基于物聯(lián)網(wǎng)的肉雞生產環(huán)境及體征監(jiān)控預警平臺的設計與應用

韋冰，趙光煜，陳長喜，張萬潮，吳凱

（天津農學院 計算機與信息工程學院，天津 300392）

隨著全球經濟快速發(fā)展，畜牧業(yè)也快速地發(fā)展起來，各國專家對畜禽生長環(huán)境的惡化問題都有了充分的認識和高度的重視[1]。經過研究發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)殖棟舍的惡劣環(huán)境會使其生產能力下降 10%以上。由此可以看出養(yǎng)殖棟舍的環(huán)境對于禽畜生長和經濟價值有著重要的影響。同時，研究發(fā)現(xiàn)，將禽畜養(yǎng)殖舍中的溫度、光照、濕度、氨氣和PM2.5等環(huán)境因素控制在一個相對合理的范圍，會大大減少禽畜的死亡率[2-4]。所以可對養(yǎng)殖棟舍中影響禽畜生長的關鍵環(huán)境因素進行綜合數(shù)據(jù)分析，通過調整相關環(huán)境因素變化，使養(yǎng)殖棟舍的養(yǎng)殖環(huán)境得到有力改善，從而有效減少畜禽的發(fā)病機率。同時，在設計環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時，需要考慮軟硬件的穩(wěn)定性、監(jiān)管準確性和經濟性，以降低企業(yè)的生產成本[5-7]。

綜上所述，該研究以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎，依托國家肉雞產業(yè)技術體系智能化養(yǎng)殖崗位科學家項目和天津市科技局互聯(lián)網(wǎng)融合創(chuàng)新重大專項項目，結合行業(yè)標準，設計了肉雞生產環(huán)境及體征監(jiān)控預警平臺。該平臺包括肉雞監(jiān)測網(wǎng)站平臺和生產主體系統(tǒng)，其中網(wǎng)站平臺用于原始監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取和分發(fā)、生產主體注冊和GIS展示、資料下載、成功案例展示和相關信息發(fā)布等；生產主體系統(tǒng)用于基本信息維護、養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)維護、實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、視頻監(jiān)控、監(jiān)控預警和環(huán)境調控實現(xiàn)等。實踐表明，該平臺能夠實現(xiàn)肉雞生產環(huán)境中溫度、濕度、光照、氨氣和視頻等參數(shù)采集、分析、預警和相關控制，有利于促進肉雞生產安全、降低管理成本、提升管理效率。

1 系統(tǒng)分析

生產主體管理員需要先添加基本信息，包括崗位、人員和設備信息，并設定好環(huán)境參數(shù)閾值。工程人員需要將相應的環(huán)境監(jiān)測設備和視頻設備安裝調試完畢。平臺管理員需要將環(huán)境監(jiān)測設備添加進入云端MQTT服務系統(tǒng)。原始監(jiān)控數(shù)據(jù)首先經由傳感器通過網(wǎng)絡上傳至MQTT云服務器，然后平臺通過相關協(xié)議將云端數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜胤掌髌脚_數(shù)據(jù)庫，最后將平臺數(shù)據(jù)庫里的監(jiān)控數(shù)據(jù)分發(fā)到各生產主體數(shù)據(jù)庫。生產主體系統(tǒng)根據(jù)設定的閾值判斷數(shù)據(jù)是否需要預警，如有溫度預警，生產主體管理員可通過系統(tǒng)控制風扇對養(yǎng)殖棟舍進行溫度調控。

2 總體設計

2.1 技術框架規(guī)范

肉雞生產環(huán)境及體征監(jiān)控預警平臺開發(fā)采用C#.NET與ASP.NET在Microsoft的“.NET”技術框架下進行開發(fā)。后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用Microsoft SQL Server 2008R2數(shù)據(jù)庫平臺。設計過程中，采用了模塊化開發(fā)思想，降低了各模塊的耦合性。平臺基于用戶名與密碼實現(xiàn)安全認證（密碼采用MD5技術進行加密），賦予不同的用戶角色不同的權限[8]。

肉雞生產環(huán)境及體征監(jiān)控預警平臺架構采用B/S架構模式，該架構下各用戶的增、刪、查、改等操作直接應用于遠程數(shù)據(jù)庫。

2.2 平臺組成

肉雞生產環(huán)境及體征監(jiān)控預警平臺包括一個用于生產主體系統(tǒng)用戶登錄、技術服務、生產主體GIS展示、信息發(fā)布和設備添加云端服務等模塊的網(wǎng)站平臺和生產主體管理系統(tǒng)，生產主體管理系統(tǒng)包括肉雞生產環(huán)境基礎數(shù)據(jù)管理、環(huán)境設備管理、視頻設備管理、監(jiān)測參數(shù)管理、實時監(jiān)控管理和系統(tǒng)控制面板等模塊。如圖1所示。

圖1 肉雞生產環(huán)境及體征監(jiān)控預警平臺組成

3 關鍵技術

3.1 GIS技術

該平臺利用現(xiàn)有成熟的GIS技術和Microsoft SQL Sever 2008 R2數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了對國家肉雞產業(yè)技術體系二十余個相關試驗站的位置標記展示、官網(wǎng)鏈接和生產主體管理系統(tǒng)跳轉的功能。查看時可以根據(jù)所屬省份進行下拉查詢。核心代碼如下。

3.2 傳感網(wǎng)技術

傳感網(wǎng)技術是一種跨學科技術，傳感網(wǎng)由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡。它能夠根據(jù)研究人員需求實時地感知、檢測和采集該檢測區(qū)域內感知對象的各種信息，并對這些信息進行處理，然后通過相關協(xié)議以有線或無線方式發(fā)送給特定的設備[8-14]。

本平臺根據(jù)實際走訪，明確了產品需求，需要實時采集養(yǎng)殖場地的溫度、濕度、光照、氨氣、PM1.0、PM2.5、PM10和 TSP等環(huán)境參數(shù)，以實現(xiàn)養(yǎng)殖棟舍實時環(huán)境監(jiān)測，并實現(xiàn)環(huán)境智能調控。在設計的過程中，考慮到設備運行環(huán)境在養(yǎng)殖場地都位于偏遠郊區(qū)，但因為有人員居住，具備廣電網(wǎng)絡環(huán)境。養(yǎng)殖棟舍雖然有墻壁遮擋，但場地內比較空曠，設備間距離也比較遠，不方便使用有線通訊方式等。通過多種數(shù)據(jù)采集方案對比，最終確定了基于NB-IoT通訊的無線通訊方案。該通訊方式不受地域限制，只要有廣電網(wǎng)絡覆蓋就可以在任何有互聯(lián)網(wǎng)的地方實時接收到環(huán)境數(shù)據(jù)。初步明確了設備軟硬件實現(xiàn)方案和基本功能需求，明確裝置需集成RTC時鐘、數(shù)據(jù)存儲、支持多傳感器接入及NB-IoT無線通訊等基本功能。部署傳感器時，每個雞舍都放置這幾種傳感器，每隔10 min（時間可自由設定）采集一次數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳送到服務器后，經過應用軟件處理后保存到數(shù)據(jù)庫，并以曲線圖的形式在前臺監(jiān)控系統(tǒng)顯示雞舍的環(huán)境狀況，環(huán)境監(jiān)測和終端控制頁面如圖2所示。

圖2 環(huán)境監(jiān)控頁面

生產主體數(shù)據(jù)庫每收到一個監(jiān)測數(shù)據(jù)即與預先設定的對應環(huán)境參數(shù)的閾值進行比對，當監(jiān)控數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，監(jiān)控系統(tǒng)以彈窗的形式發(fā)出報警信號通知監(jiān)控人員。監(jiān)控人員通過平臺可以遠程對養(yǎng)殖棟舍風扇進行開啟和關閉，實現(xiàn)對養(yǎng)殖環(huán)境的實時智能調控。閾值設定和調控頁面如圖3所示。環(huán)境參數(shù)的閾值由生產主體提供，可以根據(jù)季節(jié)變化進行實時調整。

圖3 監(jiān)控閾值和實時調控頁面

3.3 視頻監(jiān)控技術

視頻監(jiān)控技術已進入以智能視頻攝像頭為主的智能應用時期，視頻監(jiān)控主要是通過智能化的識別工具對視頻圖像進行分析，并將信息轉換成對用戶有價值的數(shù)據(jù)[15]。視頻監(jiān)控技術是畜禽智能化養(yǎng)殖的重要組成部分，成熟的視頻監(jiān)控方案實施可以在很大程度上節(jié)省養(yǎng)殖人員巡檢時間，節(jié)約養(yǎng)殖場巡檢成本。該平臺目前在實際部署時，每個養(yǎng)殖棟舍安裝 6個攝像頭，分別在棟舍的 4個角和中間位置。采用web方式控制視頻監(jiān)控設備的插件和JavaScript接口程序，實現(xiàn)了基于.NET的動態(tài)頁面視頻監(jiān)控瀏覽和控制。Web監(jiān)控實現(xiàn)了對攝像頭變焦、旋轉等操作，對NVR實現(xiàn)了可回放等功能。視頻監(jiān)控管理頁面如圖4所示。

圖4 視頻監(jiān)控管理

4 平臺實現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)

4.1.1 數(shù)據(jù)庫

平臺數(shù)據(jù)庫設計采用多數(shù)據(jù)庫的方式。數(shù)據(jù)庫包括：網(wǎng)絡平臺數(shù)據(jù)庫和肉雞生產主體數(shù)據(jù)庫。其中，肉雞生產主體數(shù)據(jù)庫是肉雞生產主體生產活動時用到的數(shù)據(jù)庫，每個肉雞生產主體都有自己的數(shù)據(jù)庫，因其基本數(shù)據(jù)結構是相同的，故采用同一個數(shù)據(jù)庫模板[8]。

4.1.2 數(shù)據(jù)表

主要的肉雞生產主體數(shù)據(jù)庫表包括部門表、棟舍表、崗位表企業(yè)基本信息表、員工表、環(huán)境參數(shù)表、環(huán)境參數(shù)調控規(guī)則表、環(huán)境參數(shù)調控設備表、控制設備表、圈籠表、視頻設備表和系統(tǒng)日志表等在內的29個表。

網(wǎng)絡平臺數(shù)據(jù)庫表包括環(huán)境監(jiān)測原始記錄表、權限表、平臺角色表、一級菜單表、二級菜單表、設備表、企業(yè)表、平臺用戶表、新聞分類表和新聞表等在內的22個表。

4.1.3 存儲過程、觸發(fā)器與函數(shù)

為了提高運行效率，平臺均采用存儲過程來實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫表的增、刪、改和查等數(shù)據(jù)操作。企業(yè)數(shù)據(jù)庫生成、平臺數(shù)據(jù)庫和生產主體數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)同步和更新采用觸發(fā)器與函數(shù)來實現(xiàn)。

4.2 平臺實現(xiàn)

肉雞生產環(huán)境及體征監(jiān)控預警平臺主要具有幾個功能：①各系統(tǒng)登錄；②GIS展示；③各種信息如相關政策、市場動態(tài)、養(yǎng)殖技術（包括視頻）和成功案例發(fā)布；④生產主體注冊等。生產主體管理系統(tǒng)包括：系統(tǒng)首頁、基礎數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測參數(shù)管理、實時監(jiān)控管理和系統(tǒng)控制面板等。平臺首頁如圖5所示。

圖5 肉雞生產環(huán)境及體征監(jiān)控預警平臺主頁

其中，生產主體系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)管理包括部門管理、崗位管理、棟舍管理、安裝點位管理、設備管理和環(huán)境參數(shù)閾值管理等功能；實時監(jiān)控管理包括環(huán)境監(jiān)測和視頻監(jiān)測兩部分功能；控制面板包括企業(yè)基本信息、密碼修改和系統(tǒng)日志管理。

5 結果與討論

該平臺從實際出發(fā)，將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于肉雞生產環(huán)境及體征監(jiān)控預警方面，通過對傳感器網(wǎng)絡、自動控制、視頻監(jiān)控、GIS和HTML5等技術研究與應用，形成了一套集數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控預警、智能控制、GIS展示和信息發(fā)布為一體的肉雞生產環(huán)境及體征監(jiān)控預警解決方案。截至目前，應用的軟件平臺和硬件設備均運行良好，環(huán)境傳感器采集數(shù)據(jù)精確，穩(wěn)定性強，視頻監(jiān)控畫面清晰，基本滿足了企業(yè)相關需求，達到了預期效果。肉雞生產環(huán)境及體征監(jiān)控預警平臺已經在江蘇某養(yǎng)殖公司初步應用，該公司共有40余棟雞舍，常年存欄地方特色蛋、肉雞種雞等12萬余套。該公司現(xiàn)為農業(yè)農村部蛋雞標準化示范場、肉雞產業(yè)技術體系綜合試驗站和江蘇農村科技服務超市總店家禽產業(yè)示范基地。自2020年上半年至今，新冠肺炎疫情對全球畜禽養(yǎng)殖企業(yè)影響深遠，傳統(tǒng)的人工養(yǎng)殖方式正在經歷嚴峻的考驗。該公司養(yǎng)殖模式為籠養(yǎng)模式，通過應用肉雞生產環(huán)境及體征監(jiān)控預警平臺，公司對部分養(yǎng)殖棟舍進行了智能化改造，安裝了環(huán)境監(jiān)測設備24臺、遠程總控設備4臺、環(huán)境調控設備16臺和視頻監(jiān)控設備24臺，實現(xiàn)了養(yǎng)殖棟舍的溫度、濕度、光照、氨氣、PM1.0、PM2.0、PM2.5和TSP等環(huán)境數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、預警和環(huán)境調控功能，視頻監(jiān)控方面實現(xiàn)了養(yǎng)殖棟舍關鍵部位的實時監(jiān)控。提高了養(yǎng)殖棟舍的信息化水平和管理效率，節(jié)省了人力成本，很大程度上提高了企業(yè)的生產效率。

在平臺實現(xiàn)和應用過程中，研究發(fā)現(xiàn)平臺在養(yǎng)殖環(huán)境智能控制、死雞自動識別和抓取以及推廣應用方面還有一些問題需要完善和解決[16-18]。其中，在養(yǎng)殖環(huán)境智能控制方面，平臺實現(xiàn)了風扇自動控制，可以調節(jié)養(yǎng)殖舍的溫度。但在濕度調節(jié)方面，尚未實現(xiàn)水簾智能控制；在視頻識別方面，尚未實現(xiàn)養(yǎng)殖過程中死雞自動識別和抓取，平臺下一步應加大死雞識別和抓取技術研發(fā)；在平臺推廣上，可以考慮將生產環(huán)境及體征監(jiān)控預警技術應用到其他畜禽養(yǎng)殖領域，如奶牛、肉羊或特種動物養(yǎng)殖等。