基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的畜禽智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

何敏欣 宋國(guó)柱

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院 山西省太谷縣 030801）

我國(guó)現(xiàn)有的蛋雞養(yǎng)殖業(yè)存在疫病防控、環(huán)境污染、蛋品質(zhì)量等安全問題，嚴(yán)重制約了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，已成為亟待解決的難題。目前蛋雞養(yǎng)殖場(chǎng)已采用傳感器檢測(cè)雞舍的溫度、濕度、光照及有害氣體濃度等環(huán)境信息，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[1]。本文就當(dāng)前蛋雞養(yǎng)殖場(chǎng)通過先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、高壓靜電場(chǎng)技術(shù)、高效光譜補(bǔ)光技術(shù)、智能控制技術(shù)、多媒體技術(shù)、云計(jì)算等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的畜禽智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用氣體環(huán)境自動(dòng)采集裝置，智能控制裝置和視頻多媒體裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蛋雞養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)光、除異味、除灰塵和精準(zhǔn)控溫，實(shí)現(xiàn)蛋雞養(yǎng)殖場(chǎng)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)展示、信息預(yù)警和智能控制，達(dá)到精細(xì)化養(yǎng)殖、智能化管理[2]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用閉環(huán)控制的畜禽環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)由畜禽舍多點(diǎn)氣體信息自動(dòng)采集裝置系統(tǒng)、畜禽舍物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)以及應(yīng)用系統(tǒng)組成。應(yīng)用系統(tǒng)又可分為：蛋雞舍外圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑材料數(shù)據(jù)庫查詢系統(tǒng)、雞舍“[”型濕簾布置與均勻通風(fēng)技術(shù)、畜禽舍空氣電凈化自動(dòng)防疫機(jī)、雞舍燈光色調(diào)控制設(shè)備4部分。該閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫查詢將4個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)查詢出來，匯總到畜禽舍多點(diǎn)氣體信息自動(dòng)采集裝置系統(tǒng)中，最后再匯總至蛋雞舍物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)中，形成一個(gè)完整的閉環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)。此外數(shù)據(jù)庫查詢部分還可提供遠(yuǎn)程查詢服務(wù)，根據(jù)用戶的需求向其提供各種時(shí)間維度的報(bào)表、圖形顯示以及各種權(quán)限控制。

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 氣體環(huán)境自動(dòng)采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用負(fù)壓設(shè)計(jì)，可對(duì)進(jìn)氣的流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以檢查系統(tǒng)是否存在漏氣情況，并可將檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示。該系統(tǒng)具有6個(gè)通道，分別對(duì)舍內(nèi)的6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行氣體等環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，以滿足對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求。測(cè)試時(shí)，5個(gè)測(cè)點(diǎn)布置在舍內(nèi)，另外1個(gè)采樣點(diǎn)布置在舍外，其可以對(duì)舍外的氣體信息進(jìn)行采樣，形成對(duì)照組。并通過系統(tǒng)采樣泵將采樣點(diǎn)的氣體抽到采樣管中，調(diào)控電磁閥及系統(tǒng)管路的開關(guān)，將需要測(cè)試的氣體輸送到氣體分析儀器中。整個(gè)系統(tǒng)的部件全部采用特氟龍材料或者特氟龍覆膜材料，以防止金屬部件與氨氣產(chǎn)生反應(yīng)從而對(duì)部件造成損壞以及影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，氨氣易溶于水，而冬天在采樣管內(nèi)容易產(chǎn)生水汽冷凝，從而影響氨氣濃度測(cè)試的誤差以及冷凝水進(jìn)入分析儀損壞儀器。因此為了避免冷凝現(xiàn)象的發(fā)生，在采樣氣體進(jìn)入氣體分析儀器之前，系統(tǒng)會(huì)利用采樣器的加熱性能對(duì)氣體進(jìn)行加熱。

圖1：系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 智能控制系統(tǒng)

2.2.1 溫度控制模塊

蛋雞最適宜產(chǎn)蛋的溫度是15～22℃，超過25℃時(shí)便會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)激反應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)可以致雞死亡，一般每年6月下旬到9月上旬約3個(gè)月時(shí)間氣候炎熱，蛋雞會(huì)有不同程度的熱應(yīng)激，會(huì)對(duì)雞蛋產(chǎn)量造成嚴(yán)重影響[1][2]。當(dāng)氣溫升高，雞的采食量減少，腸道對(duì)鈣的吸收率降低，高溫使雞呼吸加快排出二氧化碳增多，使血液中碳酸濃度下降，導(dǎo)致蛋殼變薄，因此雞舍要采取冬季保溫、夏季降溫的措施。

溫度控制分為夏季模式和冬季模式，通過在不同模式下所需的不同溫度條件，系統(tǒng)進(jìn)行智能學(xué)習(xí)，自主建立一套控制模型，實(shí)現(xiàn)智能化控制。

夏季模式：空氣溫度傳感器實(shí)時(shí)采集上傳雞舍內(nèi)空氣溫濕度參數(shù)，當(dāng)溫度高于規(guī)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)指示智能控溫模塊依次打開雞舍兩側(cè)的通風(fēng)窗，通過控制通風(fēng)窗開啟幅度，來控制室內(nèi)的溫濕度。

如果氣溫仍然上升，通風(fēng)窗全部打開仍然不能降低雞舍內(nèi)溫度，系統(tǒng)會(huì)指示智能控溫模塊，開啟1-2臺(tái)風(fēng)機(jī)，同時(shí)亦能通過控制變頻模塊來控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到降溫效果。

若溫度繼續(xù)攀高，系統(tǒng)將順次增加風(fēng)機(jī)開啟數(shù)量，同時(shí)開啟水幕通風(fēng)口，通過控制水幕通風(fēng)口水閘閥門開啟的大小，來控制冷空氣通氣量，實(shí)現(xiàn)降溫的目的；反之，溫度下降后，傳感器測(cè)量值降低，系統(tǒng)將指令發(fā)送給智能控溫模塊，依次關(guān)閉水幕、風(fēng)機(jī)、通風(fēng)窗等，通過閉環(huán)反饋指令，以達(dá)到智能控制雞舍內(nèi)溫度經(jīng)常保持在正常范圍內(nèi)的效果。

冬季模式：保溫的同時(shí)也不能忽略了通風(fēng)，因?yàn)殡u如果一直在一個(gè)密封的環(huán)境中，換氣量少、潮濕，雞舍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體，很有可能會(huì)誘發(fā)雞得慢性呼吸道病。所以在保溫的前提下，應(yīng)注意合理通風(fēng)。

當(dāng)冬季雞舍氣溫低于蛋雞正常生產(chǎn)溫度時(shí)，控溫系統(tǒng)通過智能控溫模塊來控制鍋爐電磁閥的開啟大小從而達(dá)到控制溫度的效果。同時(shí)還能根據(jù)二氧化碳、氨氣、硫化氫、PM2.5、PM10等傳感器上傳的傳感數(shù)據(jù)分析判斷，適時(shí)開啟排風(fēng)扇，增加空氣流通，保持空氣新鮮。智能溫控模塊如圖2所示。

2.2.2 光照控制模塊

蛋殼的主要成分是碳酸鈣，含量約占83～85%，蛋雞產(chǎn)蛋期每天攝入的鈣主要是滿足產(chǎn)蛋需要，一只雞每天約需鈣3～3.5克，攝入鈣過低過高都會(huì)影響蛋殼質(zhì)量，在機(jī)體內(nèi)鈣、磷的吸收總是協(xié)同的，所以適宜的含磷量可以促進(jìn)鈣的吸收[2][3]。在育雛、育成期鈣磷比例約在1.5～2.0時(shí)鈣磷的吸收利用率最高，而光照作用可使皮膚中的7～脫氫膽固醇轉(zhuǎn)變?yōu)榫S生素D，促進(jìn)鈣磷的吸收[5]。

下午雞舍內(nèi)光線強(qiáng)度低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)指示光照控制模塊打開補(bǔ)光燈進(jìn)行補(bǔ)光，到晚上要求雞休息，不需要補(bǔ)光時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)切斷補(bǔ)光燈電源。本系統(tǒng)可以控制補(bǔ)光燈打開時(shí)間、亮度百分比、運(yùn)行天數(shù)等，以便更加精細(xì)化、智能化的調(diào)節(jié)雞舍內(nèi)光照強(qiáng)度，來增加雞對(duì)鈣磷的吸收，以達(dá)到提高產(chǎn)蛋率的效果。

2.2.3 空氣清潔模塊

當(dāng)雞舍內(nèi)空氣中的二氧化碳、氨氣、硫化氫、PM2.5、PM10等濃度高于正常范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)指示空氣清潔模塊開啟高壓靜電場(chǎng)，進(jìn)行除塵除臭操作系統(tǒng)會(huì)控制風(fēng)機(jī)開啟，將有害氣體排送出去，直到空氣濃度達(dá)到正常范圍，該系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)停。在除塵除臭的同時(shí)該系統(tǒng)還會(huì)電離氧氣產(chǎn)生臭氧，因?yàn)槌粞蹙哂邢緶缇淖饔?，所以還可同時(shí)達(dá)到消毒防疫的效果。

圖2：溫度控制模塊

2.3 視頻多媒體系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的畜禽智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過球型攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)雞場(chǎng)內(nèi)部全方位的視頻監(jiān)控錄像，并將養(yǎng)雞場(chǎng)內(nèi)的溫度、濕度、有害氣體濃度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)在監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，定期存儲(chǔ)。用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)直接登錄管理系統(tǒng)對(duì)養(yǎng)雞場(chǎng)內(nèi)的情況進(jìn)行監(jiān)督和遙控。

通過在現(xiàn)場(chǎng)部署視頻監(jiān)控?cái)z像頭，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)畫面，還可以預(yù)約設(shè)置多個(gè)設(shè)備、多個(gè)預(yù)置點(diǎn)、多個(gè)時(shí)間點(diǎn)，進(jìn)行拍照保存，以方便記錄蛋雞的生長(zhǎng)過程，也利于提取素材做課題研究。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

由示范點(diǎn)的實(shí)際建設(shè)工作情況可知，整個(gè)的閉環(huán)智能感知操控體系，重點(diǎn)對(duì)雞舍內(nèi)蛋雞飼養(yǎng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括溫濕度、光照度、風(fēng)速、二氧化碳、氨氣、硫化氫、PM2.5、PM10等數(shù)據(jù)的收集，并通過智能控制模塊實(shí)時(shí)控制通風(fēng)口、風(fēng)機(jī)、水幕通風(fēng)口、高壓靜電場(chǎng)、鍋爐電磁閥、補(bǔ)光燈等設(shè)備。創(chuàng)建感知數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣質(zhì)量的自動(dòng)控制，以及蛋雞飼養(yǎng)繁殖的相關(guān)綜合信息推送。實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)展示、信息預(yù)警和智能控制，達(dá)到精細(xì)化養(yǎng)殖、智能化管理的目標(biāo)。同時(shí),加強(qiáng)場(chǎng)區(qū)安全防控，展示物聯(lián)網(wǎng)智能管理成果，打造物聯(lián)網(wǎng)智慧養(yǎng)殖示范基地。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)雞舍中各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)整，可達(dá)到對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)精細(xì)化養(yǎng)殖，智能化管理的目的。進(jìn)而保證畜禽的生長(zhǎng)發(fā)育，有效解決了當(dāng)前養(yǎng)殖業(yè)存在的疫病防控、環(huán)境污染、蛋品質(zhì)量等安全問題，從而帶動(dòng)當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)民增收。