基于嵌入式的物联网技术的规模化猪场健康养殖系统设计

张尉+高星星+肖进+高一川

摘 要：提出了基于嵌入式的物联网技术的猪场健康养殖环境监控系统，采用B/S模式，设计了一种通用型的控制器，可以通过手机终端远程和现地端监控多个猪舍，实时检测每个猪舍的温度、湿度、二氧化碳，氨气等环境因素，可实现对不同育龄阶段猪仔的猪舍进行智能通风、智能控温、数据记录追溯、远程诊断和疫情预警功能。将以上这套系统应用于武汉市新洲区东泰猪场，经过试用证明了该套系统可降低劳动强度，提高养殖的质量。

关键词：规模化猪场；嵌入式；物联网；通用控制器

中图分类号：S24 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.11.008

Abstract： In this paper， a universal controller and healthy aquaculture environmental monitoring systems was proposed based on embedded networking， Using B/S mode. It could realize remote and local control，and real-time detection of environmental factors for each piggery including temperature， humidity， carbon dioxide， ammonia and other values. For different stage pigs it could realize intelligent ventilation， intelligent temperature control， data recording traceability， remote diagnostics and outbreak alert. The system was installed in Dongtai farms of Xinzhou District of Wuhan City， after the trial it was proved that the set of systems can reduce labor intensity while improving the quality of farming.

Key words： large scale pig farm；embedded technology；IOT；universal controller

现代生猪养殖产业正在经历“精细化、设施化、智能化”的变革[1]，各种新技术新设备层出不穷，而生猪所在的环境是影响生猪养殖产量和质量的最关键因素。在规模化生猪养殖中不同育龄阶段的生猪所需要的舒适环境差异较大[2]，目前已建成的猪场在环境控制方面多以人工经验控制为主，没有科学量化和精细化管理的标准和依据，且猪舍数量较多、类型不同，容易造成人为操作失误增加工作量，养殖质量难以保证；有一些大型养猪场虽配置了传统的PLC（可编程逻辑控制器） [3-4]作为现场监控中心，采用有线方式分布，但其系统布线复杂，容易造成接触不良，维护成本高，且不能远程控制。而相关畜舍内环境参数也没有长时间动态监测量化的指标，通常依靠经验判断，具有不可靠性，一旦出现疫情也难以追溯。

随着畜禽健康养殖和动福利的提出[5]，人们也越来越意识到，良好的小气候环境对减少生猪患病机率，提高生猪肉品质有着决定性的作用。随着物联网[6-10]和“互联网+”技术实践的不断深入，可以精确控制各猪舍栏内小气候环境，助力畜禽养殖管理不断走向精细化、智能化。本研究提出了基于嵌入式的物联网猪场健康养殖环境监控系统，采用B/S模式，可以通过手机终端远程和现地端监控多个猪舍，实时检测每个猪舍的温度、湿度、二氧化碳，氨气值等环境因素，针对不同阶段猪仔的猪舍进行智能通风，智能控温，实现数据记录追溯，远程诊断和疫情预警。

1 系统设计

1.1 系统总体设计

基于物联网方式，系统从逻辑上分为：应用层，传输层，现地采集控制层（图1）。

应用层面向管理者和养殖户，包括：园区管理、远程诊断、数据记录追溯、远程操控、动态监测和预警、智能自动监控模式。

传输层则是根据现场条件，采取稳定且经济综合最优的通信方式，如ZigBee，GPRS网络。

现地采集控制层是根据不同类型的猪舍分别进行设计，由终端节点（猪舍环境参数监测节点和设备控制节点）以及现地控制器构成。

监测节点负责采集猪舍的温湿度、气体相关信息，设备节点则是风机、湿帘、保温灯等执行机构，这些终端由跳线编码器设置节点编号，通过ZigBee无线传感自组织网络与现地监控器通信，并通过GPRS网络将猪舍环境参数发送到监测服务器。

用户可通过手机或者计算机浏览器直接对猪舍小环境进行实时监测，并能够远程控制湿帘、大小风机组和保温灯，喷雾降温系统，喂料机等设备，从而实现对猪舍分栏小气候环境的精确控制。

1.2 通信方式选择

本方案是基于原有猪场进行的升级改造，有线方式虽然最为可靠，但是布线和维护复杂，且长期消毒容易使裸露在外的线缆腐蚀，另一方面为了使传感器便于灵活部署，减少电缆投入，故在充分利用原有通信线缆的基础上，尽量采用无线通信方式。无线方式有ZigBee，WIFI，GPRS，3G、4G网络。

ZigBee是一种短距离、低功耗、高可靠性的全双工无线通信技术，具有低复杂度、自组织、低功耗、低数据率等特点，可以短距离现场传感器自组网。

GPRS网络具有传输速度快、传输距离远、实时性好，实时在线等优点，缺点是费用较高。

WIFI可以用于本地组网，可以减少信息交互费用。视频信息则是通过专门的线路进行传输。

1.3 控制策略选择

温湿度是影响动物生存与生产诸多环境因素中较为重要的两个指标。

猪不喜欢长期生长在潮湿环境下，否则会发生拉稀、感冒及其他疾病，猪舍最佳湿度为60%～70%。

不同年龄阶段和生长性能的猪所要求的最适环境温度差异较大[1]，尤其哺乳猪仔和繁殖种猪敏感性最高。哺乳猪仔，由于其组织器官和机能尚未完善，皮毛稀疏，对寒冷抵抗力差，对温度环境要求较高。有害气体也必须控制在一定范围内（GB/T 17824.3—2008），如表2所示。

因此，不同育龄的猪其猪舍结构设计不相同，执行机构也有差异，需要采用不同的控制策略。如产房包含两种类型的猪，对温度要求不同，需对仔猪每个栏都分别再增加一个保温灯，将产房进行分区管理。

1.4 控制模式

控制有手动控制和智能控制模式，手动又分为现地手动和远程手动，管理员可根据指标参数直接操作执行机构开合实现。

智能控制，则是根据设置的不同的控制目标，将采集回来的温度信号在线实时监测，并自动调节。

2 系统硬件设计

2.1 感知/控制终端节点设计

为实现猪舍环境的实时监控，单个猪舍内采用ZigBee方式进行组网。采用工业级的高增益型ZigBee无线模块，支持太阳能供电。

如图3所示，ZigBee终端节点搜索并加入网络，现地控制器充当了接收协调器，接收传感器上报的数据，同时通过ZigBee终端节点控制执行驱动机构继电器，控制设备档位开关。

温度传感器采用DS18B20芯片，可轻松地组建传感器网络、与STM32接口简单的数字化温度传感器。测量范围为（-55～125）℃，精度为±5 ℃。

NH3传感器采用pH-NH3氨气传感器，采用国外进口的电化学传感器（可燃气采用催化燃烧式），利用控制电位电解法原理，在电解池内安置3个极（工作电极、对电和参比电极），以薄膜同外界隔开，并施以一定的极化电压。被测气体透过薄膜到达工作电极，产生氧化还原反应，传感器即有相应电流输出，此电流与被测气体深度成正比关系，该电流信号经扩散式采样变为电压信号放大后，再经电压/电流转换电路，将变化的电压信号变为电流信号输出。

如图4所示，CO2传感器采用红外二氧化碳传感器工作原理，利用不同气体对红外辐射有着不同的吸收光谱，吸收强度与气体浓度有关的原理来检测CO2浓度。红外线气体检测仪的优点是测量范围宽、选择性好、防爆性好、设计简便、价格低廉。

摄像头控制信号可以通过云台设备来控制，视频信号数据量太大一般采用专网，通过网关设备直接发到视频服务器。

2.2 现地控制器设计

保育室、种猪结构大体相同，产房由于有母猪和仔猪设计相对复杂，虽然执行机构有所不同，但组成模块类似，本文设计了一种通用多源信息采集控制终端，如图5所示。

主要由传感器检测模块、通信模块、电源模块、驱动模块、显示屏、处理单元组成。

传感器检测模块包括温度传感器，湿度传感器，CO2、NH3传感器以及信号调理电路。

驱动单元包括大风机、保温灯组、湿帘、小风机。

微处理器采用基于Cotex-M3内核ARM 32位处理器，型号为STM32F107，是一款互连型系列微控制器，性能较强大，集成了各种高性能工业标准接口。

如图6所示，继电器驱动单元用于驱动电气柜里的中间继电器，再依靠中间继电器驱动交流接触器，从而实现对外部设备电源的控制。

3 软件设计

猪舍环境系统具有多变量、非线性、时变和滞后特点，难建立精确的数学模型，一般采用模糊控制算法，设置相应通风换气的规则，且针对不同猪和不同阶段对温湿度的要求，来实现猪舍环境自动控制，启动相应降温和保温设备，使其满足控制温度，湿度，二氧化碳和氨气目标，或者再内置其他高级预测控制类算法，如图7所示。

将高级智能算法移动到上层应用层，这样可以选用和匹配多种合适的智能控制算法，放置应用层软件平台，便于升级维护。

3.1 采集节点软件设计

各个采集终端定点定时上报数据，上报周期由现地控制器设定，数据采集后CPU将AD转化后的数据进行均值处理，使数据更加平滑和准确。

通过RS485串口将数据发送至ZigBee通信模块。最后通过ZigBee无线通信模块将数据传送到现地监控层，并进行集中显示和控制。

3.2 控制节点软件设计

现地控制器是整个系统的核心，操作系统选用了μC/OS—II系统，是一款基于优先级的抢占式多任务系统，内核简单短小精悍，代码开源，能够管理多达64个任务，同时具有实时内核、任务时间管理、内存管理等功能，在小型系统中得到了广泛的应用。

控制节点负责接收数据、解析计算数据，并控制相应执行机构，如图8所示。

3.3 上层应用软件设计

如图9所示，总体采用BS架构，监控中心由上位机数据接口软件、数据库和信息发布网站组成。服务器平台采用目前流行的.NET技术架构，如图10所示，该架构系统界面友好、易安装、易操作，硬件扩展接口丰富，系统辅助工具多，有利于后期的系统升级、维护等。数据接口软件接收远程GPRS终端发送的数据，并存入SQL Server数据库。如图11所示，数据库包括每个猪舍的数据如实时的温度、湿度、CO2、NH3等信息。

4 结 论

近年来，武汉东泰畜牧发展有限公司[11]以农业自然生态系统发展原理和经济规律为指导，对畜禽养殖粪污进行无害化处理全利用，零污染，使得各类农业生产要素相互促进、良性循环发展。园区猪场实行雨污分离、干清粪加沼气处理工艺，并按照2万头养殖规模年粪污产生量，建成新型红泥塑料沼气池，沼液由无塔供水增压设施经园区管网系统自动输送到园区茶叶种植区、水产养殖区，直接为茶叶区、水产区以及其他种植区提供肥料。

新建成的基于物联网的猪舍管理系统，利用传感器和物联网技术实现了传感器和环境控制设备之间的联动，不但能完成数据记录还可以追溯和分析。该系统根据不同育龄猪所需要的最适宜环境的不同实现了精准管理，并减少人为操作失误和工作量。经大量试验证明，该系统能较好地达到规模化猪场养殖监控的要求。

参考文献：

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[9]柴钰，于全刚.基于模糊 PID 解耦算法的多功能禽舍环境控制系统设计[J].家畜生态学报，2014，35（10）：51-57.

[10]熊本海，罗清尧，杨亮.家畜精细饲养物联网关键技术的研究[J].中国农业科技导报，2011，13（5）：19-25.

[11]作者不详.武汉东泰畜牧公司建成200公顷畜牧循环经济园[J].湖北畜牧兽医，2012（8）：45-45.