基于物聯(lián)網(wǎng)的青貯發(fā)酵智能監(jiān)控系統(tǒng)初探*

萬先起 徐一 歐之福 魏鼎才 李光輝 彭曉琴 王林

四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，四川成都

0 引言

為滿足人們對(duì)肉類產(chǎn)品日益增長的需求，國家大力發(fā)展畜牧養(yǎng)殖業(yè)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部“糧改飼”政策持續(xù)實(shí)施，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)由糧經(jīng)二元結(jié)構(gòu)發(fā)展為糧食、經(jīng)濟(jì)、飼料三元結(jié)構(gòu)。飼料的生產(chǎn)和供給持續(xù)增長，飼料中尤以青飼料增長最快，最受飼養(yǎng)家畜喜愛。但青飼料供給受生產(chǎn)環(huán)境、氣候影響較大，季節(jié)性強(qiáng)，無法實(shí)現(xiàn)全年均衡供應(yīng)。青飼料的貯存就成畜牧養(yǎng)殖經(jīng)營主體的最大難題，青貯技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。青貯得好，青飼料營養(yǎng)得以保存，養(yǎng)殖效果顯著；反之，青貯得不好，飼料營養(yǎng)損失較大，甚至霉變腐爛，易引起家畜病害或死亡，造成損失。青貯的關(guān)鍵在于青貯工藝的保障和監(jiān)控。為此，作者提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立青貯發(fā)酵智能監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于保障青貯飼料的質(zhì)量尤為必要。

1 系統(tǒng)組成

基于物聯(lián)網(wǎng)的青貯發(fā)酵智能監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“系統(tǒng)”）主要包括感知層、傳輸層和應(yīng)用層。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)感知層

系統(tǒng)感知層主要是通過各種傳感器對(duì)水分、pH 值、溫度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，并將采集到的參數(shù)經(jīng)過ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絑igBee 網(wǎng)關(guān)層。由于受到青貯發(fā)酵內(nèi)的實(shí)際環(huán)境影響，傳感器必須與原料進(jìn)行接觸才能檢測(cè)到發(fā)酵過程的參數(shù)變化。為此，選用的傳感器需要具有體積小、精度高、工作時(shí)間長、耐腐蝕等特點(diǎn)。

2.1.1 水分檢測(cè)

圖1 系統(tǒng)組成框圖

在整個(gè)制作環(huán)節(jié)中，水分含量對(duì)青貯質(zhì)量影響重大。水分過高，青貯飼料容易腐敗變質(zhì)；水分過低，青貯飼料營養(yǎng)容易流失，甚至發(fā)干、霉變。對(duì)于水分的控制過去一般由人為經(jīng)驗(yàn)判斷，由于不同操作人員感覺偏差、經(jīng)驗(yàn)差異等因素的差別，易造成青貯飼料質(zhì)量不穩(wěn)定。

本系統(tǒng)采用低功耗的水分檢測(cè)儀，埋入青貯窖內(nèi)，在裝填開始時(shí)即對(duì)青貯水分進(jìn)行檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)水分不合格時(shí)立即報(bào)警提示，操作人員可以通過添加水分或者加入干燥玉米粉等及時(shí)進(jìn)行調(diào)配，直至水分滿足需求。

2.1.2 pH值檢測(cè)

發(fā)酵在整個(gè)加工過程最為復(fù)雜和關(guān)鍵，大體經(jīng)歷三個(gè)階段。

1）當(dāng)青貯填裝完成后，植物呼吸消耗氧氣產(chǎn)生二氧化碳，為乳酸菌發(fā)酵提供厭氧條件。

2）厭氧環(huán)境下，乳酸菌開始發(fā)酵，pH 值下降，到達(dá)一定pH 值時(shí)只有乳酸菌繼續(xù)存活，抑制有害物質(zhì)產(chǎn)生，防止腐敗。

3）乳酸菌進(jìn)一步發(fā)酵，環(huán)境pH 值繼續(xù)下降，當(dāng)pH值在3.0 左右時(shí)，乳酸菌停止活動(dòng)，此時(shí)整個(gè)青貯環(huán)境基本處于無菌狀態(tài)，養(yǎng)分被鎖住，進(jìn)入穩(wěn)定期。

青貯發(fā)酵這一系列化學(xué)活動(dòng)直接決定了后期青貯的質(zhì)量。但是通常青貯裝填密封后基本不做任何管理，各個(gè)發(fā)酵階段的情況也不作監(jiān)控，因此無法保證青貯是否成功。

發(fā)酵過程中，pH 值的變化可以精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)地反映發(fā)酵情況，因此，本系統(tǒng)將pH 值做為關(guān)鍵要素監(jiān)控，如果發(fā)現(xiàn)參數(shù)變化異常，及時(shí)提醒管理人員和操作人員采取措施，保證青貯質(zhì)量。

2.1.3 溫度檢測(cè)

適宜的青貯窖內(nèi)溫度應(yīng)維持在20～30 ℃之間，當(dāng)殘余氧氣過多時(shí)，不僅會(huì)造成原料浪費(fèi)，而且會(huì)使青貯窖內(nèi)溫度過高引起青貯飼料腐敗，因此，實(shí)時(shí)監(jiān)控窖內(nèi)溫度，對(duì)青貯飼料的發(fā)酵控制具有積極意義。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用封裝完后的數(shù)字溫度傳感器，傳感器采集的數(shù)據(jù)可以直接進(jìn)行數(shù)字傳輸，主控芯片接收到該信息能夠直接進(jìn)行處理。

2.2 系統(tǒng)傳輸層

系統(tǒng)傳輸層主要包括ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、ZigBee網(wǎng)關(guān)、以太網(wǎng)。通過ZigBee 數(shù)據(jù)包和TCP/IP 協(xié)議數(shù)據(jù)包的雙向傳輸，在二者之間搭建一條透明傳輸通道，完成ZigBee技術(shù)和以太網(wǎng)互通。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸體系包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)兩部分。采集節(jié)點(diǎn)將采集的參數(shù)通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)以多跳變的方式傳送到ZigBee 匯接點(diǎn)，匯接點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)進(jìn)行ZigBee 數(shù)據(jù)包解析，從數(shù)據(jù)包中提取有效數(shù)據(jù)，進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和重新封裝打包成TCP/IP 數(shù)據(jù)包，經(jīng)過以太網(wǎng)傳輸將數(shù)據(jù)送到服務(wù)器，服務(wù)器接收數(shù)據(jù)并做解析，數(shù)據(jù)分析處理完成后實(shí)時(shí)把數(shù)據(jù)同步至App 客戶端和顯示屏。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用層

系統(tǒng)應(yīng)用層主要包括顯示屏、客戶端、服務(wù)端。服務(wù)端依托第三方云服務(wù)做具體功能開發(fā)，功能模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、處理；顯示屏安裝在發(fā)酵池，實(shí)時(shí)顯示環(huán)境參數(shù)信息；客戶端是整個(gè)系統(tǒng)最關(guān)鍵部分，采用移動(dòng)客戶端的方式設(shè)計(jì)，保證管理人員和操作人員可以通過App隨時(shí)隨地監(jiān)控發(fā)酵情況，App客戶端設(shè)計(jì)如下。

2.3.1 登錄模塊

主要實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員和管理人員的系統(tǒng)登錄、用戶注冊(cè)、找回密碼、賬號(hào)掛失功能，同時(shí)，針對(duì)不同身份人員做權(quán)限區(qū)分，保證信息安全，登錄模塊如圖2所示。

2.3.2 監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)模塊

主要對(duì)所有發(fā)酵池的監(jiān)控，考慮發(fā)酵過程的連續(xù)性，數(shù)據(jù)半小時(shí)更新1次。當(dāng)監(jiān)控出現(xiàn)異常，App端及時(shí)提醒用戶，監(jiān)控模塊如圖3 所示；為保證發(fā)酵池歷史信息查看，也便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，系統(tǒng)會(huì)對(duì)單個(gè)發(fā)酵池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并做處理，統(tǒng)計(jì)模塊如圖4所示。

2.3.3 通知模塊

當(dāng)App 不在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)主動(dòng)推送消息提醒作業(yè)人員或者管理人員及時(shí)查看監(jiān)控信息，做出相應(yīng)補(bǔ)救措施，通知模塊如圖5所示。

圖2 App登錄模塊

圖3 App監(jiān)測(cè)模塊

圖4 App統(tǒng)計(jì)模塊

圖5 App通知模塊

3 結(jié)束語

本文通過利用物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的青貯發(fā)酵智能監(jiān)控系統(tǒng)，能對(duì)青貯發(fā)酵過程中不同發(fā)酵階段的水分、pH 值、溫度進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并安全預(yù)警。可避免由于不同操作人員的感覺偏差或者誤操作等帶來不必要的損失，最大限度地保證了青貯飼料的質(zhì)量，可為解決當(dāng)下青貯技術(shù)瓶頸、提高飼料質(zhì)量提供一種參考和借鑒。