基于Zigbee+RFID技術(shù)的生豬養(yǎng)殖智慧系統(tǒng)

田豐，黃星雨，余治遠(yuǎn)，向雯嵐

（貴州商學(xué)院，貴州貴陽，550025）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技的急速進(jìn)步，諸如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之類的新興技術(shù)逐漸走進(jìn)大眾的生活，滲透進(jìn)生活的方方面面。我國是世界上最大的豬肉生產(chǎn)國和消費(fèi)國，豬肉產(chǎn)量近十年來穩(wěn)居全球首位，但全國一半以上的生豬生產(chǎn)還是由小規(guī)模養(yǎng)殖戶承擔(dān)。小規(guī)模養(yǎng)殖存在生產(chǎn)效率低、飼養(yǎng)技術(shù)缺乏、基礎(chǔ)設(shè)施不完善、疫病和環(huán)境意識薄弱等問題。隨著養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式明顯不能滿足養(yǎng)殖場的管理需要[1]。而規(guī)?；B(yǎng)殖場也面臨人工成本高、污染處理成本高、疫病防控難度大等問題。做好豬圈環(huán)境監(jiān)測，智能化監(jiān)控生豬生長情況對于生豬養(yǎng)殖有重要作用。若能將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)生豬養(yǎng)殖技術(shù)相結(jié)合，推動養(yǎng)殖業(yè)走向現(xiàn)代化、信息化，必能大幅度提高養(yǎng)殖場的管理效率[2]。

1 無線傳感技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)主要分為長距離通信技術(shù)和短距離通信技術(shù)，一類是WIFI、Zigbee、藍(lán)牙等短距離通信技術(shù)；另一類是LoRa、NBIOT等長距離通信技術(shù)。它們或基于傳輸速率、傳輸距離和功耗等特殊要求，或具有良好的可擴(kuò)展性，各有千秋[3]。結(jié)合大面積布網(wǎng)、成本控制、使用壽命等條件，發(fā)現(xiàn)Zigbee可以滿足大面積的組網(wǎng)要求并且成本低、使用壽命比較長。為了更好的監(jiān)視每一頭生豬的成長情況，本系統(tǒng)引入RFID技術(shù)。采用RFID電子耳標(biāo)，可自動識別生豬信息，識別過程無需人工干預(yù)，且可以工作在各種惡劣環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地采集和處理信息的工作。

2 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)

Zigbee技術(shù)集穩(wěn)定性強(qiáng)、組網(wǎng)靈活、易于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)展等眾多優(yōu)點(diǎn)于一身，為了減少不必要的人力資源浪費(fèi)以及為了解決人工難以實(shí)時(shí)監(jiān)控的問題，本文設(shè)計(jì)了基于Zigbee+RFID技術(shù)的生豬養(yǎng)殖智慧系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動投食、豬舍溫濕度監(jiān)測和定時(shí)消毒，以及提醒工作人員及時(shí)清理豬舍等多種功能。同時(shí)為每一頭豬安裝一個電子標(biāo)簽，用于辨認(rèn)每頭豬，同時(shí)該標(biāo)簽具有體溫檢測功能，與體重測量系統(tǒng)聯(lián)合，用于記錄和監(jiān)測每一只豬的生長情況?；赯igbee+RFID技術(shù)的生豬養(yǎng)殖智慧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 基于Zigbee+RFID技術(shù)的生豬養(yǎng)殖智慧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 基于Zigbee+RFID技術(shù)的生豬養(yǎng)殖智慧系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

生豬養(yǎng)殖智慧系統(tǒng)主要是建立在Zigbee和RFID的無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，利用壓力傳感器、溫度傳感器檢測生豬生長情況和簡單的健康情況，利用溫濕度傳感器、氨氣傳感器檢測豬圈環(huán)境，然后通過儲存和決策系統(tǒng)進(jìn)行分析管理，大大降低人工成本，提高管理效率?；赯igbee+RFID技術(shù)的生豬養(yǎng)殖智慧系統(tǒng)主要包括生豬生長監(jiān)控、豬圈環(huán)境監(jiān)控兩大子系統(tǒng)。

■3.1 生豬生長監(jiān)控系統(tǒng)

養(yǎng)殖場中的生豬數(shù)量多，若少數(shù)生豬的生長情況出現(xiàn)狀況，對于傳統(tǒng)養(yǎng)殖的養(yǎng)殖戶而言難以在短期內(nèi)發(fā)現(xiàn)，且如果是傳染性癥狀，一旦沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，對于養(yǎng)殖戶的損失是巨大的。本文設(shè)計(jì)的智慧生豬生長監(jiān)控系統(tǒng)主要包括生豬的體重采集、體溫采集、數(shù)據(jù)傳輸和處理、報(bào)警的功能。其中，生豬生長監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖 2 所示。

圖2 基于Zigbee+RFID技術(shù)的生豬養(yǎng)殖智慧系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

3.1.1 RFID溫度檢測標(biāo)簽

RFID溫度檢測標(biāo)簽實(shí)時(shí)檢測其標(biāo)識的生豬的體溫，作為生豬基本健康狀況的判斷依據(jù)。RFID閱讀器將RFID標(biāo)簽采集到的體溫?cái)?shù)據(jù)手機(jī)并上傳至存儲與決策系統(tǒng)進(jìn)行分析，如果發(fā)現(xiàn)體溫異常，蜂鳴器立即啟動報(bào)警，養(yǎng)殖戶可通過標(biāo)簽編號快速尋找到疑似病豬，進(jìn)行醫(yī)學(xué)檢測，保障生豬的健康。

3.1.2 體重監(jiān)測模塊

體重監(jiān)測模塊利用壓力傳感器檢測每頭生豬體重，以此來檢驗(yàn)生豬的生長狀況。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將壓力傳感器安裝于生豬的食槽前，每當(dāng)生豬進(jìn)食時(shí)，就可檢測生豬的體重，結(jié)合生豬所佩戴的RFID耳標(biāo)，能夠準(zhǔn)確得到每頭生豬的體重?cái)?shù)據(jù)。Zigbee體重檢測結(jié)點(diǎn)檢測可以收集生豬體重，并結(jié)合RFID標(biāo)簽確定生豬身份；Zigbee節(jié)點(diǎn)板將采集到的體重信息轉(zhuǎn)發(fā)給Zigbee匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)傳輸給儲存與決策系統(tǒng)，儲存與決策系統(tǒng)會根據(jù)以往體重信息進(jìn)行分析，挑選出體重異常的疑似對象并進(jìn)行報(bào)告。

3.1.3 定時(shí)投喂模塊

在傳統(tǒng)生豬養(yǎng)殖業(yè)中，生豬的喂養(yǎng)需要很大一部分人工，這對養(yǎng)殖戶而言是很大一筆成本開銷。本文所設(shè)計(jì)的智慧生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)中，設(shè)置了定時(shí)投食模塊。利用定時(shí)器，根據(jù)生豬的喂養(yǎng)要求，在固定的時(shí)刻系統(tǒng)自動為生豬分配食物。一方面，大大節(jié)省了人力成本；另一方面，實(shí)現(xiàn)了生豬的精準(zhǔn)喂養(yǎng)。結(jié)合上述的體重監(jiān)測模塊，可以動態(tài)的、智能化的調(diào)控生豬的喂養(yǎng)方案，可以提升生豬的生長質(zhì)量。

■3.2 豬圈環(huán)境監(jiān)控

豬圈是生豬生長的主要環(huán)境，豬圈的環(huán)境衛(wèi)生情況對生豬的健康情況有著重要的影響。生豬都是直接在豬圈中排泄的，如果不及時(shí)清理，不僅會使豬圈產(chǎn)生刺鼻的異味，而且糞便容易招惹蒼蠅、滋生細(xì)菌，極大地威脅生豬的生長健康。同時(shí)，數(shù)量巨大的生豬聚集在一起所產(chǎn)生的熱量也是非常大的，這就需要及時(shí)通風(fēng)，以保證豬舍環(huán)境溫度的適宜。為了及時(shí)解決上述問題，避免養(yǎng)殖戶因這些問題沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決，造成生豬的不健康，經(jīng)濟(jì)有無法挽回的損失。本系統(tǒng)在該模塊采用溫濕度傳感器和氨氣傳感器，前者用于檢測豬舍的環(huán)境溫度和濕度，后者檢測豬舍的環(huán)境中的氨氣濃度。豬圈環(huán)境監(jiān)控的Zigbee節(jié)點(diǎn)板檢測豬圈中的氨氣濃度和溫濕度，豬圈環(huán)境監(jiān)控的Zigbee匯聚節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸給決策系統(tǒng)，結(jié)合系統(tǒng)中提前設(shè)定的閾值，如果決策系統(tǒng)判斷豬圈中氨氣濃度過高，將會立即通知養(yǎng)殖戶及時(shí)清理；若溫度過高，會打開通風(fēng)系統(tǒng)，進(jìn)行通風(fēng)降溫，保證生豬生長環(huán)境的舒適。

■3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于Zigbee+RFID技術(shù)的生豬養(yǎng)殖智慧系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)對生豬生長環(huán)境和生豬健康的是實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)生豬養(yǎng)殖的智能化、高效率，提升生豬的質(zhì)量。采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，通過該系統(tǒng)可以較為精確的了解生豬的生存環(huán)境現(xiàn)狀和生豬此時(shí)的健康狀況，一旦發(fā)現(xiàn)某項(xiàng)數(shù)據(jù)超過或低于閾值，則本系統(tǒng)會及時(shí)報(bào)警，提醒工作人員立即處理。本系統(tǒng)的具體工作流程如圖3所示。

圖3 基于Zigbee+RFID技術(shù)的生豬養(yǎng)殖智慧系統(tǒng)軟件流程圖

4 系統(tǒng)測試和結(jié)果分析

考慮到現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)工作中豬圈環(huán)境的不確定性，故在養(yǎng)殖場中，隨機(jī)抽取四個豬圈作為采集點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)模擬測試。采集點(diǎn)的測試時(shí)間間隔為15分鐘，某次檢測結(jié)果如表1所示。

表1 某次四個采集點(diǎn)檢測結(jié)果

從以上四個采集點(diǎn)的檢測結(jié)果可以看出，采樣點(diǎn)2中發(fā)現(xiàn)生豬健康疑似出現(xiàn)問題，故提醒工作人員及時(shí)對對應(yīng)生豬進(jìn)行醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)；采樣點(diǎn)3的環(huán)境溫度超過預(yù)設(shè)溫度，故通風(fēng)系統(tǒng)工作加強(qiáng)；采樣點(diǎn)4的氨氣濃度大于報(bào)警氨氣濃度，故報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行提醒豬舍需要清理。

5 結(jié)語

本文將Zigbee技術(shù)和RFID技術(shù)相結(jié)合，組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對生豬健康的實(shí)時(shí)監(jiān)測、豬圈環(huán)境信息的采集、接收、存儲、分析和顯示，并做出對應(yīng)的措施。充分利用了Zigbee技術(shù)的組網(wǎng)簡單和節(jié)點(diǎn)板的可定制性的優(yōu)點(diǎn)，以及RFID體積小、抗污染能力和耐久性好的能力，實(shí)現(xiàn)了對生豬生長的實(shí)時(shí)監(jiān)控和良好生長環(huán)境的保障。將傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對生豬生長的24小時(shí)不間斷監(jiān)測，在節(jié)省人力成本的基礎(chǔ)上，最大程度的保證生豬的優(yōu)質(zhì)質(zhì)量和養(yǎng)殖戶的最大化利益。