基于物聯(lián)網(wǎng)的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,杭州 310032； 2.浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院,杭州 310032；3.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 畜牧獸醫(yī)研究所，杭州 310021)

0 引言

我國是生豬產(chǎn)銷大國，豬肉的消費(fèi)量占世界豬肉消費(fèi)量近半。隨著人們生活水平的提高，對高品質(zhì)的肉制品需求愈來愈大。中國的生豬養(yǎng)殖正在逐步由小規(guī)模向集約化、工廠化轉(zhuǎn)變和發(fā)展[1-2]。本文主要以生豬養(yǎng)殖為對象，改善生豬健康生長為宗旨。豬舍環(huán)境作為重要的養(yǎng)殖環(huán)節(jié)，直接影響豬的采食量和消化率，惡劣的養(yǎng)殖環(huán)境違背動(dòng)物的正常生長規(guī)律，損害養(yǎng)殖場動(dòng)物福利，造成肉制品質(zhì)量低下。為此，本文從生豬養(yǎng)殖場中影響豬只健康生長環(huán)境因子分析入手，研究提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的豬舍環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，利用OneNet云平臺(tái)，為生豬養(yǎng)殖管理人員提供豬只生長環(huán)境的實(shí)時(shí)信息，可遠(yuǎn)程控制養(yǎng)殖場內(nèi)的風(fēng)機(jī)、濕簾以及供暖等設(shè)備，改善豬只生長環(huán)境，從而有效保障豬只健康成長。

1 養(yǎng)殖環(huán)境因子分析

養(yǎng)殖場內(nèi)影響豬只健康生長的主要環(huán)境因子包含溫濕度和有害氣體等。豬舍溫度和濕度是影響豬只生長過程和豬場生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益重要環(huán)境因素[3]。溫度直接影響豬的進(jìn)食欲、采食量和抵抗力；濕度影響到微生物的生長與繁殖，導(dǎo)致豬只生長過程中抵抗力減弱，引起風(fēng)濕、腸炎和呼吸道疾病發(fā)病率增高等危害。有害氣體中的氨氣對動(dòng)物健康的危害很大[4]。氨氣(NH3)主要由豬只的糞便、飼料等含氮有機(jī)物分解而生[5]。Drummond等發(fā)現(xiàn)氨氣對8周齡的幼豬生長有著顯著影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)暴露于NH3濃度為50，100，150 ppm環(huán)境中的豬只平均日增重分別降低12%，30%和29%[6]。國內(nèi)曹進(jìn)等研究發(fā)現(xiàn)，料重比隨著畜舍內(nèi)氨氣濃度的升高而升高，然而，豬只的日增重卻是隨著畜舍內(nèi)氨氣濃度升高而下降，氨氣還可誘發(fā)其它疾病[7]。硫化氫(H2S)也是有害氣體之一，主要由豬只的糞便產(chǎn)生。大家熟知的二氧化碳(CO2)也是有害氣體之一，主要由豬只呼吸作用及有機(jī)物間相互反應(yīng)產(chǎn)生。生豬在二氧化碳超標(biāo)的環(huán)境中，主要表現(xiàn)為精神萎靡、食欲不佳等，容易感染傳染病，生長緩慢[8]。此外，A.Michiels等研究發(fā)現(xiàn)PM10對肉豬的呼吸健康有顯著影響[9]。由此可見，有害氣體等不良環(huán)境不僅影響豬只健康成長，而且也會(huì)污染周圍環(huán)境。對豬舍環(huán)境的有效監(jiān)控，可保障豬的健康生長，提升豬的福利化水平，有利于提高經(jīng)濟(jì)效益，故而具有重要意義。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備終端、云端及用戶端組成，通過STM32單片機(jī)采集豬舍環(huán)境因子參數(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)WiFi網(wǎng)絡(luò)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，并利用云平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)服務(wù)開發(fā)可視化Web界面管理現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備，對下位機(jī)下達(dá)指令實(shí)施環(huán)境遠(yuǎn)程控制，在云端存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、發(fā)布信息，保障了數(shù)據(jù)安全。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要實(shí)現(xiàn)對豬舍環(huán)境的信息采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控兩大功能。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場監(jiān)控終端主要由環(huán)境監(jiān)測單元、環(huán)境控制單元構(gòu)成，選用STM32為主控制器，通過傳感器采集豬舍環(huán)境參數(shù)信息，并利用Wi-Fi模塊與云平臺(tái)雙向通信，通過接收控制信號控制現(xiàn)場設(shè)備的開啟關(guān)閉。云端主要是物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，選用中國移動(dòng)OneNet云平臺(tái)接收、處理和儲(chǔ)存監(jiān)控設(shè)備終端上傳的數(shù)據(jù)。通過可視化后臺(tái)管理界面管理終端設(shè)備，實(shí)時(shí)查看豬舍環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)。用戶端是采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)的豬舍環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，養(yǎng)殖人員通過瀏覽器訪問并查看豬舍實(shí)時(shí)環(huán)境信息、查詢與導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)以及對風(fēng)機(jī)等豬舍設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)Web頁面基于Flask架構(gòu)開發(fā)，通過利用云平臺(tái)提供的RESTful API接口，實(shí)現(xiàn)用戶端與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)Web頁面具有自動(dòng)報(bào)警功能，當(dāng)節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)值時(shí)，會(huì)推送郵件、短信息給相關(guān)人員，以便管理人員及時(shí)采取措施。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場監(jiān)控終端設(shè)備需要具備采集現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)、通信傳輸數(shù)據(jù)等功能，同時(shí)也要保證系統(tǒng)低成本、可靠穩(wěn)定運(yùn)行，主要包括檢測單元和控制單元兩大部分，具體由STM32主控芯片、各傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、環(huán)境控制(繼電器)模塊、無線通信模塊等組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控終端設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1 監(jiān)測單元

監(jiān)測單元由主控模塊和各傳感器模塊組成。主控模塊的核心處理器選用意法半導(dǎo)體的STM32微控制器，負(fù)責(zé)讀取傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)做打包融合處理，通過串口連接無線通信模塊。STM32系列專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)，具體型號選用STM32F411RET6。該芯片集成了Cortex?-M4內(nèi)核(具有浮點(diǎn)單元)，工作頻率為100 MHz，在運(yùn)行和停機(jī)模式下具有出色的低功耗性能，擁有11個(gè)頻率高達(dá)100 MHz的16和32位定時(shí)器，高達(dá)512 KB的Flash存儲(chǔ)器和高達(dá)128 KB的SRAM等，完全滿足系統(tǒng)開發(fā)性能需求。

選用的AM2320、BH1750、PMS7003、S8 004-0-0053等數(shù)字傳感器模塊，可直接通過主控芯片分別讀取溫濕度、光照強(qiáng)度、空氣懸浮顆粒物濃度、二氧化碳?xì)怏w濃度等數(shù)據(jù)，實(shí)物如圖3所示。PMS7003是一款基于激光散射原理的數(shù)字式通用顆粒物濃度傳感器，可連續(xù)采集并計(jì)算單位體積內(nèi)空氣中不同粒徑的懸浮顆粒物個(gè)數(shù)(顆粒物濃度分布)，顆粒物測量范圍包括0.3～1.0、1.0～2.5、2.5～10 μm，全面滿足顆粒物測量需求。S8 004-0-0053為瑞典SenseAir的低功耗紅外二氧化碳傳感器，測量范圍0～2000 ppm，測量精度為±40 ppm±讀數(shù)的3%，完全滿足實(shí)際測量要求。選用電化學(xué)傳感器CLE-1012-401和CLE-0112-402，分別采集氨氣和硫化氫氣體濃度，其輸出電流信號小，需設(shè)計(jì)電路放大輸出信號并濾除噪聲，而傳統(tǒng)的傳感器驅(qū)動(dòng)及信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜[15]。氨氣傳感器CLE-1012-401的測量范圍0～100 ppm，靈敏度可達(dá)0.135(±0.035) mA/ppm。硫化氫傳感器CLE-0112-402的測量范圍也是0～100 ppm，靈敏度為0.8(±0.2) mA/ppm。本系統(tǒng)選用了TI公司推出的LMP9000系列可編程模擬前端芯片，專門處理電化學(xué)傳感器采集的信號。該芯片信號輸出穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)電路，能夠簡化電路設(shè)計(jì)，并能提高電路穩(wěn)定性[16]。LMP91000與電化學(xué)氣體傳感器的電極連接，采用3.3 V 供電。主控芯片通過EN線控制 LMP91000 的開關(guān)，使用I2C總線控制數(shù)據(jù)的采集，通過內(nèi)置ADC讀取輸出電壓，再經(jīng)過內(nèi)置程序計(jì)算獲得氣體濃度值。電化學(xué)傳感器信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 監(jiān)測單元實(shí)物圖

圖4 電化學(xué)傳感器信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)圖

3.2 控制單元

豬舍環(huán)境的溫濕度主要通過濕簾、風(fēng)機(jī)以及供暖設(shè)備的運(yùn)行來調(diào)控，有害氣體主要通過風(fēng)機(jī)等加強(qiáng)通風(fēng)排放?？刂茊卧芍骺匦酒?、電源轉(zhuǎn)換電路、繼電器模塊電路等組成。主控芯片選用具有無線通信功能的ESP8266-01。該產(chǎn)品專為移動(dòng)設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)應(yīng)用設(shè)計(jì)，工作能耗非常小。電源轉(zhuǎn)換電路將220 V交流電經(jīng)過AC-DC隔離電源模組HLK-PM01，獲得5V直流電；經(jīng)三端穩(wěn)壓器LM1117-3.3獲得3.3 V直流。繼電器選用無觸點(diǎn)的SAI4005D固態(tài)繼電器，避免有常開觸點(diǎn)的繼電器對單片機(jī)的電磁干擾。

3.3 無線通信模塊

在大規(guī)模的養(yǎng)殖環(huán)境中，有線通信技術(shù)具有現(xiàn)場施工繁瑣、擴(kuò)展性差、新增傳感器時(shí)需新增布線、線路檢修困難等缺點(diǎn)，故選用無線通信方式。常見的無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要有Bluetooth、ZigBee、WI-FI等。低功耗藍(lán)牙(BLE)技術(shù)是低成本，短距離，可互操作的魯棒性無線技術(shù)，工作在2.4 G頻段。ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本，但組網(wǎng)開發(fā)周期較長。相比ZigBee技術(shù)來說，WI-FI的有效覆蓋半徑可以達(dá)到100米，穿墻能力比較強(qiáng)，故而本系統(tǒng)選用該方式。CC3200、SIM900、ESP8266是目前市場上常見的無線通信模塊產(chǎn)品。CC3200和SIM900產(chǎn)品內(nèi)含MCU，具有強(qiáng)大的功能，但其價(jià)格偏高、功耗較大。故而系統(tǒng)選用ESP8266串口無線收發(fā)模塊，通過串口與STM32芯片連接，使用AT命令和云平臺(tái)服務(wù)器建立TCP連接，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場采集設(shè)備與云平臺(tái)的通信。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括監(jiān)測單元和控制單元的軟件設(shè)計(jì)以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)應(yīng)用設(shè)計(jì)，總體流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)應(yīng)用設(shè)計(jì)主要包括可視化監(jiān)控界面設(shè)計(jì)和報(bào)警推送管理，根據(jù)云平臺(tái)提供的開發(fā)工具設(shè)計(jì)豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)界面，提供歷史數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備信息管理等功能。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)報(bào)警觸發(fā)器。

4.1 數(shù)據(jù)采集

監(jiān)測單元軟件基于C語言設(shè)計(jì)，在STM32主控制器中運(yùn)行，主要完成數(shù)據(jù)采集功能，程序流程如圖6所示。系統(tǒng)終端設(shè)備上電之后，首先進(jìn)行芯片各個(gè)外設(shè)功能的初始化，驅(qū)動(dòng)傳感器模塊工作，成功獲取環(huán)境信息后，將所有采集的信息打包上傳到OneNet平臺(tái)。

圖6 數(shù)據(jù)采集流程圖

4.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心基于OneNet平臺(tái)提供的服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)底層采集數(shù)據(jù)的上報(bào)、存儲(chǔ)，以及設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控和終端控制管理，通過開發(fā)Web頁面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。用戶通過訪問web頁面，遠(yuǎn)程查看豬舍環(huán)境實(shí)時(shí)信息和設(shè)置環(huán)境控制設(shè)備的工作參數(shù)。OneNet是中國移動(dòng)通信集團(tuán)推出的一款開放物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，支持多種傳輸協(xié)議，為各種跨平臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、行業(yè)解決方案提供簡便的海量連接、云端存儲(chǔ)、消息分發(fā)和大數(shù)據(jù)分析等優(yōu)質(zhì)服務(wù)，具有良好的可視化應(yīng)用。

首先在OneNet平臺(tái)創(chuàng)建一個(gè)豬舍環(huán)境監(jiān)控的產(chǎn)品，將監(jiān)測終端設(shè)備和環(huán)境控制設(shè)備按照平臺(tái)的傳輸協(xié)議接入到創(chuàng)建的產(chǎn)品中。依次完成與接入互聯(lián)網(wǎng)、與OneNet服務(wù)器建立TCP連接、傳輸數(shù)據(jù)等操作。用戶只需在產(chǎn)品中創(chuàng)建設(shè)備，為設(shè)備新增數(shù)據(jù)流。設(shè)備端編寫終端接入代碼，主要完成數(shù)據(jù)采集、協(xié)議封裝、數(shù)據(jù)上傳等工作，終端設(shè)備的數(shù)據(jù)上傳成功后，平臺(tái)在相應(yīng)數(shù)據(jù)流下會(huì)生成隨時(shí)間推移的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

5 系統(tǒng)測試

本文所述的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)在浙江省海寧市某養(yǎng)殖基地進(jìn)行了現(xiàn)場測試。根據(jù)豬舍實(shí)際情況，現(xiàn)場布置了溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、PM濃度、氨氣、硫化氫等6種傳感器。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用獨(dú)立電源供電。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)通過連接手機(jī)共享熱點(diǎn)，將數(shù)據(jù)上傳到OneNET云平臺(tái)。圖7所示為每隔2分鐘記錄的現(xiàn)場測試結(jié)果。

圖7 系統(tǒng)Web頁面數(shù)據(jù)顯示

從采集的數(shù)據(jù)分析可見，環(huán)境參數(shù)溫度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、PM10濃度等參數(shù)變化穩(wěn)定。溫濕度與現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備顯示的溫度(19℃)、濕度(68%)基本一致；豬舍保溫?zé)艉驼彰鳠糸_啟，通風(fēng)窗頁轉(zhuǎn)動(dòng)引起光線變化，光照強(qiáng)度最大為220lx；有害氣體檢測中二氧化碳濃度最大為635 ppm，氨氣濃度最大為1.5 ppm，硫化氫氣體濃度最大為0.7 ppm。該生豬養(yǎng)殖基地設(shè)施完善，測試當(dāng)天豬舍環(huán)境良好，經(jīng)養(yǎng)殖場工作人員確認(rèn)，上述參數(shù)測試結(jié)果符合實(shí)際情況，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，采集的數(shù)據(jù)可信。

6 結(jié)論

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種豬只成長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對豬舍環(huán)境參數(shù)的信息采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控兩大功能，具有體積小、功耗低、功能擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。現(xiàn)場測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了生豬養(yǎng)殖環(huán)境信息實(shí)時(shí)采集，和訪問遠(yuǎn)程監(jiān)控中心Web頁面可查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并可實(shí)施遠(yuǎn)程控制。然而，該系統(tǒng)尚未實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場圖像采集功能，后期可接入網(wǎng)絡(luò)攝像頭增加視頻監(jiān)控功能，通過圖像分析與行為識(shí)別，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)豬只健康生長的智慧管理。