基于新型物聯(lián)網的蠶室環(huán)境管理系統(tǒng)設計與應用

孫孝龍 吳洪昊 周衛(wèi)陽 施建軍

1(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院鹽城生物工程分院 江蘇 鹽城 224051)2(江蘇省蠶種管理所 江蘇 無錫 214151)3(鹽城思源網絡科技有限公司 江蘇 鹽城 224005)

0 引 言

物聯(lián)網是繼計算機、互聯(lián)網和移動通信發(fā)展之后世界信息產業(yè)第三次革命的核心技術，是國家重點發(fā)展的戰(zhàn)略新興產業(yè)之一。農業(yè)物聯(lián)網技術在大田種植、棚室栽培、畜禽水產養(yǎng)殖等領域有十分重要的應用，它以實際數(shù)據(jù)為基礎，以生物的科學知識為依據(jù)，能有效規(guī)避傳統(tǒng)農業(yè)生產過程中的盲目性，實現(xiàn)生產過程的智能化控制和科學化管理，進而提高農業(yè)資源利用率和勞動生產率[1-3]。本設計所指的蠶室環(huán)境主要指催青、小蠶共育、大蠶飼育、上蔟保護、雜交制種、蠶種保護與冷藏等蠶桑生產所需的室、棚、庫等環(huán)境。傳統(tǒng)方式對蠶室溫度、濕度、光照、氣流以及家蠶生長發(fā)育進程等環(huán)境進行的觀察與調控，完全依靠人工進行調節(jié)、記錄和監(jiān)管，經常會出現(xiàn)環(huán)境因子波動幅度大、過程記載不清、監(jiān)管失控等生產事故。隨著農業(yè)科技的快速發(fā)展，蠶桑產業(yè)轉型升級、結構調整進程加快，勞動力緊張、人員老化、生產效益低下等問題越來越突出，這種蠶室環(huán)境調節(jié)與監(jiān)控的手段與現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展格格不入，嚴重制約著當前蠶桑產業(yè)發(fā)展的迫切需求。本研究基于物聯(lián)網技術，設計蠶室環(huán)境管理系統(tǒng)，為蠶桑生產工廠化、精準化、智能化提供科技服務[4-5]。

1 蠶室環(huán)境參數(shù)及特點

蠶室的環(huán)境因子主要包括蠶室內、外溫度，內、外濕度，光照強度，氣流速度、CO2濃度，CO、NH3、SO2等有害氣體濃度等。通常條件下，蠶室經常會遭受大風、連陰雨、高溫、悶熱、冷空氣、污染氣體等不利環(huán)境條件，造成養(yǎng)蠶或制種生產遭受嚴重影響，導致蠶繭、蠶種減產甚至絕收。而采用物聯(lián)網技術，運用信息管理模式，蠶室環(huán)境參數(shù)通過各類設備智能調控，能保證養(yǎng)蠶生產、蠶種生產在適宜的環(huán)境條件水平，不僅省力省工、生產安全，而且能有效提高蠶繭、蠶種的產量和質量。蠶室環(huán)境中需要調控的因子主要為溫度、濕度、光照強度、CO2濃度、氣流速度、調控實況和有關有害氣體濃度等。根據(jù)養(yǎng)蠶或蠶種生產環(huán)境要求，設定主要環(huán)境因子的參數(shù)閾值和告警上下限，確保生產安全、穩(wěn)定、優(yōu)質。

2 方案設計

2.1 總體方案

根據(jù)蠶室環(huán)境調控目標及參數(shù)特點，以物聯(lián)網技術為依托，設計蠶室環(huán)境信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)蠶室環(huán)境參數(shù)的全面感知、精準傳輸和智能處理。系統(tǒng)綜合運用信息管理、自動監(jiān)測、動態(tài)模擬、虛擬現(xiàn)實、精確控制、網絡通信等現(xiàn)代信息技術，以蠶室環(huán)境要素與工作過程的信息化為主要研究目標，通過解決環(huán)境的信息化管理、狀態(tài)的自動化監(jiān)測、過程的數(shù)字化模擬、系統(tǒng)的可視化設計、知識的模型化表達以及管理的精準化控制等實際問題，構建蠶室環(huán)境管理系統(tǒng)框架(圖1)。并通過篩選支撐物聯(lián)網應用的設備和儀器，實現(xiàn)蠶室環(huán)境監(jiān)測、預測、設計、管理、控制的數(shù)字化、精確化、可視化、網絡化，從而提升現(xiàn)代蠶桑業(yè)的綜合管理水平和核心生產力。

圖1 基于新型物聯(lián)網的蠶室環(huán)境管理系統(tǒng)框架圖

系統(tǒng)根據(jù)養(yǎng)蠶和蠶種生產管理的工作特點，通過選取適宜的電子傳感器，將家蠶生長發(fā)育實況，室內、外溫、濕度變化，光照強度，氣流速度，CO2濃度，CO、NH3、SO2等有害氣體濃度等環(huán)境因子進行感知采集，通過網絡傳輸?shù)接嬎銠C控制中心，再通過數(shù)據(jù)分析和處理，將結果信息反饋到計算機界面或手機終端。用戶可以實時現(xiàn)場或遠程進行觀察、查詢、監(jiān)視、調控、咨詢、日志管理、產品質量追溯。該系統(tǒng)能對催青、小蠶共育、大蠶飼育、上蔟保護、蠶種保護與冷藏等生產環(huán)境進行智能監(jiān)控管理。系統(tǒng)具有很強的可擴展性，使用物聯(lián)網技術，養(yǎng)蠶基地無需自己建立數(shù)據(jù)庫服務器，可通過專業(yè)的網絡數(shù)據(jù)中心(政府或公司的)同時管理轄區(qū)內若干個基地的情況，每個基地可安裝若干個傳感器。各基地的管理人員可通過PC或手機上網查看管理基地的生產情況，增減、設置、調整相關蠶室環(huán)境的報警參數(shù)和維護自己的生產記錄。

2.2 系統(tǒng)設計

管理系統(tǒng)基于B/S結構設計，采用Winform應用程序，運用WebService技術實現(xiàn)網站數(shù)據(jù)庫和Winform數(shù)據(jù)庫的共享。系統(tǒng)包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、操作應用四個模塊，每個模塊完成相應的功能[6-8]。

2.2.1數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集主要負責蠶室環(huán)境內、外溫、濕度，光照強度，氣流速度，CO2濃度，CO、NH3、SO2等有害氣體濃度等數(shù)據(jù)的感知、采集和控制。該模塊主要包括RTU設備和環(huán)境因子傳感器，如溫、濕度傳感器、光照幅度傳感器，CO2傳感器、氣流速度傳感器等，采集產生0～5 V的數(shù)據(jù)值，并進行數(shù)據(jù)初步分析。用戶可對各參數(shù)預設報警值，當采集的現(xiàn)場參數(shù)達到報警值時，蠶室管理者可獲得手機報警，以便對蠶室環(huán)境及時調控、維護。

2.2.2數(shù)據(jù)傳輸模塊

作用于數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)分析和操作應用之間的信息傳輸，包括數(shù)據(jù)感知的設備有線或無線連接，與互聯(lián)網、通信網進行數(shù)據(jù)融合的網關，以及可以將底層感知數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉脤拥幕ヂ?lián)網傳輸。數(shù)據(jù)傳輸模塊設計包括蠶室局域網和遠程廣域網，能夠安全可靠并廣泛地互聯(lián)，實現(xiàn)蠶室操作應用和遠程用戶對數(shù)據(jù)的獲取和決策命令的下達。遠程局域網采用互聯(lián)網及GSM通訊相結合的技術，運用無線GPRS傳輸技術，使用移動或聯(lián)通網對所采集的數(shù)據(jù)進行實時、穩(wěn)定的傳輸，并送達計算機控制中心數(shù)據(jù)庫。

2.2.3數(shù)據(jù)處理模塊

控制中心的數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、智能控制、人機交換四個部分。數(shù)據(jù)存儲提供建立蠶室環(huán)境數(shù)據(jù)庫和設備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，完成感知采集數(shù)據(jù)的基本處理。數(shù)據(jù)處理通過采用軟件補償、分布圖法和取平均值法消除感知數(shù)據(jù)的誤差影響，不僅完成數(shù)據(jù)存儲、添加、修改和查詢，更實現(xiàn)了智能化分析、處理。智能控制采用模糊控制策略和變結構模糊控制方法對蠶室環(huán)境因子及參數(shù)進行智能控制，能獲得良好的數(shù)據(jù)精度。RTU設備將環(huán)境參數(shù)收集、存貯起來，并通過無線GPRS網絡實時傳送和反饋給用戶終端?；谟脩舻闹悄芑芾硭季S和蠶室環(huán)境自動化監(jiān)控模式，設計人機交互界面。控制中心將進程狀態(tài)、數(shù)據(jù)監(jiān)測、調控指令等信息進行實時網絡發(fā)送，并接收用戶的反饋信息進行相關調整；管理員通過電腦界面或管理終端接收信息，進行相應的觀察、監(jiān)控、調整或咨詢，并根據(jù)管理具體情況，調整相關設置，維護系統(tǒng)運行，提高管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性、及時性和精準性。

2.2.4操作應用模塊

系統(tǒng)通過網絡計算機界面或遠程終端實現(xiàn)用戶操作應用。用戶管理操作包括了數(shù)據(jù)查詢、實時監(jiān)控、控制輸出、參數(shù)設置、知識咨詢和實時調控等。系統(tǒng)采用AJAX圖表實時顯示技術，對所采集的數(shù)據(jù)全部存入中心數(shù)據(jù)庫，便于歷史數(shù)據(jù)的查詢和對數(shù)據(jù)曲線進行分析顯示。對連接在RTU設備上的蠶室農業(yè)裝備，管理人員可現(xiàn)場或遠程進行開、關運行控制，并顯示出當前設備狀態(tài)，實現(xiàn)了對蠶室環(huán)境的自動化控制。各基地可分別使用不同的用戶名和密碼進入系統(tǒng)，實時查看各自基地監(jiān)控點的視頻和蠶室環(huán)境數(shù)據(jù)，并可以實時控制多個設備的開與關[9]。

3 系統(tǒng)功能

3.1 實時監(jiān)控功能

系統(tǒng)可在線實時監(jiān)控蠶室環(huán)境的溫度、濕度、光照、氣流、空氣質量等多種對養(yǎng)蠶或蠶種生產影響顯著的環(huán)境因子，以及蠶室內各類連接設備的狀態(tài)信息，也可以通過視頻在線，實時觀察、記錄到相關基地、各個蠶室環(huán)境中家蠶、蠶種的生長發(fā)育狀態(tài)，實現(xiàn)了無人化值守、自動化調節(jié)、全程化日志、告警式督查。蠶室環(huán)境參數(shù)、家蠶發(fā)育進程和輔助設備狀態(tài)的相關信息，既可以在現(xiàn)場控制系統(tǒng)界面顯示，也可以在控制中心管理平臺獲取，還可以通過網絡瀏覽器或智能終端軟件查看。

3.2 精準調節(jié)功能

系統(tǒng)能通過多種調節(jié)方式維護蠶室環(huán)境在家蠶發(fā)育的適宜水平。在滿足現(xiàn)場進行手動控制調節(jié)的同時，系統(tǒng)可以對蠶室環(huán)境參數(shù)進行智能調節(jié)控制。一是在環(huán)境因子設置參數(shù)范圍內，系統(tǒng)通過PLC讀寫，運用模糊算法，自動調節(jié)輔助設備的運行狀態(tài)，精準控制蠶室環(huán)境因子水平的高低；二是針對溫度、濕度，有毒氣體等監(jiān)控關鍵因子。管理用戶通過控制中心對監(jiān)控的信息發(fā)來的告警，通過遠程平臺或終端進行精準調節(jié)。

3.3 智能管理功能

管理系統(tǒng)通過計算機監(jiān)控平臺實現(xiàn)蠶室環(huán)境信息的智能管理，完成蠶室環(huán)境控制的高效、安全、優(yōu)質。主要功能包括環(huán)境因子的參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸、指令輸出、數(shù)據(jù)管理、日志查詢等。其中，參數(shù)設置完成環(huán)境因子閾值的設置以及調節(jié)目標值的設置；數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)對感知數(shù)據(jù)的采集和存儲；狀態(tài)監(jiān)測實時監(jiān)控家蠶發(fā)育進程以及輔助設備運行狀態(tài)；數(shù)據(jù)傳輸完成感知信息和反饋信息與控制中心的雙向傳輸；指令輸出負責智能決策的下達和響應；數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、查詢、更新；日志查詢實現(xiàn)蠶室環(huán)境以及家蠶生長發(fā)育階段的全程記錄、查詢、追溯。

3.4 專業(yè)咨詢功能

系統(tǒng)把用戶的需求問題轉化為方便咨詢的知識和規(guī)則，建成養(yǎng)蠶、制種生產知識庫，提供給管理信息平臺。管理用戶可以通過網絡瀏覽器或遠程操作軟件，訪問知識信息系統(tǒng)，接受知識查詢、專家咨詢、微視頻學習、在線答疑等專業(yè)化信息服務。

4 實驗與結果

本系統(tǒng)分別在江蘇省蠶種管理所(無錫蠶種冷庫)的蠶種催青室、江蘇省如東縣蠶桑站蠶桑示范戶(栟茶鎮(zhèn))的家蠶人工飼料共育室以及鹽城生物工程高等學校實習蠶種場(建湖縣上岡鎮(zhèn))的制種室和保種室等進行了綜合實驗和推廣應用，在蠶室環(huán)境數(shù)據(jù)精準采集、智能監(jiān)控管理、參數(shù)優(yōu)化調整、快速響應調節(jié)、知識學習提供等方面取得了顯著的成效。

4.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)對溫度、濕度、光線、空氣質量等蠶室環(huán)境因子數(shù)據(jù)實時采集、傳輸，并通過專業(yè)數(shù)據(jù)樣本學習，對數(shù)據(jù)進行信息識別、篩選、存儲，可輕松比對標準環(huán)境參數(shù)，通過監(jiān)控平臺(現(xiàn)場或遠程)實時提供用戶需要的管理信息或發(fā)出超值報警信息。調查表明，在蠶桑生產常溫常濕環(huán)境(24～25 ℃，75%～80% RH)下，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準確率可達99.86%，比傳統(tǒng)人工采集提高了11.26%；光照強度、流動風速、空氣質量數(shù)據(jù)以及存儲準確率達100%，應用效果遠遠超出人工作業(yè)直觀感知，以及記錄保存數(shù)據(jù)的方式。系統(tǒng)應用大大提高了蠶室環(huán)境精準化管理水平[10]。

4.2 智能管理

系統(tǒng)計算機控制中心利用神經網絡結合CNN深度學習算法對數(shù)據(jù)樣本不斷學習訓練，將采集來的數(shù)據(jù)存放在控制器的內存，經過模糊控制分析及處理，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的傳輸、存儲、查詢、更新。應用實驗表明，系統(tǒng)通過現(xiàn)場無人值守、遠程登錄查看以及日志查詢實現(xiàn)對蠶室環(huán)境以及家蠶生長發(fā)育階段的全程記錄、查詢、追溯，能完全滿足蠶桑生產對蠶室環(huán)境實時監(jiān)控和實時調控。與一般生產管理對照比較，用工節(jié)省了82.50%，綜合生產效率可提高62.75%。除特殊次氯酸消毒、強酸腐蝕環(huán)境外，系統(tǒng)應用基本上實現(xiàn)了蠶室環(huán)境遠程智能化管理。

4.3 參數(shù)調整

蠶室環(huán)境因子標準參數(shù)的確定和設置是系統(tǒng)應用安全性、準確性、穩(wěn)定性的關鍵。實驗表明，針對蠶種催青的溫、濕度環(huán)境，系統(tǒng)控制室內溫度、濕度參數(shù)參數(shù)上下浮動不超過0.5 ℃、0.25 RH，在催青后期高溫感光階段上下浮動不超過0.25 ℃、0.12 RH。特別注意，在高溫、多濕環(huán)境中，要及時通風、換氣、加溫、補濕，使CO2濃度控制在200 ppm以下，CO、SO2等有害氣體設置為臨界點“發(fā)現(xiàn)預警”。若室內含量超標，啟動系統(tǒng)預警模式，及時采取通風換氣措施進行系統(tǒng)防控，或人工干預進行綜合治理。在系統(tǒng)運行測試和推廣應用中，系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對蠶室環(huán)境的實時監(jiān)控、實時調控以及智能調整，大大增加了參數(shù)標準設置的科學性、精準性[9]。

4.4 快速響應

在蠶室環(huán)境管理生產上，用戶最擔心的是現(xiàn)場實際環(huán)境因素發(fā)生了變化，而系統(tǒng)顯示正?；蚍从尺t緩，會給蠶桑生產帶來無法彌補的損失。實驗表明，本系統(tǒng)智能管理，不僅可以達到全方位人工值守的“放心”效果，而且通過系統(tǒng)深度學習模糊算法對蠶室環(huán)境的實時監(jiān)控及智能調整，大大提高了準確度和信任度，省力、省工，極大地提高了管理效益。同時，系統(tǒng)通過參數(shù)偏差自我糾錯和現(xiàn)場生產狀態(tài)視頻監(jiān)控對比，具備提前預警和異常警戒功能，達到了響應快速、調控可靠的管理要求，增加了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

4.5 專家咨詢

系統(tǒng)設置與蠶桑專業(yè)群落數(shù)據(jù)庫(專業(yè)知識庫和精品課程庫)連接的知識咨詢接口，將專業(yè)知識信息系統(tǒng)納入計算機智能應用控制系統(tǒng)。用戶通過現(xiàn)場顯示器界面或遠程客戶終端，可以隨時訪問知識信息系統(tǒng)，進行知識查詢、課程學習、微視頻學習、典型案例分析、專家咨詢或開展在線答疑。系統(tǒng)推廣應用，不僅實現(xiàn)了生產項目的智能管理，而且經過進一步產教融合開發(fā)，優(yōu)化了蠶室環(huán)境保護的標準方案，也彌補了系統(tǒng)設計缺乏針對性的缺陷，使系統(tǒng)設計和應用更加符合實際應用。

5 結 語

隨著農業(yè)物聯(lián)網的快速發(fā)展，新型農業(yè)物聯(lián)網管理系統(tǒng)已逐漸成為現(xiàn)代高效農業(yè)轉型升級的助推器。本系統(tǒng)基于新型互聯(lián)網與蠶桑技術，產教融合開發(fā)設計，結合數(shù)據(jù)樣本CNN深度學習算法，實現(xiàn)了蠶室環(huán)境工廠化、精準化、智能化管理，大大提高了生產自動化水平和管理效益。

鑒于當前各種用于農業(yè)物聯(lián)網設備及設施口徑不一，功能與標準多樣，特別是針對蠶室環(huán)境設備的防水、防霧、防酸、防毒等性能還不高，普遍存在低成本和高通用性，因此，難以實現(xiàn)系統(tǒng)中傳感設備的統(tǒng)一化研發(fā)，這給蠶室環(huán)境數(shù)據(jù)信息的監(jiān)控、識別、收集、傳輸帶來障礙。完全滿足蠶室特殊環(huán)境高質量智能管理的需求，需進一步探索[11]。

系統(tǒng)將從強化行業(yè)標準性與普遍適應性，研究開發(fā)統(tǒng)一標準的接口，方便多個用戶體驗使用以及挖掘農業(yè)大數(shù)據(jù)。進一步提高數(shù)據(jù)樣本學習、模糊處理質量，充分運用篩選冗余的數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)算法，對已有的數(shù)據(jù)進行過濾，進一步提高服務的針對性、精準度。