豬舍環(huán)境無線多點多源遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計與試驗

曾志雄 董 冰 呂恩利 夏晶晶 吳 鵬 沈 昊

(華南農業(yè)大學工程學院， 廣州 510642)

0 引言

近年來，我國生豬養(yǎng)殖業(yè)呈現集約化、規(guī)?；l(fā)展態(tài)勢。隨著豬只飼養(yǎng)密度的不斷提高，舍內各種環(huán)境問題也逐漸顯露出來。豬只疫病的暴發(fā)及傳播與養(yǎng)殖環(huán)境密切相關[1]。適宜的養(yǎng)殖環(huán)境可以增強豬只抵抗力，發(fā)揮種豬生產潛能，繼而提高生產效益[2]。良好的飼養(yǎng)環(huán)境也符合動物福利的基本要求[3]。畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)測和有效控制越來越受到相關專家的重視[4]。設施環(huán)境監(jiān)測也是我國實現農業(yè)生產自動化、智能化和高效化的重要環(huán)節(jié)之一[5]。

我國農業(yè)設施環(huán)境監(jiān)測領域研究起步較晚，但發(fā)展迅速，應用廣泛。文獻[6]研究了基于RS-485總線的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現了對溫室內各類環(huán)境參數的實時查詢。文獻[7]研究了基于CAN總線和WSNs的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現了高速率、遠距離的溫室環(huán)境監(jiān)測。應用有線通信技術普遍存在布線難、維護復雜、成本高等問題，因此將具有低成本、低功耗和強大組網能力的ZigBee技術應用于農業(yè)環(huán)境監(jiān)測是國內的研究熱點[8]?；赯igBee的監(jiān)測系統(tǒng)被廣泛應用于水產養(yǎng)殖[9]、溫室[10-13]、荔枝果園[14-15]、礦山安防[16]、畜禽舍[17-20]等場景。目前，基于ZigBee的環(huán)境監(jiān)測方案已較為成熟[21-24]，后續(xù)研究將主要集中在更低功耗、更高精度、更可靠、更智能等方面。

本文利用ZigBee技術開發(fā)更適用于豬舍環(huán)境的無線多點多源遠程監(jiān)測系統(tǒng)。將多臺節(jié)點設備布置在舍內指定高度和位置，對溫度、相對濕度、氨氣濃度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數進行實時監(jiān)測。分析舍內主要環(huán)境信息的時空分布特性，并對系統(tǒng)丟包情況進行統(tǒng)計。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

豬舍環(huán)境無線多點多源遠程監(jiān)測系統(tǒng)是一套可獨立應用于豬舍內的軟硬件信息平臺[25]。針對現有規(guī)模化豬舍的集群式飼養(yǎng)特征，系統(tǒng)前端利用ZigBee無線通信技術在舍內實現多監(jiān)測點的分布式組網。憑借該技術優(yōu)勢，所有節(jié)點設備可靈活布置在舍內任意高度和位置，上電后的ZigBee網絡拓撲結構會隨之調整至最優(yōu)狀態(tài)。系統(tǒng)中的每一臺節(jié)點設備均可搭載多種傳感器用于采集各類數據源信息，全面客觀反映豬舍內復雜的溫濕度及氣體環(huán)境分布規(guī)律。系統(tǒng)末端借助遠程數據傳輸單元(DTU)將實時環(huán)境信息打包上傳至服務器，跨平臺的Web端應用最終將各類數據分條展示出來。Web端應用界面具備數據查詢、設備定位、環(huán)境參數閾值設定及短信報警等功能。該監(jiān)測系統(tǒng)同時是一套完備的物聯網應用系統(tǒng)，其3層架構組成包括：豬舍環(huán)境感知層、無線傳輸服務層、多客戶端應用層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

豬舍環(huán)境感知層是監(jiān)測系統(tǒng)的最底層，借助“一主多從”的ZigBee網狀拓撲結構[26]將底層硬件分為ZigBee從節(jié)點及ZigBee主節(jié)點兩種設備類型。從節(jié)點數量多，可離散分布于豬舍內任意高度和位置進行數據采集。主節(jié)點僅有一臺，用于收集匯總全部從節(jié)點數據信息并打包上傳至服務層。主從節(jié)點密切配合共同完成感知層采集及上傳數據的任務。

無線傳輸服務層接收來自主節(jié)點的數據包，依托無線分組交換技術(GPRS)，按照約定的IP地址及端口號與服務器建立連接，利用DTU實現數據點對點的透明傳輸。服務器將接收到的報文數據進行逐一解析，同時將歷史數據存儲在軟件數據庫中。多客戶端應用層采用瀏覽器/服務器(B/S)模式，將數據庫連接至瀏覽器，借助網頁實現系統(tǒng)遠程監(jiān)測的功能?；跒g覽器的應用可滿足計算機端或移動網絡設備端的跨平臺需求。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 無線傳感器從節(jié)點

作為監(jiān)測系統(tǒng)感知層硬件之一，無線傳感器從節(jié)點內部結構的合理搭配和功能劃分對豬舍環(huán)境監(jiān)測起到至關重要的作用。無線傳感器從節(jié)點一般包括傳感器模塊、數據處理模塊、無線通信模塊及供電模塊4部分。

本系統(tǒng)無線傳感器從節(jié)點包括多傳感器模塊、數據處理單元、通信調試接口、ZigBee發(fā)送終端、電池及供電模塊5部分，見圖2。其中，多傳感器模塊可同時檢測7種類型環(huán)境參數，包含溫度、相對濕度、氨氣(NH3)濃度、二氧化碳(CO2)濃度、硫化氫(H2S)濃度、甲醛(HCHO)濃度、可吸入顆粒物(PM2.5/PM10)濃度。溫度與相對濕度采用數字溫濕一體型傳感器，二氧化碳濃度則選用內置溫度補償的紅外傳感器，可吸入顆粒物濃度利用激光檢測原理的激光傳感器，其余類型傳感器均為電化學氣體傳感器。多數傳感器本身已將探頭與信號處理電路集成一體，使其具備串口輸出功能，可直接連接數據處理單元。數據處理單元是傳感器節(jié)點的核心組成部分，選用32位Cortex內核100引腳STM32F103VET6作為主芯片，將傳感器信息分類匯總后傳輸至ZigBee發(fā)送終端。

圖2 從節(jié)點結構組成框圖

無線通信模塊選用ZigBee[27]，在“一主多從”的無線網絡拓撲結構中，1臺主節(jié)點最多可搭配254臺從節(jié)點，單點覆蓋面積達100 m2。通信調試接口為數據處理單元的外圍拓展電路，添加USB轉TTL芯片便于上位機對節(jié)點設備進行調試及配置操作。電池及供電模塊選用容量為10 000 mA·h的12 V可充電式鋰電池，一次充電可供節(jié)點設備持續(xù)工作170 h，主板變壓芯片滿足各類5 V傳感器、處理單元及ZigBee發(fā)送終端的正常供電。無線傳感器從節(jié)點各單元分工明確，共同實現系統(tǒng)底層的數據采集功能。無線傳感器從節(jié)點在實地豬場試驗中所選配的傳感器類型包括溫濕度、氨氣濃度及二氧化碳濃度傳感器。其中，溫濕度傳感器型號為DHT21，溫度量程為-40.0～80.0℃，分辨率為0.1℃，精度為±0.5℃；相對濕度量程為0～100%，分辨率為0.1%，精度為±3%。氨氣濃度傳感器型號為ZE03，量程為0～0.005%，分辨率為1×10-8，精度為±5%。二氧化碳濃度傳感器型號為MH-Z19B，量程為0～0.01，分辨率為0.000 1%，精度為±5%。

2.2 無線網關主節(jié)點

作為監(jiān)測系統(tǒng)感知層的另一種硬件設備，主節(jié)點充當了ZigBee中繼及網關的作用。ZigBee負責接收所有傳感器從節(jié)點的實時數據，將數據信息以報文格式打包后傳至DTU，無線網關主節(jié)點組成結構如圖3所示。

圖3 主節(jié)點結構組成框圖

區(qū)別于無線傳感器從節(jié)點，該無線網關主節(jié)點包括ZigBee接收終端、數據處理單元、通信調試接口、數據遠程傳輸單元(DTU)、電池及供電模塊5部分。其中，ZigBee接收終端作為協調器的數據收集單元，匯總來自全部從節(jié)點上傳的數據信息。主節(jié)點與所有從節(jié)點共同組成無線傳感器網絡(WSN)，依托ZigBee協議棧內多跳及自組網的優(yōu)勢，從節(jié)點間可自主探索最優(yōu)路徑并實現數據“接力式”傳遞[28]。主節(jié)點不搭載任何傳感器模塊，所以數據處理單元選用32位Cortex-m內核48引腳的STM32F103C8T6作為主芯片，只負責匯總數據并以HTTP報文數據格式進行打包上傳。通信調試接口的設置與從節(jié)點一致，在外圍拓展電路上添加USB轉TTL芯片便于上位機對主節(jié)點進行調試及配置操作。按指定格式打包完成的報文數據通過串口傳至DTU，DTU最后按照指定IP地址及端口號將報文透明傳輸至服務器。供電與無線傳感器從節(jié)點一致，采用容量為10 000 mA·h的12 V鋰電池及配套變壓芯片實現。

2.3 主從節(jié)點樣機

根據無線主、從節(jié)點的結構設計及裝配方法，進行主、從節(jié)點的樣機制作。以“M”標志表示主節(jié)點(Master)，“S”標志代表從節(jié)點(Slave)，主節(jié)點外置天線共包含ZigBee、DTU及GPS 3種，從節(jié)點只包含ZigBee天線。主、從節(jié)點實物圖及從節(jié)點電路主板如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 自組網通信過程

系統(tǒng)的組網通信過程依托ZigBee協議棧及主從節(jié)點間的程序設計[29]。在“一主多從”的工作模式下，為便于試驗，系統(tǒng)應按照提前設定的自組網通信過程執(zhí)行各項操作命令，以確保所有節(jié)點通信正常，各從節(jié)點數據上傳的時間點一致。以從節(jié)點單次數據上傳過程為例，本系統(tǒng)的自組網通信過程如圖5所示。

圖4 主、從節(jié)點及從節(jié)點電路主板

圖5 自組網通信過程

系統(tǒng)開始將所有從節(jié)點逐一上電，從節(jié)點相繼開啟之后先進行傳感器預熱的初始化過程，并等待主節(jié)點網絡建立。此時從節(jié)點均處于待機狀態(tài)，節(jié)點間無連接，數據不采集。直到主節(jié)點上電并初始化后，開始按照約定信道、天線方式、傳輸模式及波特率等設置內容建立ZigBee網絡。如果網絡建立成功，主節(jié)點將向整個網絡廣播接入命令，從節(jié)點在規(guī)定時間內獲取該命令，并以提前設定的靜態(tài)ID號作為唯一通信地址加入該網絡。如果網絡創(chuàng)建不成功，主節(jié)點將重新初始化并創(chuàng)建網絡連接。若存在部分從節(jié)點未收到接入網絡命令，則等待下一輪數據上傳過程再次加入。

主從節(jié)點間基于ZigBee的分布式網絡建立成功后，從節(jié)點隨即開始按照設定的時間間隔進行數據采集與上傳。主節(jié)點在規(guī)定的時間窗口內匯總接收每一條來自不同從節(jié)點的數據信息，并及時以HTTP報文格式打包傳至DTU。DTU在主節(jié)點上電初始化過程中已完成與服務器的連接，當主從節(jié)點間的傳輸鏈路建立之后即可對數據進行遠程透明傳輸。服務器接收到相應報文后，其內容一經解析即可實時顯示在Web端。若本輪數據在主從節(jié)點間或DTU傳輸服務器過程中出現遺失，則視為丟包。

3.2 Web端遠程監(jiān)測管理系統(tǒng)

Web端遠程監(jiān)測管理系統(tǒng)采用Tomcat作為Web應用服務器，以Mysql作為基礎數據庫，以Java作為編程語言，在J2EE系統(tǒng)架構的解決方案下實現遠程監(jiān)測管理系統(tǒng)平臺的搭建。其中，Tomcat和Mysql均為開源且較為成熟的Web系統(tǒng)解決方案，Java語言同時具有功能完善、可移植性強等優(yōu)點，以上相關工具和解決方案為Web系統(tǒng)的搭建提供技術支持。

用戶利用注冊手機號及設定密碼登錄進入Web端遠程監(jiān)測管理系統(tǒng)頁面，主界面包含“查看環(huán)境參數”、“查看設備位置”、“設置報警閾值”、“手機短信報警”等功能選項。點擊“查看環(huán)境參數”選項后即可進入實時監(jiān)測界面，如圖6所示。在界面左上角輸入節(jié)點ID號可查詢該從節(jié)點監(jiān)測到的實時數據，點擊右上角“數據下載”可獲取對應從節(jié)點的歷史數據記錄。界面下側輸入頁數可在線查詢全部歷史數據記錄。Web端的應用實現系統(tǒng)跨平臺功能，用戶只需借助上網設備即可實時查看當前及歷史環(huán)境信息。

圖6 系統(tǒng)Web端數據監(jiān)測界面

4 試驗方法與參考指標

試驗選取廣東省云浮市某規(guī)?；N豬場進行系統(tǒng)測試，該場區(qū)豬舍均屬于美式通風結構建筑，配備降溫濕簾、屋頂小窗及側墻負壓風機等環(huán)控設施。試驗時間為2018年7月15—25日，除去設備布置、更換豬舍、清理節(jié)點、電池充電等耗時，總有效測試時長約212 h。試驗測試豬舍類型包括配懷舍(46 h)、分娩舍(72 h)、保育舍(49 h)及生長舍(45 h)。每次試驗開始前，提前進入對應豬舍內進行勘察踩點，詳細記錄每種豬舍的豬只類型和數量、建筑尺寸、通風方式、環(huán)控原理等。繪制豬舍平面布局圖并進行監(jiān)測區(qū)域劃分，為節(jié)點設備的合理布置提供參考。試驗完成后，下載試驗數據并分類編排整理，對原數據進行預處理，剔除異常數據包，進行統(tǒng)計學分析并繪制圖像。

種豬場分娩舍的設計是確保其經濟和生產成功的最重要因素[30]。為此，本文以分娩舍為例，介紹試驗設備的選點布置、區(qū)域劃分、評價依據及數據分析等內容。最終利用獲取的試驗數據對各環(huán)境參數的時空分布特性進行探究，統(tǒng)計各類型豬舍測試周期內的丟包率。

4.1 節(jié)點布置方法

為避免產后母豬的應激反應對哺乳仔豬造成影響，在豬場管理人員許可下進行了產前分娩舍的試驗測試。試驗分娩舍內存有妊娠期107 d(產前7 d)的待產母豬共30頭。建筑外墻一側設置有降溫濕簾，舍內通風采用屋頂小窗進風，側墻負壓風機排風方式。屋頂小窗為橫向排列，每列5個共2排。側墻負壓風機為縱向排列，風機包括1臺變頻風機(80 cm)，3臺恒速風機(100 cm)。試驗舍長1 990 cm，舍寬1 100 cm，高度260 cm，過道寬度104 cm，每個哺乳母豬欄單格長240 cm，寬182 cm，總計30格。單格內限位欄寬度70 cm，僅容納一頭哺乳母豬。豬舍地面下方為水泡糞地溝，溝內設有地溝風機進行排風。

試驗分娩舍內部空間適中，待產母豬的限位欄間隔較寬，3排欄體單格均為縱向排列。豬只頭對頭，尾對尾分布，待產母豬腹部一側留有仔豬活動空間。根據實地勘察結果，結合豬只分布及舍內通風特點，選取部分限位欄單格內的母豬及仔豬豬頭區(qū)域作為節(jié)點設備的主要監(jiān)測點，并選取舍內出風口區(qū)域及舍外區(qū)域作為試驗對照組。

對節(jié)點設備進行合理布置劃分，以研究試驗分娩舍內各環(huán)境因素的分布特性。為此，將舍內監(jiān)測區(qū)域詳細劃分為母豬呼吸區(qū)域高度平面(0.7 m)、仔豬呼吸區(qū)域高度平面(0.35 m)、出風口區(qū)域高度平面(0.7 m)及舍外區(qū)域，分別掛設15、9、3、2臺從節(jié)點設備，設置每10 min采集一次數據。主節(jié)點放置于入口信號較好區(qū)域，確認主從節(jié)點位置編號并開啟電源進行72 h不間斷監(jiān)測。試驗過程中通過后臺定時查看各節(jié)點設備數據上傳記錄。試驗分娩舍平面結構的側、俯視圖及監(jiān)測區(qū)域主從節(jié)點分布如圖7所示。

圖7 試驗分娩舍側、俯視圖及各區(qū)域節(jié)點分布

4.2 環(huán)境參考指標

為探究試驗分娩舍在現有環(huán)控基礎上各類環(huán)境信息的分布情況，數據分析前明確豬舍內各環(huán)境參數的評價標準具有重要意義。本文參考《規(guī)模豬場環(huán)境參數及環(huán)境管理》(GB/T 17 824.3—2008)的各項指標要求，明確不同豬舍空氣內溫度和相對濕度的舒適范圍，高、低臨界值。除舍內溫度和相對濕度的指標要求外，標準還涉及各類型豬舍空氣中的3項有關衛(wèi)生指標，包括氨(NH3)、硫化氫(H2S)、二氧化碳(CO2)在內的空氣污染物濃度應小于指標要求，如表1所示。

5 試驗結果分析

5.1 時間變化特性

取試驗分娩舍完整24 h時間周期內4個區(qū)域的采樣數據進行時間變化特性分析。利用Excel繪制曲線，分別對應舍外、出風口、仔豬區(qū)域及母豬區(qū)域監(jiān)測到的溫度、相對濕度、氨氣濃度及二氧化碳濃度平均值變化。根據24 h內這4種環(huán)境參數變化趨勢初步得到其時間分布特性，如圖8所示。

將采集到數據利用SPSS軟件進行統(tǒng)計學分析。采用單因素ANOVA兩兩比較方式中的S-N-K(S)分析方法，計算得出舍外、出風口、仔豬區(qū)域及母豬區(qū)域內各環(huán)境因素組間差異極顯著(P<0.01)，各環(huán)境因素α=0.05的子集間顯著性差異情況如表2所示。

表1 豬舍內溫度、相對濕度及其他衛(wèi)生指標

注：表中數值均指豬床上0.7 m處的溫度和相對濕度。表中高、低臨界值指生產臨界范圍，過高或過低都會影響豬只的生產性能和健康狀況。

圖8 分娩舍4種環(huán)境參數24 h內各區(qū)域變化曲線

表2 分娩舍不同區(qū)域內各環(huán)境參數子集間顯著性差異

注：表中調和平均值的樣本數為145，顯示在齊性子集中各組的平均值省略到小數點后兩位。

參考表1中的相關環(huán)境指標，結合曲線及統(tǒng)計學分析結果對試驗分娩舍4種環(huán)境參數隨時間的變化特性進行分析。

舍外與舍內各區(qū)域溫差明顯，舍內外溫度差異極顯著(P<0.01)。豬只活體散熱導致舍內溫度普遍高于舍外1～2℃，舍內不同位置區(qū)域的溫度變化趨向一致(P=0.05)。在中午至夜間的較長時間內空氣溫度均超過高臨界值(27℃)，并于13:00左右達到當日峰值(30℃)。綜合溫度變化曲線分析得出，舍內存在一定時間段的持續(xù)性高溫問題。

舍外傳感器節(jié)點因早、晚的凝露現象使其在09:00及夜間相對濕度監(jiān)測值接近99.9%。舍內外相對濕度差異極顯著(P<0.01)，在第一子集中，舍外、出風口及仔豬呼吸區(qū)域相對濕度平均值間的差異性并不顯著(P=0.08)。舍內空氣相對濕度均超過高臨界值(80%)，從變化曲線看，相對濕度與溫度變化呈現明顯負相關性。

因試驗分娩舍采用美式機械強制通風方案，舍內4臺側墻風機的橫向通風能力較強，大通風量的設置下使有害氣體得以快速排除。測試結果顯示，舍內各區(qū)域氨氣質量濃度均遠低于指標值(20 mg/m3)，舍內外氨氣質量濃度差異極顯著(P<0.01)。從24 h內監(jiān)測數據的變化曲線上看，在出風口區(qū)域存在氨氣積聚現象，并于20:00左右到達當日峰值(0.9 mg/m3)。分娩舍測試期間均為產前母豬無仔豬，所以只在母豬區(qū)域有微量氨氣檢出。

作為對照組的舍外傳感器節(jié)點布置在濕簾前端，承接臨近豬舍的排氣口下游區(qū)域，二氧化碳質量濃度監(jiān)測值略高于一般室外環(huán)境(26℃，101.325 kPa)的范圍(628～807 mg/m3)。舍內外二氧化碳質量濃度差異極顯著(P<0.01)，舍內不同區(qū)域的質量濃度變化幅度較大，平均值差異明顯。在待產母豬較強的呼吸作用下，母豬區(qū)域的平均二氧化碳質量濃度監(jiān)測值最高，并于21:00左右達到當日峰值(2 600 mg/m3)。其他舍內區(qū)域的二氧化碳質量濃度變化幅度相對較小，夜間普遍高于白天。

5.2 空間分布特性

圖9 不同時間點分娩舍0.7 m高度平面各環(huán)境參數云圖

基于上文介紹的不同區(qū)域內4種環(huán)境參數的時間變化特性，以試驗分娩舍0.7 m高度(國標數據采集高度)的母豬呼吸區(qū)域作為研究對象。取各環(huán)境參數在24 h內峰值時間點的采樣數據進行空間分布特性分析，重點表現試驗分娩舍同一高度平面的環(huán)境分布差異性。根據各環(huán)境參數監(jiān)測值的實際分布情況，最終為環(huán)境控制優(yōu)化提供參考。

在時間變化曲線圖中，母豬區(qū)域0.7 m高度平面內的溫度、相對濕度、氨氣質量濃度及二氧化碳質量濃度峰值時間點依次出現在13:00、09:00、20:00及21:00前后。選取這4個時間點對所有母豬區(qū)域采集的環(huán)境數據進行繪圖分析，利用Matlab繪制各環(huán)境參數的三維(舍長、舍寬、指標)曲面及二維(舍長、舍寬)平面分布云圖，從多角度圖像信息中獲取試驗分娩舍在國標檢測平面內各環(huán)境參數的空間分布特性，如圖9所示。

參考表1相關環(huán)境指標，對試驗分娩舍4種環(huán)境參數在母豬呼吸區(qū)域的0.7 m高度平面上，進行峰值時間點的空間分布特性分析。

試驗分娩舍在13:00左右出現持續(xù)性高溫現象(≥30℃)，高溫區(qū)域重點集中于分娩舍中部，并向四周呈現放射性溫度遞減。舍內溫度整體分布規(guī)律表現為中間高，四周低。

分娩舍內在09:00左右首次出現高濕度峰值情況(≥95%)，在該時間點前后，舍內整體濕度水平均遠超表1中的高臨界值(80%)。分布云圖中，相對濕度在靠近濕簾側的屋頂小窗下方最高，靠近出風口區(qū)域最低。

分娩舍內以氨氣為主的有害氣體會導致豬只發(fā)病率升高，而機械強制橫向通風方式則有利于有害氣體排除。從氨氣的時空分布情況來看，分娩舍0.7 m高度平面區(qū)域內整體氨氣質量濃度偏低，并在20:00左右到達較小的峰值濃度。空間分布規(guī)律呈現出邊角高、中間低。在遠離濕簾一側的墻邊及出風口角落附近，氨氣積聚現象顯著。

分娩舍母豬區(qū)域的二氧化碳質量濃度于21:00左右到達峰值(2 600 mg/m3)。在峰值時間點的空間平面內，高濃度二氧化碳呈離散式分布于兩側舍長的墻邊附近。中間屋頂小窗下至出風口的排風通道附近二氧化碳濃度較低，可以推斷是由于新鮮空氣補充產生的結果。根據氨氣及二氧化碳這兩類有害氣體的空間分布情況，可得該豬舍內有害氣體多積聚于建筑墻體及邊角區(qū)域，進一步說明試驗豬舍現有環(huán)控水平有待提高。

基于監(jiān)測系統(tǒng)對試驗分娩舍內時間變化特性及空間分布特性的探究，分析得出該試驗分娩舍存在一定時間周期內的高溫、高濕問題，溫濕度變化呈現明顯負相關性。對氨氣、二氧化碳這類有害氣體的監(jiān)測中發(fā)現舍內存在“高濃度死角”問題，間接反映出試驗豬舍建筑通風方式及環(huán)境控制邏輯缺乏一定科學性。本文豬舍環(huán)境無線多點多源遠程監(jiān)測系統(tǒng)較為全面地反映出4種環(huán)境參數的時空分布特性，通過對試驗數據的可視化分析，直觀診斷出豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)的潛在問題。

5.3 丟包統(tǒng)計

在試驗全部完成后，針對后臺記錄的數據包接收情況進行丟包統(tǒng)計。參與統(tǒng)計對比的豬舍種類包括配懷舍、分娩舍、保育舍及生長舍，每種豬舍的有效測試時長、應收數據包數量、實際收包數量及丟失數據包數量等試驗數據如表3所示，由表可知，平均丟包率為2.39%。

根據統(tǒng)計結果得出不同類型豬舍丟包情況略有差異。分析測試過程發(fā)生丟包的主要環(huán)節(jié)包括：①主從節(jié)點通信間距過近或過遠，距離過近(≤1 m)會導致ZigBee信號呈現飽和狀態(tài)使通信受阻發(fā)生丟包。距離稍遠(≥50 m)則會導致信號衰弱，數據傳輸鏈路斷開后主從節(jié)點無法通信。②主從節(jié)點之間有隔墻或有金屬阻擋物產生的電離屏蔽現象對信號的削弱作用。③測試豬場附近的移動網絡信號較差，使基于GPRS網絡的DTU設備偶爾出現無服務的情況也會形成丟包。真實測試過程中丟包原因為后兩種的可能性較大，從監(jiān)測系統(tǒng)的一般要求及用于試驗數據完整性分析的角度考慮，本系統(tǒng)的丟包試驗結果滿足要求。

表3 丟包情況統(tǒng)計

6 結論

(1)分娩舍時間變化特性表明，豬舍內外各環(huán)境參數變化差異性顯著，各區(qū)域溫濕度變化呈負相關性。豬舍內午時前后有持續(xù)性高溫現象，全天內相對濕度遠超國標高臨界值，反映出豬舍內環(huán)控設施未能起到良好的降溫除濕作用。氨氣與二氧化碳有害氣體從下午開始呈現增多趨勢，均于夜間達到峰值。

(2)分娩舍空間分布特性表明，在指定高度平面內，溫度分布表現為中間高、四周低。相對濕度分布表現為靠近濕簾側高、接近出風口附近低。氨氣及二氧化碳有害氣體多積聚于豬舍建筑墻體的邊角區(qū)域，進一步說明試驗豬舍內存在“環(huán)控死角”。

(3)系統(tǒng)整體測試結果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，試驗設備布點方便、快捷，平均丟包率2.39%，一次充電后設備持續(xù)工作時間可達170 h。各環(huán)境參數監(jiān)測量準確可靠，區(qū)域性差別顯著，診斷效果好。所得時空分布特性對豬舍環(huán)境控制優(yōu)化具有一定參考意義。