。

圖1 大型家禽養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 監(jiān)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)

如圖2所示，家禽養(yǎng)殖監(jiān)控設(shè)備主要由Arduino mega 2560 單片機(jī)、DHT11 溫濕度傳感器、光照傳感器、蜂鳴器、繼電器、電機(jī)、WiFi 通信模塊及顯示屏組成。將相關(guān)電子元器件連接在一起，所實(shí)現(xiàn)的家禽養(yǎng)殖監(jiān)控設(shè)備實(shí)物如圖3所示。利用所制作的設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場溫濕度、光照強(qiáng)度等傳感器數(shù)據(jù)的采集、顯示與傳輸；同時，該設(shè)備還可以接收來自服務(wù)器的控制指令，并執(zhí)行通風(fēng)設(shè)備、光照設(shè)備及控溫設(shè)備的“打開”與“關(guān)閉”。

圖2 家禽養(yǎng)殖監(jiān)控設(shè)備組成模塊

圖3 家禽養(yǎng)殖監(jiān)控設(shè)備實(shí)物圖

家禽養(yǎng)殖監(jiān)控設(shè)備的軟件系統(tǒng)主程序初始化完畢后， 便每隔0.5 s 的時間讀取傳感器收集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。養(yǎng)殖監(jiān)控設(shè)備軟件系統(tǒng)如果設(shè)置了自動監(jiān)控模式，監(jiān)控設(shè)備對采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果超過預(yù)先設(shè)定的閾值，除了拉響警報外，還會自啟動防護(hù)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)緊急自救。例如，如果養(yǎng)殖場環(huán)境溫度過高則啟動通風(fēng)設(shè)施降溫，濕度過大則啟動除濕設(shè)備，直到環(huán)境參數(shù)達(dá)到正常值。

3 服務(wù)器實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)接收、存儲養(yǎng)殖場監(jiān)控設(shè)備所發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)，并對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示從而生成曲線圖。服務(wù)器PC 監(jiān)控界面如圖4所示。通過服務(wù)器的設(shè)置功能模塊，可以對監(jiān)控系統(tǒng)的手動控制模式和自動控制模式進(jìn)行切換，切換過程中實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息的同步（圖5）。另外，服務(wù)器還為手機(jī)APP 客戶端提供數(shù)據(jù)交互服務(wù)， 為養(yǎng)殖戶提供在線幫助， 向養(yǎng)殖戶手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)與警報信息。進(jìn)一步地，服務(wù)器將來自手機(jī)APP 客戶端的控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給特定的家禽養(yǎng)殖場監(jiān)控設(shè)備，以達(dá)到遠(yuǎn)程控制通風(fēng)設(shè)備、控溫設(shè)備及光照設(shè)備的目的。

圖4 服務(wù)器PC 監(jiān)控界面

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置界面

服務(wù)器接收來自養(yǎng)殖場監(jiān)控設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)及光照數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過如圖6所示的代碼存入到數(shù)據(jù)庫，以便日后數(shù)據(jù)的查詢、分析、比對與展示。

圖6 服務(wù)器將接收的傳感器數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫

服務(wù)器對所存儲的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，可以生成曲線圖（圖7），有助于用戶觀察養(yǎng)殖場環(huán)境數(shù)據(jù)變化趨勢，為進(jìn)一步控制家禽養(yǎng)殖場環(huán)境參數(shù)提供科學(xué)決策依據(jù)。

4 APP 客戶端實(shí)現(xiàn)

利用Android 應(yīng)用開發(fā)平臺[9]，可以設(shè)計與實(shí)現(xiàn)APP 客戶端。如圖8所示，養(yǎng)殖用戶通過APP 可以隨時隨地查看養(yǎng)殖場環(huán)境數(shù)據(jù)， 也可以基于數(shù)據(jù)狀況來實(shí)施通風(fēng)設(shè)備、光照設(shè)備、加濕器及加溫器的遠(yuǎn)程控制。

圖7 養(yǎng)殖場環(huán)境數(shù)據(jù)曲線圖

圖8 APP 客戶端運(yùn)行界面

APP 客戶端所展示的養(yǎng)殖場數(shù)據(jù)來自服務(wù)器?？蛻舳送ㄟ^實(shí)時讀取來自服務(wù)的inStream 字節(jié)流來獲取溫度、濕度及光照等數(shù)據(jù)，并將其實(shí)時呈現(xiàn)給養(yǎng)殖用戶(圖9)。養(yǎng)殖用戶通過APP 發(fā)送控制指令到服務(wù)器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對養(yǎng)殖場設(shè)備的遠(yuǎn)程控制(圖10)。命令的發(fā)送是通過OutStream 輸出字節(jié)流的write（sendBuffer）函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)通信協(xié)議，養(yǎng)殖戶可以通過相應(yīng)的指令實(shí)現(xiàn)對家禽養(yǎng)殖現(xiàn)場設(shè)備的開關(guān)控制，使養(yǎng)殖戶無論身在何處，都能及時掌控養(yǎng)殖場的情況。

圖9 APP 客戶端獲取服務(wù)器數(shù)據(jù)

圖10 APP 客戶端發(fā)送控制指令到服務(wù)器

5 結(jié)論

本文開發(fā)了家禽養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)，其主要由養(yǎng)殖場監(jiān)控設(shè)備、服務(wù)器及APP 客戶端組成，使用Arduino mega 2560 單片機(jī)、DHT11 溫濕度傳感器、光照傳感器、蜂鳴器、繼電器、電機(jī)、WiFi 通信模塊所制作的設(shè)備，可以實(shí)時收集養(yǎng)殖場溫度、濕度及光照數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送到服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲與分析。用戶使用APP 客戶端實(shí)時查看大型養(yǎng)殖場環(huán)境數(shù)據(jù)及遠(yuǎn)程控制通風(fēng)設(shè)備、光照設(shè)備、加濕器及加溫器。