基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生豬運(yùn)輸環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范毓升，楊正乘，施沁希

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息管理學(xué)院，江蘇 南京 210095)

0 引言

2022年中央一號(hào)文件指出大力推進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)鄉(xiāng)村的融合。我國(guó)當(dāng)今生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)，也已初步實(shí)現(xiàn)了智慧化、規(guī)?；B(yǎng)殖。但是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出省際和省內(nèi)的供給與需求在地域上不匹配的現(xiàn)象[1]，衍生出生豬運(yùn)輸這個(gè)生豬產(chǎn)業(yè)鏈上的重要一環(huán)。生豬運(yùn)輸是指運(yùn)輸活體豬，包括仔豬、種豬、出欄豬等的農(nóng)牧運(yùn)輸物流。生豬運(yùn)輸構(gòu)建了生豬產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)之間的系統(tǒng)銜接，向上對(duì)接生豬養(yǎng)殖端，向下溝通屠宰分銷，面向市場(chǎng)、消費(fèi)者。

然而在其運(yùn)輸過(guò)程中，豬所處的環(huán)境不可避免地與養(yǎng)殖環(huán)境發(fā)生了劇烈變化，引起生豬在運(yùn)輸過(guò)程中的應(yīng)激反應(yīng)。運(yùn)輸應(yīng)激會(huì)使豬肉的pH和系水力發(fā)生顯著變化，從而產(chǎn)生PSE肉，降低豬肉品質(zhì)[2]，同時(shí)也有可能導(dǎo)致生豬減重甚至死亡，還會(huì)損害動(dòng)物福利[3]。這些會(huì)影響生豬銷售價(jià)格，增大了生豬運(yùn)輸損耗成本，不利于生豬產(chǎn)業(yè)整體的可持續(xù)發(fā)展。在非洲豬瘟疫情常態(tài)化防控中，運(yùn)輸過(guò)程實(shí)現(xiàn)生物安全的監(jiān)控溯源是穩(wěn)定生豬供給和保證生豬價(jià)格平穩(wěn)的重要影響因素[4]。因此，如何有效地監(jiān)控并控制生豬運(yùn)輸過(guò)程中的環(huán)境，已成為以生豬運(yùn)輸為代表的農(nóng)牧物流中研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等一系列信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用和迅猛發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”與各行各業(yè)的深度融合，針對(duì)上述運(yùn)輸中環(huán)境引起的生豬應(yīng)激問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)生豬運(yùn)輸環(huán)境進(jìn)行了以下研究。1998年國(guó)外學(xué)者Geers等[5]首次提出對(duì)運(yùn)輸環(huán)境的在線監(jiān)測(cè)這一概念，利用遙感和無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)物疾病預(yù)防及控制，并檢測(cè)運(yùn)輸過(guò)程中的動(dòng)物福利。李煒恒等[6]將ARM控制器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于接收牲畜電子標(biāo)簽和體質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)生豬運(yùn)輸環(huán)境的監(jiān)控。

然而，目前對(duì)生豬運(yùn)輸過(guò)程的調(diào)節(jié)依然主要依靠監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警后的司機(jī)手動(dòng)調(diào)節(jié)或管理人員遠(yuǎn)程控制，缺乏及時(shí)性和專業(yè)性，還可能會(huì)影響駕駛員的注意力。因此，本文從先前研究基礎(chǔ)上提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取生豬在運(yùn)輸過(guò)程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并通過(guò)空調(diào)、風(fēng)機(jī)、濕簾等相關(guān)設(shè)備的自動(dòng)開關(guān)來(lái)控制運(yùn)輸環(huán)境，使運(yùn)輸環(huán)境保持適宜穩(wěn)定，以期減少生豬運(yùn)輸中的應(yīng)激損耗，提高動(dòng)物福利，為生豬運(yùn)輸管理智能化決策提供參考。

1 生豬運(yùn)輸控制系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 運(yùn)輸應(yīng)激環(huán)境因子分析

運(yùn)輸過(guò)程有極其復(fù)雜的應(yīng)激源，對(duì)于運(yùn)輸環(huán)境中影響生豬應(yīng)激以及豬肉品質(zhì)的因素，田寒友等[7]從運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間和溫度角度，研究了運(yùn)輸時(shí)間小于6 h，運(yùn)輸溫度為10～20 ℃，對(duì)防止生豬運(yùn)輸應(yīng)激及改善豬肉品質(zhì)有顯著性作用。Harmon等[8]對(duì)斷奶仔豬在運(yùn)輸車上不同位置和裝載密度下的死亡率的研究得出，季節(jié)和溫度對(duì)同一輛車上層和下層的豬應(yīng)激狀況并不相同，有顯著性差異。Zhao等[9]研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)輸?shù)竭_(dá)時(shí)的死亡率，會(huì)因生豬品種不同而受到影響，斷奶豬的死亡率往往高于育肥豬，更易受到運(yùn)輸環(huán)境影響發(fā)生應(yīng)激。同時(shí)溫度和相對(duì)濕度、二氧化碳、氨氣濃度等多種環(huán)境因素之間也存在耦合關(guān)系，共同作用危害生豬健康。此外，在運(yùn)輸過(guò)程中，養(yǎng)殖基地較為偏遠(yuǎn)，道路基礎(chǔ)設(shè)施不完善、流通性差，車輛顛簸、急剎，道路上的噪聲均是導(dǎo)致生豬運(yùn)輸中應(yīng)激的因素。

綜上所述，考慮到運(yùn)輸車輛的環(huán)境限制和成本控制以及其動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)，與養(yǎng)殖端的精細(xì)化智能環(huán)境控制系統(tǒng)相比需要縮小化和簡(jiǎn)約化，筆者查閱相關(guān)文獻(xiàn)綜合生豬適宜的環(huán)境參數(shù)考慮，選擇溫度、濕度、氨氣、二氧化碳濃度作為環(huán)境因子對(duì)其進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，減少生豬運(yùn)輸中的應(yīng)激。

1.2 生豬運(yùn)輸環(huán)境控制系統(tǒng)框架

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生豬運(yùn)輸環(huán)境控制系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層3個(gè)部分所組成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)輸車輛環(huán)境的智能控制和遠(yuǎn)距離管理[10]。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念如圖1所示。

圖1 生豬運(yùn)輸環(huán)境控制系統(tǒng)體系框架

感知層主要是由氣體傳感器、溫濕度傳感器、紅外攝像頭等感知智能化設(shè)備構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)收集運(yùn)輸生豬的環(huán)境信息，并用網(wǎng)絡(luò)層將信息傳輸?shù)絑igBee模塊，該模塊有低功率可休眠的優(yōu)點(diǎn)并可以實(shí)現(xiàn)短距離無(wú)線組網(wǎng)，經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)化后，傳遞到上位機(jī)系統(tǒng)。上位機(jī)系統(tǒng)通信采用的是基于TCP/IP協(xié)議中SOCKET套接字實(shí)現(xiàn)，并將運(yùn)輸車中的信息存儲(chǔ)在SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中；應(yīng)用層通過(guò)調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的信息，實(shí)現(xiàn)車輛環(huán)境異常狀況自動(dòng)蜂鳴報(bào)警功能、環(huán)境異常自動(dòng)調(diào)整功能、環(huán)境狀況管理查詢功能。其中，查詢功能的網(wǎng)頁(yè)版采用JSP方式開發(fā)的Web界面來(lái)顯示狀態(tài)，移動(dòng)版采用Android方式設(shè)計(jì)移動(dòng)手機(jī)App提供給管理人員使用。

2 環(huán)境控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 生豬運(yùn)輸環(huán)境控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的運(yùn)輸調(diào)節(jié)系統(tǒng)硬件包括微處理器模塊、傳感器模塊、通信模塊、控制模塊、電源模塊等部分。選用STM32F103單片機(jī)為微處理器，是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)搭載Cortex-M3內(nèi)核的主流MCU，集低功率、低電壓和豐富的外設(shè)于一身。STM32將傳感器所采集的運(yùn)輸車輛中溫度、濕度、有害氣體濃度等環(huán)境因子放大濾波處理及A/D轉(zhuǎn)換后匯集發(fā)送到ZigBee通信模塊，STM32同時(shí)可以通過(guò)控制是否開啟空調(diào)、風(fēng)機(jī)、濕簾等設(shè)備實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸環(huán)境調(diào)節(jié)。

生豬運(yùn)輸中的環(huán)境參數(shù)主要包括溫度、相對(duì)濕度、氨氣濃度和二氧化碳濃度等。選用SHT11溫濕度一體傳感器測(cè)量溫濕度，其特性為測(cè)溫精度為±0.4 ℃，測(cè)濕精度為±3%；測(cè)量氨氣選擇ME4-NH3，其量程0～200 ppm，分辨率0.1 ppm；測(cè)量二氧化碳選擇MG811，其量程0～10 000 ppm，分辨率1 ppm。

考慮到運(yùn)輸車輛在使用開始和結(jié)束之后，為了保證生物安全和衛(wèi)生環(huán)保需要經(jīng)過(guò)充分的消洗，筆者選擇在傳感器設(shè)備上增加的防碰撞外殼和耐腐蝕性保護(hù)套。在視頻監(jiān)控設(shè)備上選用FILR A615型紅外攝像頭，安裝在車廂前段，可以在運(yùn)輸過(guò)程中呈現(xiàn)出豬只熱圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)生豬體溫狀況的檢測(cè)。

2.2 生豬運(yùn)輸環(huán)境控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由采集端節(jié)點(diǎn)控制器和遠(yuǎn)程管理信息平臺(tái)所共同組成。實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)保存、分析、預(yù)警和自動(dòng)調(diào)整等功能。軟件與硬件之間的通信方式采用遠(yuǎn)程無(wú)線通信模塊，數(shù)據(jù)報(bào)文的格式為字符串。

根據(jù)程序設(shè)置的采集周期，來(lái)驅(qū)動(dòng)傳感器采集生豬運(yùn)輸車環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)微處理器STM32經(jīng)過(guò)初始化后，定時(shí)周期開始系統(tǒng)進(jìn)入低功率休眠模式。當(dāng)定時(shí)周期結(jié)束后，微處理器依次讀取各個(gè)傳感器的信息，經(jīng)過(guò)匯總、校對(duì)、存儲(chǔ)并處理后上傳到上位機(jī)系統(tǒng)，并將傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得的信息全部采用分布式儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以加快數(shù)據(jù)查詢速度和信息存儲(chǔ)容量。

信息平臺(tái)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取環(huán)境信息后，由于運(yùn)輸環(huán)境狀況復(fù)雜，傳感器的測(cè)量過(guò)程往往伴隨干擾，隨之產(chǎn)生的誤差是不可避免的，并且是多傳感器數(shù)據(jù)信息。本文采用賦權(quán)平均法對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合，簡(jiǎn)單且直觀，同時(shí)適用于波動(dòng)水平較小的運(yùn)輸環(huán)境數(shù)據(jù)處理。根據(jù)總均方誤差(MSE)最小的原則，對(duì)每個(gè)測(cè)量值賦權(quán)進(jìn)行調(diào)試，預(yù)測(cè)精度較高的傳感器數(shù)據(jù)賦以較大的權(quán)重，避免單一傳感器導(dǎo)致的局限性。隨后對(duì)超過(guò)閾值上下限的參數(shù)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)、空調(diào)等對(duì)應(yīng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，改善生豬運(yùn)輸環(huán)境。采集環(huán)境數(shù)據(jù)并反饋調(diào)節(jié)的程序流程，如圖2所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生豬運(yùn)輸環(huán)境控制系統(tǒng)，可以有效地對(duì)生豬運(yùn)輸過(guò)程中環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理和遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。根據(jù)提前設(shè)定好的環(huán)境參數(shù)對(duì)應(yīng)適宜的上下限進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，控制生豬運(yùn)輸車內(nèi)空調(diào)、風(fēng)機(jī)、濕簾等相關(guān)設(shè)備開關(guān)，使生豬可以在運(yùn)輸中處于較為適宜平穩(wěn)的環(huán)境。綜上，此系統(tǒng)可以減少運(yùn)輸過(guò)程中生豬應(yīng)激所引起的減重?fù)p耗甚至死亡的問(wèn)題，并保證了動(dòng)物福利。對(duì)于稟賦更高生物安全需求的農(nóng)牧物流企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)降本增效，同時(shí)有利于生豬產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展，有良好的市場(chǎng)應(yīng)用潛力。

圖2 采集環(huán)境數(shù)據(jù)并反饋調(diào)節(jié)的程序流程