基于农业物联网的猪舍环境监控系统的设计

周虎军，荣丽红，刘功杰，仝志民，霍金泉，陈启通

（1.黑龙江八一农垦大学电气与信息学院，大庆 163319；2.大庆油田力神泵业有限公司）

设计将物联网技术用运于猪的养殖方面，通过智能系统可以自动获取猪舍内部的空气温度和湿度、大气压力、CO2浓度、光照强度、NH3浓度和H2S浓度等数据，并可以自动控制风扇、暖机、水帘、内外部遮阳帘、顶窗、侧窗和辅助照明等装置[1-5]。设计密切结合了传感器技术、无线通信技术、自动化技术以及远程监测等技术，实现全面自动化以与远程控制的功能[4-8]。系统对突发状况不仅可做到及时报警，还可以实现数据自动采集、远距离传输和数据处理等功能，并结合多种因素进行数据分析，实现猪舍环境自动调节[9-15]。这样不仅可以为养殖户提供关于猪舍内的环境情况，还能大大提高猪舍的管理效率。设计不但可以有效实现猪舍环境的实时监测，还可以及时预防传染病的发生，保证生猪的健康成长，进而提高猪肉质量[16-20]。

1 系统总体设计

基于农业物联网的猪舍环境监控系统由监控设备终端、用户端和云端三部分组成。监控终端主要由控制系统与监测系统两部分组成，通过STC89C51 单片机进行猪舍各钟环境因子的采集，利用WIFI 网络与物联网云平台进行双向通信，将所测数据传输到物联网云平台，云平台可对所测数据进行信息存储、信息推送和信息更新，极大的保证了数据的准确性。云平台也将所测数据进行分析管理，并对控制单元下达指令，进行远程控制。用户可随时通过手机软件对猪舍内各环境参数进行查看，也可查看历史环境参数数据等。此外，设计还可以通过手机软件设置各环境参数的阈值，若有环境因子超出阈值，将会触动蜂鸣器进行报警。从而达到实时监测、自动报警与做出远程调控的效果。猪舍环境监控系统整体结构如图1 所示。

图1 环境监控系统整体结构图Fig.1 Overall structure of environmental monitoring system

2 系统软件控制

系统软件的设计主要包括监测单元和控制单元的软件设计以及物联网云平台应用设计，总体流程如图2 所示。

猪舍环境信息监测系统以单间猪舍为监控单元，采用简单的星形拓扑监控网络，传感层将传感器采集到的数据经传输层传输到接收中心，物联网云端接收并保存数据，并且显示猪舍的实时温湿度、氨气浓度等相关参数。

控制单元负责处理采集猪舍环境数据，并对数据进行参数上下限的判定，来确定是否触发云平台报警，从而输出相应的控制命令，控制猪舍内的各种设备执行机构的运行，使猪舍环境得到改善。

物联网云平台应用设计主要包括人机交互界面设计和报警模块设计，根据物联网云平台设计猪舍环境监控界面，并且向生猪养殖户提供数据查询、信息管理等功能。根据应用需求，设计报警触发器。提供用户管理功能，方便实时监测和管理。

2.1 数据采集

传感器检测模块软件基于单片机语言，利用STC89C51 作为主控器，进行猪舍环境中各个数据的采集。如图3 所示，当系统启动时，各芯片首先进行初始化，然后驱动各传感器进行个数据的采集，接着将所采集数据通过WiFi 网络传送于物联网云平台，并自动判断是否传送成功，如若传送失败，将进行二次传送。

图2 总体流程图Fig.2 Overall flow chart

图3 数据采集流程图Fig.3 Data acquisition flow chart

2.2 远程监控

远程监控中心基于物联网平台提供的服务接口可实现猪舍环境数据的采集、数据的上报、存储功能，并可进行各参数上下限的判定，以及设备状态的监控和终端控制的管理。设计通过开发APP 界面，实现各环境参数的动态显示。用户可通过访问APP 界面，远程查看猪舍环境实时信息，还可以设置环境控制设备的工作参数。物联网云平台可以支持多种传输协议，可以提供大量便捷优质服务，因此具有良好的可视化应用。

设计首先在物联网平台创建一个猪舍环境监控的系统，然后将监测数据和执行设备的运行情况传输到创建的系统中。用户仅需要安装猪舍监控APP即可观察整个猪舍的状况并且可以远程控制相关操作。此外，为了给用户提供方便，设计还增加了历史数据保存功能。

3 系统硬件设计与实现

3.1 系统硬件总体结构

该猪舍环境监控系统硬件由传感器检测模块、51 单片机控制模块等模块构成，其硬件结构图如图4 所示。

传感器检测模块由温湿度检测模块、二氧化碳气体检测模块、氨气检测模块、硫化氢气体检测模块、光照检测模块以及无线传输模块组成。由于考虑到猪舍环境恶劣，温湿度以及各种气体不同于外界，例如硫化氢等气体具有一定的腐蚀性，因此传感器于主板间采用分离设计。

控制装置由湿帘风机、喷淋通水、侧窗顶窗、加温光补偿等设备构成，该装置可以通过手机APP 下发的指令对猪舍环境进行调控。但由于此类设备均为高电压高电流设备，无法控制芯片直接连接，因此控制设备增设电源转换电路模块和继电保护模块。

温度和湿度传感器的类型繁多，系统选择DHT11作为温度和湿度检测模块。DHT11 不但具有数字量输出的功能，还具有电阻元件和NTC 温度检测元件，湿度的测量范围为20%～95%，温度测量范围为0～50 ℃。该传感器采用特殊的数字模块采集技术和温湿度检测技术，有校准数字信号输出的功能，因此可以为设计提供可靠的温湿度数据。

4 用户功能层和界面层的设计

4.1 账号管理模块的设计

该模块用来实现新用户注册，用户登录账号，界面如图5 所示。

图4 硬件结构图Fig.4 Hardware structure diagram

图5 APP 登录界面Fig.5 Login interface

当用户或管理员双击进入APP 时，可出现登录界面，有新用户注册和手机验证码登录选项，养殖户可以使用账号密码进行登录，当其忘记密码时，养殖户还可以选择用手机号验证码登录，避免出现密码遗忘而导致登录失败的情况。养殖户输入用户名和密码后进行输入检查，密码正确后开启登录动画，进入功能主界面。

4.2 数据查询主界面的设计

根据手机APP 客户端的功能性需求分析，设计将用户的功能主界面划分为温湿度值、光照强度等六部分，主界面画面如图6 所示。

图6 APP 数据查询界面Fig.6 Data query interface

实时数据模块的主要任务是物联网服务器向APP 客户端发送采集到的猪舍实时环境数据，用户登录成功后与物联网服务器建立连接，猪舍的环境参数可以实时更新显示。工作过程为首先系统获取用户选择的目标环境参数值，然后向物联网服务器发送请求，最后将数据呈现给用户，方便用户对历史环境了解统计。

4.3 远程控制主界面的设计

远程控制模块支持手动和自动两种控制方式，手动和自动控制用户界面如图7 所示。手动控制为用户可以根据实时数据的分析，自主的手动控制各硬件风机、温湿度、光照设备工作，以改善猪舍内的环境。自动控制采用上下限控制的方法，设置各环境参数的最大值和最小值，即阈值上下限，系统自动的将相应环境参数调节至该区间内，同时可以进行季节的选择，不同季节设置不同的阈值上下限。通过自动和手动两种方式实现养殖户对环境温湿度参数的实时控制。

图7 APP 远程控制界面Fig.7 Remote control interface

4.4 报警提醒的设计

当系统参数值异常即超过阈值的上下限时，触发报警装置发出警报，通过物联网将异常信息数据远程发送给用户，用户也可以通过在APP 界面输入某段时间，可方便的查询和了解某些环境参数异常的时间和异常数据的具体值。该模块主要负责报警信息的接收以及历史报警数据的查询。报警提醒和历史异常数据界面的设计如下图8 所示。

5 结语

设计以提高养殖户养殖收益、为猪舍提供优良环境为目的，使用WiFi 具有传输速度快，覆盖范围广等优点，研发以农业物联网为基础的环境无线监控系统。设计以WiFi 模块、传感器模块和控制器组成。环境采集点通过WiFi 模块接入物联网云平台，然后再接入手机App，通过手机App 进行数据处理、储存，并进行一系列自动调整来为养殖户提供便捷的管理模式，改善猪舍环境。该物联网猪舍环境监控系统不仅可推动当下养猪业的发展，还可以提升猪舍环境控制的自动化、系统化和便捷化水平，有效减小了人力和物力资源，增加了养殖户的经济受益。

图8 APP 异常报警界面Fig.8 Abnormal alarm interface