基于Python和树莓派的养殖环境监测系统开发

杨玉玲，陈永健，刘思雯，韦春波

（黑龙江八一农垦大学动物科技学院，黑龙江 大庆 163319）

随着人工智能的发展与普及，智能化养殖模式也逐渐取代传统养殖，全面的现代化养殖管理系统受到越来越多的养殖户青睐。对于养殖业而言，除了动物的饲养条件，动物的生长环境与养殖户管理方式同样发挥着重要作用。良好的养殖环境不仅能保障动物的健康生长的环境，还为养殖场带来更大的经济效益。2020年，国外报道Python语言应用在生命科学畜牧养殖业中具有良好前景[1]。因此设计了基于Python和树莓派的养殖环境监测系统，该系统利用Python语言摄取和采集相关数据，并传入畜牧生产实时监测管理平台，设置相应单元阈值，利用畜牧生产实时监测管理平台进行参数对比。相应报警数据实时传入监管者终端，实现数字化管理。该系统加强动物个体监护以及养殖生产的监测，解决了养殖现场生产状态、动物个体实时数据以及养殖场坏境数据不能及时掌握等问题。通过畜牧生产实时监测管理平台在“约养牧业”中的运用，可实现对畜舍环境的有效监控与运用，这不仅可以提高畜禽的生产性能，还可以减少资源浪费和降低劳动成 本，有力于推进畜牧业信息化发展进程，提高经济效益。

1 养殖环境监测系统技术框架

采用Python语言树莓派为控制单元的养殖场监测系统，该系统利用Python语言摄取和采集数据并传入树莓派，设置相应单元阈值，树莓派进行对比参数并执行相关命令，通过物理、化学传感器采集养殖场环境数据，耳环射频红外传感识别动物个体并采集体温数据[2]，音频传感器识别动物咳嗽频率，并根据动物咳嗽频率判断是否发生呼吸系统疾病，若超过阈值，相应报警数据实时传入监管者终端实现数字化管理[3]。通过改变养殖场既有条件，加强动物个体监护以及养殖场环境卫生监测，为更好的实现科学化、数字化、集约化养殖提供一个简便科学的平台。

2 养殖环境监测系统设计与实现

该养殖环境监测系统基于Python编程语言和树莓派微型计算机为载体，整体由五个部分组成，即检测部分，树莓派处理控制部，效应器部以及Web服务器。如图1所示是基于Python和 树莓派的养殖环境监测系统开发的技术框架。

图1 系统设计路线图

2.1 检测部分

该系统首先利用传感器导入空气温湿度、光照、二氧化碳、氨气等数据指标进入树莓派并且直接在树莓派中做出指令，其结果反馈到养殖户管理者终端。其中视频图像部分的录入可以让养殖场的关键部位处于实时监测位置，养殖户可以在手机或者移动显示终端实时地观看养殖场情况以及动物状况。体重测量传感器放置在养殖场关键部位[4]，可以是每个动物所必经的场所，例如水槽处，通道处等等。每只动物耳环上安装一个的小型射频ID卡芯片，如以牛为例，当牛经过体重测量处时，牛耳上的ID卡片就和附近的采集器感应，识别牛的编号并且触发体重传感器测量数据进入树莓派并且上传到树莓派数据库，当有许多只牛在一起影响体重测量时，感应器会自动终止测量，等待所测量处只有一只牛时再采集数据，这种命令在后期的Python编程中可以实现。饮水量采集可以通过饮水槽中水量的变化数据进行采集，所采集到的数据会及时的存入树莓派数据库，用户可以后期自行导出数据生成统计图。音频分析传感器可以采集动物声音进行实时分析，这些都可以由树莓派进行分析数据。传感器将声音信号转化为电信号，临床实验发现动物发生呼吸道感染时咳嗽持续时间以及频率高于其他动物，利用实时监测频率信号对动物是否发生呼吸系统疾病进行预警，同样采集器与接收器安装在同一个地方，既可以识别出病畜编号也可以即使采集到数据上传到树莓派以及管理者终端。

2.2 树莓派处理控制部

树莓派作为搭载了ARM处理器的微型电脑主板，大小类似于一张公交卡[5]，它的硬盘内存为SD卡，周围有三种版本的接口，即ModelA、ModelB、ModelB+，它具备了文档处理、视频播放等PC的基本功能，可连接鼠标、键盘和显示器，便能在树莓派上实现[6]。光感通过树莓派处理部监测养殖场环境，同时树莓派加载单元将传感器测量的数据与编程设置的阈值对比，利用if语言编写各项目的最大值最小值，一旦摄取的数据超出或低于设定值，将自动发出指令使效应器运行[7]。

2.3 效应器部

主要包括风机、湿帘、喷淋等控制以及远程或定时加入饲料，水量等。通过实时数据的反馈，效应器部执行相应命令[8]。例如养殖场内部温度过高时，效应器打开风机、湿帘和喷淋等控制系统，直至检测部分爬取的环境参数至正常范围内关闭。这些操作可以通过树莓派发送红外信号执行命令也可以扦插网线进行数据命令传送，类似于遥控器。

2.4 Web服务器

Web服务器部由于树莓派拥有网络交互功能，整套系统可以进行网络联机并且网络局域网共享数据。通过信息终端，可远程实时地查看养殖场内的环境监测参数，通过该平台实现自动控制和各类报警预警功能[9]。比如在手机安装iTerminal软件，在APP中输入相应的IP地址以及密码进行登录并操作控制树莓派。真正实现了人-树莓派-养殖场实时一体化的目标，使各个养殖场的管理更加适合自身特点，探索出各具特色的精准化管理模式[10]。

2.5 系统实现

同现有的基于Labview、ZigBee等养殖环境监测系统相比，该系统最大的优势在于投入成本低，易于操作。树莓派是一种价格实惠，体积小的迷你计算机，其中树莓派4代被誉为世上最流行最便宜的小型电脑[11]。同时，树莓派所运用的Python语言具有清晰的语法、良好的可靠性和易用性，两者的结合使其在各行业领域发挥着重要作用，目前基于Python和树莓派扩展的系统已在安防门禁[12]、交通红路灯[13]、人体随动测温[2]等实际应用中取得良好效果。

3 小结

利用基于Python和树莓派的畜牧生产实时监测管理平台在畜牧业中的运用，首先能解决养殖场生产的可视化问题，实现个体养殖场的数字化，智能化和可视化；二是通过该系统为动物生产科研等途径提供了直观的数据采集方法；三是通过该改良的系统处理终端大大地降低了养殖场的监测成本同时提高了养殖场的信息采集效率以及提供危险预警等途径；四是将监测管理平台收集的数据实时、准确的输送至养殖户端，具有高效，安全等优势。

高效、智能、实时的养殖模式在畜牧生产实践中得到越来越多的运用，基于Python和树莓派的养殖环境监测系统对养殖场的环境和动物的基本情况进行远程精准监测，将数据实时输送到养殖户手中，从而构建了实时的智能化环境监测管理平台，解决了养殖场现在环境监测条件差的问题，加强了动物个体监护，实现了对养殖环境的智能化监测与控制。