基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化飼草倉儲系統(tǒng)設(shè)計

周宇金　李國浩　劉雙雙　高建宏　溫建森　王冬青

摘要：近年來，我國畜牧業(yè)養(yǎng)殖量不斷增加，對飼草的需求量也越來越大，但飼草的管理方式落后，制約了畜牧業(yè)的進一步發(fā)展。粗放式的存儲管理，導(dǎo)致飼草營養(yǎng)流失，品級下降，造成了經(jīng)濟損失。針對以上問題，文章基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化技術(shù)設(shè)計開發(fā)了飼草倉儲管理系統(tǒng)，實時監(jiān)測飼草倉儲環(huán)境信息，優(yōu)化管理流程，實現(xiàn)飼草精細(xì)化管理，提升優(yōu)質(zhì)飼草的利用率，并擺脫了國內(nèi)飼草管理監(jiān)測系統(tǒng)功能較為單一、缺乏科學(xué)性預(yù)測與指導(dǎo)等弊端。同時將該系統(tǒng)應(yīng)用于內(nèi)蒙古牧草貯藏地區(qū)，對其進行針對性的具體觀測實驗，為牧戶提供牧草倉庫貯藏的科學(xué)有效方案。

關(guān)鍵詞：飼草；貯藏；物聯(lián)網(wǎng)；Arduino UNO單片機

中圖分類號：TP31文獻標(biāo)志碼：A0引言隨著草食家畜養(yǎng)殖量的逐年增長，飼草進口量持續(xù)增大。據(jù)不完全統(tǒng)計，當(dāng)前國內(nèi)市場每年的優(yōu)質(zhì)苜蓿干草進口需求量在100萬噸以上，隨著畜牧業(yè)質(zhì)量要求的提升，高品質(zhì)苜蓿產(chǎn)業(yè)的市場需求仍在繼續(xù)擴大［1］。但與此同時，內(nèi)蒙古自治區(qū)作為我國最重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地，由于自然災(zāi)害頻發(fā)，限制了當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)的進一步發(fā)展［2］。建立飼草儲備是發(fā)展畜牧業(yè)的根本舉措。而在飼草的儲備過程中，飼草的營養(yǎng)成分會隨著時間下降，貯藏時間越長，草捆營養(yǎng)價值越低，當(dāng)貯藏時間達到12個月時，草捆營養(yǎng)價值降至最低［3］。延緩飼草營養(yǎng)的流失需要良好適宜的貯藏環(huán)境，因此飼草儲備的前提是科學(xué)存儲，如何能夠更好地為飼草提供適宜環(huán)境是當(dāng)下最為重要的課題。

1研究背景我國目前飼草貯藏的方式簡單，管理粗放，無法適應(yīng)當(dāng)前畜牧業(yè)的發(fā)展。首先是貯藏條件簡陋，無法給飼草提供適宜的存儲環(huán)境，極易導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)飼草營養(yǎng)流失、品質(zhì)下降。

其次是飼草管理方式粗放。表現(xiàn)為飼草入庫后缺乏及時的品質(zhì)監(jiān)測管理，導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)飼草因長時間的貯存而變質(zhì)，造成一定的經(jīng)濟損失以及飼草在貯藏過程中沒有精準(zhǔn)掌控飼草貯藏狀態(tài)，其無法精準(zhǔn)檢測的另一個原因是投入成本過高。

為解決以上問題，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)低成本的環(huán)境監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)倉儲環(huán)境、調(diào)整出入庫順序，實現(xiàn)飼草資源的最大化利用。

2系統(tǒng)總體設(shè)計針對飼草貯藏，本文基于Arduino UNO開發(fā)板設(shè)計開發(fā)飼草倉儲的監(jiān)控系統(tǒng)，反饋檢測數(shù)據(jù)，服務(wù)器端利用Hadoop計算框架對數(shù)據(jù)進行處理，預(yù)測飼草品質(zhì)變化，設(shè)計App端反饋預(yù)警信息等，精細(xì)管理飼草存儲，實現(xiàn)飼草的最佳利用，減少因貯藏不當(dāng)帶來的經(jīng)濟損失。

2.1硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)備使用Arduino UNO開發(fā)板搭載Esp8266 WiFi模塊與DHT11溫濕度傳感器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，通過MQTT服務(wù)將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)流程如圖1所示。首先將DHT11溫濕度傳感器與搭載Esp8266 WiFi模塊的Arduino UNO開發(fā)板進行連接，連接完成后，DHT11溫濕度傳感器開始實時采集倉儲內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)，并利用Esp8266 WiFi模塊將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過MQTT傳輸協(xié)議發(fā)布到服務(wù)器上。數(shù)據(jù)保存方面使用Nodejs訂閱獲取MQTT發(fā)布的信息，將Json格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存入數(shù)據(jù)庫，獲取并轉(zhuǎn)換。

2.2軟件設(shè)計針對飼草實時性管理，本文基于模塊化思想開發(fā)飼草管理App，有利于系統(tǒng)的維護和升級。軟件功能如圖2所示，當(dāng)下位機上電后即可開始數(shù)據(jù)采集并向上位機發(fā)布攜帶牧草環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)的MQTT消息，為現(xiàn)場監(jiān)測C/S平臺提供數(shù)據(jù)來源，其中現(xiàn)場監(jiān)測C/S平臺使用Android Studio集成開發(fā)工具和SQL數(shù)據(jù)庫管理軟件進行編寫?，F(xiàn)場機控制充當(dāng)子Server角色，管理倉庫。遠(yuǎn)程阿里云服務(wù)器作為總機Server進行信息管理，使用快照功能定時自動備份數(shù)據(jù)庫［4］。

2.3數(shù)據(jù)計算與分析運用服務(wù)器將硬件端傳過來的數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫中再由Hadoop計算框架從數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)，運用MapReduce進行計算，再將數(shù)據(jù)保存回數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)邊緣計算。通過分析RFV的變化曲線，做出及時預(yù)警。計算公式如式（1）所示［4］。

RFV =－11.358 3－7.132 2×x+5.153 8×x+0.180 0×x×x－0.154 0×x×x－0.056 1×x×x（1）

式（1）中x為溫度，x為濕度。

3飼草貯藏實驗空氣的溫濕度是飼草貯藏過程中最重要的影響因素，為延緩飼草營養(yǎng)價值流失，需對飼草貯藏環(huán)境的溫濕度進行控制。為使環(huán)境溫濕度的值接近于飼草自身溫濕度值，需以堆放飼草的倉庫進行實驗，確定貯藏環(huán)境中傳感器的最佳擺放位置和數(shù)量。

3.1實驗設(shè)計實驗對象為內(nèi)蒙古地區(qū)某個牧戶家庭的飼草倉庫，面積為100m2，存放內(nèi)容主要以普通飼草為主。實驗從飼草入庫一個月后開始，進行一周的實驗，根據(jù)飼草在倉庫中堆放的位置，將溫濕度傳感器均勻安置在倉庫的空間中，進行溫濕度的采集。

實驗設(shè)置目標(biāo)組與實驗組，目標(biāo)組是將傳感器安置在堆放飼草的中心，如圖3標(biāo)志點A所示，而實驗組是將傳感器安置在倉庫的不同位置，如圖3 標(biāo)志點1～12所示，對這兩組進行溫濕度采集實驗，每日采集上午9：00至晚上9：00回傳的溫度和濕度，同時將這個時間段的溫濕度數(shù)據(jù)取平均值記為當(dāng)天的平均溫濕度數(shù)據(jù)。貯藏一周后計算實驗組與目標(biāo)組的平均溫濕度，以及計算實驗組的12個點與中心溫濕度的偏差，并對這12個點進行組合排列，通過比對偏差值找到傳感器的最佳擺放位置與數(shù)量。

3.2結(jié)果與分析貯藏一周后，實驗組的12個點與目標(biāo)組的溫濕度的偏差的結(jié)果如表1所示，可以明顯看出12個點與目標(biāo)組的偏差大小，其中傳感器點1的偏差值更小。

同時對12個點進行兩兩為一組的組合排列，并計算每一個組合與目標(biāo)組的偏差大小，計算方法為：計算7天兩個點的平均溫度和濕度，并將中心溫度和濕度的數(shù)值做差，將溫度和濕度的差進行相加記為總偏差值。一共有66組，組合偏差值低于5的組合如表2所示，可見點1和點4的組合偏差更小。

同時從表2中可以看出包含點1、點4、點5的組合偏差值更低且小于1，再對這3個點進行3個為一組的排列組合，計算方法與兩兩組合的方法相同，組合總偏差值如表3所示。

由以上實驗比對偏差值大小可知，偏差值越小越接近中心貯藏環(huán)境，因此貯藏環(huán)境中傳感器的最佳擺放位置是在1、4處分別安置傳感器，對點1和點4的組合RFV值可按式（1）計算［5］。

計算得出的RFV值為277.181，與中心點的RFV值偏差為3.169 75，同時計算得出的RFV值與對照中心點的RFV值處于同一個等級標(biāo)準(zhǔn)，如表4所示，因此該偏差合理?？梢源_定當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)400 m2倉庫中，溫濕度監(jiān)測傳感器的最佳監(jiān)測位置在1，4位置。

4結(jié)語本文開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化飼草倉儲系統(tǒng)，用來優(yōu)化資源配置、降低運營成本、提高綜合管理能力、提升管理效率；完成牧草的收購、存儲、出入庫管理、貯藏環(huán)境與運輸環(huán)境的精準(zhǔn)控制，實現(xiàn)了牧草倉儲服務(wù)的信息化。本文采用Arduino UNO開發(fā)板作為控制芯片，對飼草的存儲環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，提供飼草管理和貯藏的精確計算方案，提供App使用戶實時查看倉儲信息和飼草的營養(yǎng)價值變化趨勢，以及在飼草營養(yǎng)等級即將下降時給予用戶及時的預(yù)警提示，同時通過飼草貯藏模擬實驗確定了貯藏環(huán)境中傳感器的最佳擺放位置和數(shù)量，及時把控溫濕度的變化，并切實做到飼草保存時間的延長，達到飼草的高效利用。

本文通過對大量數(shù)據(jù)的分析，及時準(zhǔn)確地反饋牧草品質(zhì)，使牧草倉儲管理具備了決策自動化的特征。同時對倉儲環(huán)境信息進行大數(shù)據(jù)處理與整合，實現(xiàn)政府、企業(yè)和社會三者之間的資源互通。

參考文獻

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（編輯 李春燕）

Design of digitalize forage storage system based on Internet of ThingsZhou? Yujin， Li? Guohao， Liu? Shuangshuang， Gao? Jianhong， Wen? Jiansen， Wang? Dongqing*

（School of computer and information engineering， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot 010000， China）Abstract： In recent years， the amount of animal husbandry in China has been increasing， and the demand for forage is increasing. However， the backward management of forage has restricted the further development of animal husbandry. The extensive storage management has led to the loss of Forage Nutrition， the decline of forage grade and the economic loss. In view of the above problems， the article has designed and developed a forage storage management system based on the digital technology of the Internet of Things， which monitors the forage storage environment information in real time， optimizes the management process， realizes the fine management of forage， improves the utilization rate of high-quality forage， and gets rid of the shortcomings of the domestic forage management monitoring system， such as its single function， lack of scientific prediction and guidance. At the same time， the system was applied to the pasture storage area in Inner Mongolia， and targeted specific observation experiments were carried out to provide herdsmen with a scientific and effective plan for pasture storage.

Key words： forage; storage; Internet of Things; Arduino UNO microcontroller