基于无线传感网络的发酵床垫料温湿度空间分布研究

刘建龙，柏宗春*，霍连飞，孟力力，王慧鑫

(1.江苏省农业科学院农业设施与装备研究所，江苏南京，210014;2.农业农村部长江中下游设施农业工程重点实验室，江苏南京，210014)

0 引言

中国是水禽饲养与产品消费量最大的国家，约占世界的70%。据统计，2020年水禽产业总产值1 874.27亿元[1]。然而随着环保标准不断提高，水禽养殖面临的资源环境压力持续加大，治污减排成本逐年攀升，水禽产业急需转型换代[2]。微生物发酵床利用木屑、稻壳和粪便混合，自然发酵可以消灭有害细菌的同时，兼具吸收粪污和尿液，对养殖舍中的动物和环境都有极大益处[3-4]。在水禽养殖过程中，生物发酵床能够有效维持圈舍环境温度，节约能源并降低养殖成本[5]。

显然，要想对发酵床垫料环境因子进行控制，需了解环境因子在空间上的分布情况，此前不少学者已经对其他场景下空间分布进行了研究，但是对发酵床垫料的研究还比较少。李晓婷等[6]利用全国科学施肥网及实地采集的数据以及地统计交叉验证的评价方法，分析案例区内耕地土壤养分含量与干燥度、高程的相关性，采用空间插值方法进行结果比较，筛选出了合适研究区域耕地土壤养分分布预测的最优插值方法。王慧等[7]研究了温室环境中黄瓜生长情况，采用普通克里金插值法，得出了不同时间段内温室的温湿度变化情况，为发现黄瓜霉病萌发和侵染条件提供数据支持。陈峰等[8]采用克里金插值法建立了土壤养分模型，进而推算出作物的施肥模型，利用ArcGIS将测土配方施肥土壤养分点状数据转换成面状数据分布，并将其标注为不同颜色，形成科学的土壤养分分布模型和施肥配方。

综上所述，拟研发出一套发酵床垫料性能远程监测系统[9-16]，并将其子单元部署在鸭舍垫料中，利用简单克里金插值法(simple Kriging，SK)，研究鸭舍发酵床垫料的温湿度空间分布，并利用发酵床内温湿度实际测量值进行交叉验证。通过交叉验证的方法验证了简单克里金插值对发酵床垫料预测效果，根据发酵床垫料内部特性分布研究，不仅可以确定发酵床垫料腐熟规律，还可以通过垫料环境分布情况来为发酵床管控提供数据基础。

1 系统结构与工作原理

发酵床垫料环境监测系统由联网通信模组、远程监测平台和传感器网络3部分组成。联网通信模组可以实现串口设备与网络服务器之间的数据透明通信，工作模式为网络透传模式，串口设备可以通过WHGM5发送数据到指定的服务器，WH-GM5也可以接受来自服务器的数据，并将信息转发至串口设备。远程监测平台包括电脑控制端和手机控制端，电脑端定义节点信息、采集频率和建立通信，手机端实时显示垫料环境监测信息。传感器网络包括温度传感器和湿度传感器，系统结构如图1所示。

图1 发酵床垫料环境监测系统框图Figure 1 Block diagram of environmental monitoring system for fermentation mattress

本系统设计的发酵床垫料性能远程监测系统主要对发酵床垫料温湿度等垫料性能数据进行采集。发酵床垫料环境监测系统软件由垫料信息感知层、数据传输层和监测应用层。垫料信息感知层为基于MODBUS的链路层软件协议，通过功能码04H 读取数据并发送。数据传输层为传感器终端设备发送给WH-GM5，由WH-GM5打包完成后发送给服务器端，以此实现串口数据与网络数据包之间的数据转换过程。监测应用层为基于组态王的数据存储端，通过V-COM 虚拟端口映射与WH-GM5进行握手，然后由微信小程序二次开发出远程监控界面，实时查看发酵床垫料性能参数。

2 系统设计

2.1 监测系统设计

基于组态王设计操作界面(图2)。操作界面主要包括功能导航切换区、历史数据预览区、实时数据显示区、画面操作区、垫料参数选择显示区和报表操作区。

图2 发酵床垫料环境监测系统界面Figure 2 Fermented mattress material environmental monitoring system interface

其中，垫料参数操作单元的调试流程如下:(1)打开虚拟串口软件USR-VCOM，完成DTU 和虚拟串口的匹配设置;(2)安装有组态王软件的PC机和DTU可以通过虚拟映射建立链接，并通过识别配对的ID 建立起一对一的透传通信，见表1;(3)在设备成功上线后，借助串口调试助手给不同挂载设备分配地址;(4)手动测试收发数据，检验DTU 创建的数据传输通道的可靠性，调试结束。

表1 一对一透传通信参数设置Table 1 _One to one transparent communication parameter setting

2.2 发酵床基本参数

试验于2022年1月3日在江苏省农业科学院六合禽场展开，发酵床网上养殖舍长宽高分别为100 m，12 m 和3 m。东西侧墙体一侧安装纵向通风机，另一侧安装有一定面积的湿帘;养殖模式为上网下床，发酵床床体宽10 m，垫料体厚约为50 cm，主体材料为木屑、稻壳、麸皮和鸭粪配比混合而成[1720]。

发酵床垫料由含水率为80%～90%新鲜鸭粪经发酵床处理形成。参考土壤或一般有机肥基本测试方法得到有机肥的含水率为45%。经筛分测量，该有机肥颗粒大部分呈近似的球体，粒径分布范围为1.6～2.6 mm，平均粒径2 mm，小部分呈疏松团状。主体材料木屑、稻壳和秸秆，其比例分别为1∶1∶1，含水率为17.1%，容重为148 kg/m3。

2.3 数据分析方法

将空间相关度作为可度量空间自相关的变异所占的比例。协方差函数

协方差函数的参数分别为块金值、偏基台值和主变程。衡量空间变异性程度的块金值与基台值的比值为块金系数。利用克里金插值法预测未知点的值，将离散采样点测量数据转变成连续的数据曲面，在有限区域内对区域化变量进行线性无偏最优估计，如式(2)所示。

式中:——点(x0，y0)处的估计值;λi——权重系数。

权重系数是根据离散采样点的所有测量数据的加权求和来估计未知点的值。权重系数要满足点(x0，y0)处的估计值与实际值z0的差值最小的一系列最优系数，如式(3)所示。

为了方便推导，令J=Var-z o)，使用拉格朗日乘数法进行求解，构造了一个新的目标函数

式中:ϕ——拉格朗日乘数;

Q——最小的参数集。

求解使这个代价函数Q能够满足其在约束下最小化J。为了验证简单克里金插值法(SK)对发酵床温湿度分布情况的估计结果，将实测值与估计值绘制散点图进行比较，计算平均偏差(MBE)和均方根误差(RMSE)。

2.4 发酵床温湿度空间分布试验

在鸭舍内布置远程环境监测模块，测量垫料深度30 cm 处的温度和湿度情况。鸭舍东西走向(X)为100 m，南北走向(Y)为20 m。在Z=30.0 cm 的深度处，分别在Y方向间隔5 m 以及X方向间隔12.5 m均匀布设传感器子单元(图3)。

图3 发酵床测量点布置示意图Figure 3 Layout of measuring points of fermentation bed

3 试验结果与分析

3.1 发酵床温湿度空间自相关性分析

选取2022年1月3日采集的温湿度测量值构建协方差函数(图4)，块金值(C0)为0.001 1，偏基台值(Cj)为1.134 1，主变程为1.162 8。C0/(C0+Cj)为空间相关度，比值为0.001，小于25%，说明了发酵床本身温湿度变化具有较强空间相关性。因此，发酵床垫料的温湿度空间分布情况可以使用简单克里金插值法(simple Kriging，SK)进行研究。

图4 发酵床垫料温湿度值协方差函数Figure 4 Covariance function diagram of temperature and humidity value of fermented mattress

3.2 交叉验证克里金插值法

交叉验证是一种间接验证的方法，在没有实际测得数据的情况下，采用不同位置点的比较结果，来验证数据的精度。以鸭舍发酵床温度测量点为例，在垫料深度约30 cm 处设置了21个温度测量点，逐个将其中一个作为参考点，其余20 个点集选作校验点;选取2022年1月3—6日连续4 d的温度数据，共200组。将校验点集预测得到的温度预测值与实测点集进行对比，如图5(a)所示，拟合方程的斜率Slope=1.009 3，偏移量为-0.351 3，温度实测值与预测值之间的平均偏差为-0.015 ℃，均方根误差为0.292 2 ℃，结果显示预测精度好;同理，湿度预测结果如图5(b)所示，拟合方程的斜率Slope=0.868 2，偏移量为0.097 73，湿度实测值与预测值之间的平均偏差为-0.017，均方根误差为0.68，结果显示预测精度较好。与实测数据相比，融合后预测数据精度高，数据一致性好，其中温度和湿度的偏差-1～1的范围内的预测数据占85%左右，只有少部分数据存在高估和低估的现象。

图5 发酵床温湿度简单克里金插值法验证Figure 5 Verification of simple Kriging interpolation method for temperature and humidity of fermentation bed

进一步分析，以鸭舍发酵床垫料温度变化规律为例，长周期测量约8 d时间，翻耙设备对垫料进行翻抛后，第一个发酵周期垫料温度测量值与预测值的决定系数为=0.970 7;当温度趋于平稳时，开始第二次翻耙，第二个发酵周期测量值与预测值的决定系数为=0.987 5(图6)。简单克里金插值法可较好的模拟发酵床垫料温湿度空间分布情况。

图6 不同发酵周期测量值与预测值的比较Figure 6 Comparison of measured and predicted values in different fermentation periods

3.3 基于SK的发酵床垫料温湿度空间分布

试验选取2022年1月3日的发酵床温湿度测量点数据分析，采用全部200个样点的数据基于简单克里金插值法(SK)研究空间分布情况(图7)，其中温度差异最大的为中部与两端，其中最大值在中部42.718 ℃，最小值出现在两端30.118 ℃，差值为12.6 ℃;湿度整体维持在0.6以上，最大值为0.822 1，发酵床垫料湿度在0.7左右，床体正常发酵，与高温区域对应。两端位置未见明显发酵，主要原因鸭舍两端由于靠近出风口，温度变化不大，与鸭舍室温接近;鸭子活动范围主要靠近鸭舍中部区域，发酵床垫料温度变化剧烈。中部区域温度、相对湿度最大值分别为42.718 ℃、0.820 7，见图7(a)和图7(b)。

图7 鸭舍发酵床垫料内部温湿度分布热力图Figure 7 Thermal diagram of internal temperature and humidity distribution of fermented mattress material in duck house

4 结论

为解决发酵床网上肉鸭养殖过程中鸭粪排放导致的污染环境和降解问题，设计了一种发酵床垫料性能远程监测系统，利用简单克里金插值法进行发酵床垫料内部特性分布研究，不仅可以确定发酵床垫料腐熟规律，还可以通过垫料环境分布情况来为发酵床管控提供数据基础。通过构建发酵床垫料协方差函数图，得出发酵床温湿度具有较强的空间自相关性，以及简单克里金空间插值法可用于发酵床垫料空间分布情况的研究。通过交叉验证的方法验证了简单克里金插值对发酵床垫料预测效果，显然预测结果与测量值高度吻合。

本试验发现鸭舍发酵床垫料温度和湿度的测量值与预测值的均方根误差(RMSE)分别为0.292 2 ℃、0.68，平均偏差(MBE)分别为-0.015 ℃、-0.017，决定系数(R2)分别为0.970 7、0.987 5。整体鸭舍发酵区域集中在设施中部，最高维持在45 ℃以上，靠近出风口处基本趋于室温，发酵床发酵周期约200 h。基于此方法，不仅可以确定发酵床垫料腐熟规律，还可以通过垫料环境分布情况来为发酵床管控提供数据基础。