基于物联网技术的北京油鸡标准化散养系统研究与应用

王 明 平 阳 刘 新 郭建鑫

(北京市农林科学院农业信息与经济研究所 北京 100097)

0 引 言

我国作为一个传统的农业大国，规模化、集约化生产总体上还处于初级阶段，呈现生产技术落后、自动化程度不高的态势，因此农业精细化与物联网技术的相互融合对加快现代农业转型、提高生产力显得至关重要。农业物联网是在生产现场部署大量监测传感器，利用这些传感器采集环境及生产数据，以实时监测生产状况，且能通过智能化远程控制及时调整生产策略，提高自动化生产水平[1]。目前在农业资源环境监测、农业精细生产管理及农产品质量安全追溯中开展了广泛的应用研究，例如在畜禽水产养殖方面，实现了自动饲喂、饲料转换率优化、笼舍状态动态监控、疾病监测等应用[2-4]。但在细分领域应用中仍存在着许多不足，如物联网技术与畜禽品种养殖规范没有很好地结合，很多养殖人员得不到专业的指导意见，对采集到的物联网数据也不能充分挖掘，不能发挥其最大价值[5]。

北京油鸡是我国优良地方鸡种，被农业部列为国家级畜禽品种资源重点保护品种，在其品种开发和推广的过程中，逐步形成了一套完善的规模化、标准化健康养殖规范。本文以物联网技术为基础，立足于北京油鸡健康养殖规范，建设了油鸡标准化生产知识库，以此构建标准化生长流程，通过规范的任务机制进行管理，集数据采集、监控、分析、预警及专家咨询于一体，研发了基于物联网技术的北京油鸡标准化养殖系统。

1 系统分析

1.1 需求分析

规模化养殖鸡场养殖人员水平参差不齐，需要养殖规范及流程来指导生产，充分挖掘物联网采集到的环境及生产数据[6]，尽可能发挥其最大价值，同时便捷地接受专家指导服务。本文从实际需求出发，以提高北京油鸡的产肉和产蛋性能为目标，确定了如下几方面的需求：

(1) 制定北京油鸡标准生产知识库和流程，形成油鸡养殖资源库。

(2) 建立完善的任务管理方式，以规范、科学的任务机制来指导日常生产。

(3) 对鸡舍环境及生产状况进行监控，实现智能预警和远程监控。

(4) 打通专家服务通道，让养殖人员能随时随地接受专家技术支持。

1.2 技术路线

选取北京油鸡为研究目标，结合北京市农林科学院畜牧所油鸡养殖规范，构建标准化生产知识库和流程，制定油鸡各生长阶段性任务。当执行时间邻近时后台服务程序自动激活当前任务并下发给养殖者，科学指导日常工作。结合物联网设备采集各鸡舍温度、湿度、氨气、光照、二氧化碳、体重、产蛋等环境和生长数据，并与标准生产知识库进行对比、分析，超出阈值自动进行终端设备调整，同时进行消息推送，系统技术路线如图1所示。

图1 系统技术路线图

(1) 梳理北京油鸡标准化养殖规范，以各生长周期为生长节点，建设各阶段标准生产知识库，以时间节点为单位实现数据库的数字化存储。

(2) 采用标准生产知识库构建生产流程，以甘特图来实现，并将油鸡生产流程数字化，存储在中心数据库中。

(3) 根据生产流程生成油鸡各阶段任务，采用任务生成、下发、上报、审核、提醒等形式指导科学饲喂、规范生产。

(4) 以鸡舍为单位安装温湿度、氨气、二氧化碳等传感器，实时采集环境数据。

(5) 设计适合油鸡佩戴的电子翅标，及带有标签识别功能的称重设备，自动上传体重数据，同时使用带有计数功能的自动捡蛋机来采集鸡舍的产蛋数据，并将数据实时传送到服务器。

(6) 设计远程监控，管理者通过PC端或移动终端[7]实时查看鸡舍画面、各项环境数据、任务完成情况和生长数据。自动与标准生产知识库进行对比分析，超出阈值时自动反馈调整，同时以消息推送和短信形式通知管理人员。

(7) 开发北京12396农科服务热线专家接入组件，实现专家在线咨询、视频通话及电话服务功能，用户在移动终端随时接受专家指导服务。

2 系统设计

基于物联网技术的北京油鸡标准化养殖系统以物联网采集和控制设备为基础，以标准化管理规范为核心，以RFID和移动终端为手段，实现环境及生产数据监控、智能预警、远程控制、专家服务等功能，为生产管理者提供科学指导。系统采用信息采集层、数据层、支撑层和应用层四层设计架构[8]，层与层之间相对独立，同时兼顾可扩展性，使系统具有较好的灵活度和易用性，系统结构架构图如图2所示。

图2 系统结构架构图

2.1 硬件设计

本系统硬件使用模块化设计，分为主控模块、传感器终端模块和辅助模块。传感器终端模块通过主控模块接入ZigBee网络[9]，将采集到的数据通过主控模块中网关上传到数据中心，经自动分析后可对终端设备进行联动控制，鸡舍安装有配套的PLC控制模块，因此同时支持远程和现场操作，硬件网络拓扑图如图3所示。

图3 系统硬件设备网络拓扑图

(1) 主控模块是组网核心模块，设计由处理器模块、射频处理模块、通信模块以及显示模块，完成ZigBee协议组网、数据汇聚、数据转换以及与数据中心进行通信功能，其中处理器选用TI公司的CC2530为主控芯片，集成ZigBee解决方案，通过外扩接口加入功率放大模块，提高通信距离、减少丢包率。

(2) 传感器终端模块包括数据采集设备、终端控制设备，通过RS485总线接口接入，传输速度可达4.375 MB/s，单级最多可纳入32个节点，有利于节点扩展[10]，并使用可靠性高的ZigBee技术构建无线网络。其中传感器的选择上考虑微型化、低成本、低功耗、优良射频性和可扩展性等，摄像头选择海康威视 HIKVISION，通过接入萤石云平台，能直接进行Web调用，支持在线360度旋转及多倍变焦，实时获取鸡舍高清画面。

(3) 辅助模块主要包括电子标签、体重秤和电源模块。电子标签是雏鸡出生时佩戴的高频电子翅标，由20位编号组成，即3位鸡舍编号+8位出生日期+1位性别号+8位顺序号，每个编号都能唯一识别鸡个体；体重秤是带有RFID识别和数据自动传输功能的体重采集器，设计为U形结构嵌入在鸡舍洞口，能自动识别鸡个体并上传体重数据；电源模块采用太阳能和蓄电池混合供电模式，采用继电器给各传感器一对一供电，提高运行稳定性。

2.2 软件设计

软件负责硬件设备的动态接入、数据流控制、流程管理、任务管理、数据采集、动态监控、预警提示等功能。由后台管理系统、通信服务中间件、移动终端程序三部分组成，配合完成数据采集、传输、存储、分析和展示功能。后台管理系统采用B/S模式开发，开发语言采用C#，开发工具使用Microsoft Visual Studio 2012，通信服务中间件基于C/S模式开发，开发语言采用C++实现，移动终端程序支持Android和iOS两种系统，数据库采用Microsoft SQL Server 2012。

1) 后台管理系统为软件系统的基础部分，管理物联网设备上传的数据及生产过程中的业务数据，为不同角色用户设置系统权限。开发框架采用主流MVC分层架构，即逻辑层、数据层和界面层，降低程序耦合性，便于后期系统维护，同时预留数据接口，提高系统可扩展性和开放性。后台管理系统主要功能包括设备管理、知识库管理、流程管理、监控预警、生产资料管理、用户管理等。

(1) 设备管理：包括设备编号、标识、名称等，设置通信通道、同步频率、网络接入等各项参数，设备双向通信基于TCP长连接，能实时推送指令和反馈，远程管理终端设备的运行模式、启停状态。

(2) 知识库管理：梳理北京油鸡规范养殖体系，包括喂水、喂料、防疫、温湿度、光照、体重、产蛋等，按照生长阶段将以上各标准养殖知识建立数据库表，建立索引和视图，形成油鸡养殖知识库。

(3) 流程管理：以油鸡标准养殖知识库为基础制定各批次的生长流程，用甘特图的形式进行维护，并采用任务的形式进行管理，即移动终端负责任务上报，后台进行任务生成、下发、审核、提示等操作，管理者能实时查看、跟踪任务完成情况。

(4) 监控预警：能查看各鸡舍物联网设备的运行状态和监控画面、实时上传的环境数据和生产数据，分析鸡舍生产性能，如饲料消耗量、产蛋率、蛋料比等多项指标，后台系统自动与标准生产知识库进行对比分析，超出阈值时页面自动给出消息提醒，以颜色变化和闪烁形式呈现，并推送到管理者的移动终端，自动对鸡舍现场的设备进行反馈调节，及时调整生产策略以达到标准的生产环境。能按鸡舍、批次、时间等条件对历史数据进行追溯，以了解各阶段生长状况。

(5) 生产资料管理：对养殖场生产资料管理，包括鸡舍管理、批次管理、疫苗管理、药物管理、饲料管理等，详细记录生产资料入库、出库、盘整、使用记录，管理者能实时了解生产经营数据，并且用来计算分析生产性能。

(6) 用户管理：设计多级用户管理模块，能对用户进行注册、审核、权限分配、注销等操作，其中后台能根据不同角色来进行权限的灵活配置和自由分配，以满足不同规模鸡场用户管理需求。

2) 通信服务中间件实现后台管理系统与物联网采集设备、终端控制设备之间的通信，网关节点与服务器采用C/S工作模式，通信模块使用基于TCP/IP协议的Socket通信技术，以二进制格式进行数据传输，以提高时效性和安全性，同时支持HTTP协议，控制后台可直接操作终端设备。

感知节点上的采集设备上电初始化后，启动数据发送程序，串口监听线程读取字节信息并加入队列，并将数据打包、封装，启动数据解析线程从获取到的数据包按照协议进行解析，得到解析结果，将数据保存到数据中心，并发送给控制中心，控制系统经过分析、决策后发出控制指令，进而实现对终端控制设备的调整，如图4所示。

图4 数据采集控制程序流程图

3) 移动终端程序主要完成个人任务管理、远程监控、预警提示、资源查询、专家服务等功能，利用React Native开发创建原生应用，同时生成安卓和苹果版本，以JSON和XML数据接口形式与后台管理系统进行数据通信，与数据中心实时同步。

(1) 任务管理：主要是上报按照标准化生产流程下发的各项任务，包括喂食、死淘、转群、添加剂、消毒、疫苗接种、生产资料调整及其他各项生产事务工作，并且可以查看、跟踪历史完成任务，具有审核权限的用户能对上报信息进行审核。

(2) 远程监控：能随时查看鸡舍视频画面、各项环境参数及生产数据，追踪历史数据，并且能对终端的控制设备进行远程操作，配合后台管理系统提高监控的便利性和实用性。

(3) 预警提示：发生预警时后台系统自动进行消息推送，移动终端能及时接收到预警信息，管理人员能第一时间做出应对。

(4) 资源查询：开发标准生产知识库查询功能，以关键字搜索、热点推荐、分类提示等多种形式实现，用户能随时随地查询、学习饲养知识，提升养殖技能。

(5) 专家服务：融合北京12396农科服务热线，接入农业专家咨询服务，可一键发起电话呼叫、视频通话、在线咨询服务，快捷接受专家远程诊断服务。

3 系统实现

鉴于系统潜在用户很多为一线饲养人员，界面的设计上力求简洁明了，突出重点，兼顾易用性和合理性。根据不同角色权限设计不同的系统页面，提高用户体验度。后台管理系统页面以成熟的Easy UI框架为基础进行开发，以提高开发效率和运行稳定性，移动终端界面设计采用高性能的MUI前端框架，能满足移动终端的多种应用场景，同时配合HTML5+CSS3技术渲染显示效果，增加用户黏性。图5为管理系统首页及移动终端上报界面，其中左图为监控平台，用来监控鸡舍信息，右图为移动终端监控及任务管理页面。

图5 管理系统首页及移动终端上报界面

4 结 语

系统将物联网技术与油鸡健康养殖规范深度融合，通过构建知识库、生长流程和任务来实现科学养殖及日常工作的规范化管理。系统在应用过程中表现出了多方面的优势：

1) 依托北京农科院畜牧所油鸡规范养殖体系，建设了规范、科学的生产知识库，能提供很好的技术支持。

2) 以物联网采集和控制设备为基础，合理构建网络节点，与油鸡标准生产知识库相结合，实现智能预警、科学决策。

3) 强大的任务管理机制，能根据标准生产知识库自动生成生产流程和派发任务，与日常工作相结合，形成了高效、规范的管理方案。

4) 在移动终端开发专家服务模块，能方便、快捷地接受专家服务，远程解决生产过程中饲喂、病疫、卫生等各方面的问题。

系统自研发部署后，经过长时间的实验和测试，设备稳定性好，数据准确，并且可维护性好，支持市场上多种传感设备的在线接入，具有广阔的应用前景和推广价值。但系统仍有许多不足，需要在后续研究中进一步的完善：油鸡规范体系本身也是一个不断完善过程，需要大量的数据来不断丰富，因此有必要将系统收集的数据深度分析，以验证和完善规范体系；电子标签易脱落、成本较高，可采用其他生物识别技术以提高可靠性、降低使用成本；市场上传感设备型号各异，数据传输协议存在差别，需要统一开发平台提高兼容性和扩展性。