基于物联网的肉鸡生产环境及体征监控预警平台的设计与应用

韦冰，赵光煜，陈长喜，张万潮，吴凯

（天津农学院 计算机与信息工程学院，天津 300392）

随着全球经济快速发展，畜牧业也快速地发展起来，各国专家对畜禽生长环境的恶化问题都有了充分的认识和高度的重视[1]。经过研究发现，养殖栋舍的恶劣环境会使其生产能力下降 10%以上。由此可以看出养殖栋舍的环境对于禽畜生长和经济价值有着重要的影响。同时，研究发现，将禽畜养殖舍中的温度、光照、湿度、氨气和PM2.5等环境因素控制在一个相对合理的范围，会大大减少禽畜的死亡率[2-4]。所以可对养殖栋舍中影响禽畜生长的关键环境因素进行综合数据分析，通过调整相关环境因素变化，使养殖栋舍的养殖环境得到有力改善，从而有效减少畜禽的发病机率。同时，在设计环境监控系统采集数据时，需要考虑软硬件的稳定性、监管准确性和经济性，以降低企业的生产成本[5-7]。

综上所述，该研究以物联网技术为基础，依托国家肉鸡产业技术体系智能化养殖岗位科学家项目和天津市科技局互联网融合创新重大专项项目，结合行业标准，设计了肉鸡生产环境及体征监控预警平台。该平台包括肉鸡监测网站平台和生产主体系统，其中网站平台用于原始监测数据获取和分发、生产主体注册和GIS展示、资料下载、成功案例展示和相关信息发布等；生产主体系统用于基本信息维护、养殖环境数据维护、实时数据监测、视频监控、监控预警和环境调控实现等。实践表明，该平台能够实现肉鸡生产环境中温度、湿度、光照、氨气和视频等参数采集、分析、预警和相关控制，有利于促进肉鸡生产安全、降低管理成本、提升管理效率。

1 系统分析

生产主体管理员需要先添加基本信息，包括岗位、人员和设备信息，并设定好环境参数阈值。工程人员需要将相应的环境监测设备和视频设备安装调试完毕。平台管理员需要将环境监测设备添加进入云端MQTT服务系统。原始监控数据首先经由传感器通过网络上传至MQTT云服务器，然后平台通过相关协议将云端数据传输到本地服务器平台数据库，最后将平台数据库里的监控数据分发到各生产主体数据库。生产主体系统根据设定的阈值判断数据是否需要预警，如有温度预警，生产主体管理员可通过系统控制风扇对养殖栋舍进行温度调控。

2 总体设计

2.1 技术框架规范

肉鸡生产环境及体征监控预警平台开发采用C#.NET与ASP.NET在Microsoft的“.NET”技术框架下进行开发。后台数据库系统采用Microsoft SQL Server 2008R2数据库平台。设计过程中，采用了模块化开发思想，降低了各模块的耦合性。平台基于用户名与密码实现安全认证（密码采用MD5技术进行加密），赋予不同的用户角色不同的权限[8]。

肉鸡生产环境及体征监控预警平台架构采用B/S架构模式，该架构下各用户的增、删、查、改等操作直接应用于远程数据库。

2.2 平台组成

肉鸡生产环境及体征监控预警平台包括一个用于生产主体系统用户登录、技术服务、生产主体GIS展示、信息发布和设备添加云端服务等模块的网站平台和生产主体管理系统，生产主体管理系统包括肉鸡生产环境基础数据管理、环境设备管理、视频设备管理、监测参数管理、实时监控管理和系统控制面板等模块。如图1所示。

图1 肉鸡生产环境及体征监控预警平台组成

3 关键技术

3.1 GIS技术

该平台利用现有成熟的GIS技术和Microsoft SQL Sever 2008 R2数据库实现了对国家肉鸡产业技术体系二十余个相关试验站的位置标记展示、官网链接和生产主体管理系统跳转的功能。查看时可以根据所属省份进行下拉查询。核心代码如下。

3.2 传感网技术

传感网技术是一种跨学科技术，传感网由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。它能够根据研究人员需求实时地感知、检测和采集该检测区域内感知对象的各种信息，并对这些信息进行处理，然后通过相关协议以有线或无线方式发送给特定的设备[8-14]。

本平台根据实际走访，明确了产品需求，需要实时采集养殖场地的温度、湿度、光照、氨气、PM1.0、PM2.5、PM10和 TSP等环境参数，以实现养殖栋舍实时环境监测，并实现环境智能调控。在设计的过程中，考虑到设备运行环境在养殖场地都位于偏远郊区，但因为有人员居住，具备广电网络环境。养殖栋舍虽然有墙壁遮挡，但场地内比较空旷，设备间距离也比较远，不方便使用有线通讯方式等。通过多种数据采集方案对比，最终确定了基于NB-IoT通讯的无线通讯方案。该通讯方式不受地域限制，只要有广电网络覆盖就可以在任何有互联网的地方实时接收到环境数据。初步明确了设备软硬件实现方案和基本功能需求，明确装置需集成RTC时钟、数据存储、支持多传感器接入及NB-IoT无线通讯等基本功能。部署传感器时，每个鸡舍都放置这几种传感器，每隔10 min（时间可自由设定）采集一次数据。数据通过无线网络传送到服务器后，经过应用软件处理后保存到数据库，并以曲线图的形式在前台监控系统显示鸡舍的环境状况，环境监测和终端控制页面如图2所示。

图2 环境监控页面

生产主体数据库每收到一个监测数据即与预先设定的对应环境参数的阈值进行比对，当监控数据出现异常时，监控系统以弹窗的形式发出报警信号通知监控人员。监控人员通过平台可以远程对养殖栋舍风扇进行开启和关闭，实现对养殖环境的实时智能调控。阈值设定和调控页面如图3所示。环境参数的阈值由生产主体提供，可以根据季节变化进行实时调整。

图3 监控阈值和实时调控页面

3.3 视频监控技术

视频监控技术已进入以智能视频摄像头为主的智能应用时期，视频监控主要是通过智能化的识别工具对视频图像进行分析，并将信息转换成对用户有价值的数据[15]。视频监控技术是畜禽智能化养殖的重要组成部分，成熟的视频监控方案实施可以在很大程度上节省养殖人员巡检时间，节约养殖场巡检成本。该平台目前在实际部署时，每个养殖栋舍安装 6个摄像头，分别在栋舍的 4个角和中间位置。采用web方式控制视频监控设备的插件和JavaScript接口程序，实现了基于.NET的动态页面视频监控浏览和控制。Web监控实现了对摄像头变焦、旋转等操作，对NVR实现了可回放等功能。视频监控管理页面如图4所示。

图4 视频监控管理

4 平台实现

4.1 数据库实现

4.1.1 数据库

平台数据库设计采用多数据库的方式。数据库包括：网络平台数据库和肉鸡生产主体数据库。其中，肉鸡生产主体数据库是肉鸡生产主体生产活动时用到的数据库，每个肉鸡生产主体都有自己的数据库，因其基本数据结构是相同的，故采用同一个数据库模板[8]。

4.1.2 数据表

主要的肉鸡生产主体数据库表包括部门表、栋舍表、岗位表企业基本信息表、员工表、环境参数表、环境参数调控规则表、环境参数调控设备表、控制设备表、圈笼表、视频设备表和系统日志表等在内的29个表。

网络平台数据库表包括环境监测原始记录表、权限表、平台角色表、一级菜单表、二级菜单表、设备表、企业表、平台用户表、新闻分类表和新闻表等在内的22个表。

4.1.3 存储过程、触发器与函数

为了提高运行效率，平台均采用存储过程来实现数据库表的增、删、改和查等数据操作。企业数据库生成、平台数据库和生产主体数据库之间的数据同步和更新采用触发器与函数来实现。

4.2 平台实现

肉鸡生产环境及体征监控预警平台主要具有几个功能：①各系统登录；②GIS展示；③各种信息如相关政策、市场动态、养殖技术（包括视频）和成功案例发布；④生产主体注册等。生产主体管理系统包括：系统首页、基础数据管理、监测参数管理、实时监控管理和系统控制面板等。平台首页如图5所示。

图5 肉鸡生产环境及体征监控预警平台主页

其中，生产主体系统基础数据管理包括部门管理、岗位管理、栋舍管理、安装点位管理、设备管理和环境参数阈值管理等功能；实时监控管理包括环境监测和视频监测两部分功能；控制面板包括企业基本信息、密码修改和系统日志管理。

5 结果与讨论

该平台从实际出发，将物联网技术应用于肉鸡生产环境及体征监控预警方面，通过对传感器网络、自动控制、视频监控、GIS和HTML5等技术研究与应用，形成了一套集数据采集、监控预警、智能控制、GIS展示和信息发布为一体的肉鸡生产环境及体征监控预警解决方案。截至目前，应用的软件平台和硬件设备均运行良好，环境传感器采集数据精确，稳定性强，视频监控画面清晰，基本满足了企业相关需求，达到了预期效果。肉鸡生产环境及体征监控预警平台已经在江苏某养殖公司初步应用，该公司共有40余栋鸡舍，常年存栏地方特色蛋、肉鸡种鸡等12万余套。该公司现为农业农村部蛋鸡标准化示范场、肉鸡产业技术体系综合试验站和江苏农村科技服务超市总店家禽产业示范基地。自2020年上半年至今，新冠肺炎疫情对全球畜禽养殖企业影响深远，传统的人工养殖方式正在经历严峻的考验。该公司养殖模式为笼养模式，通过应用肉鸡生产环境及体征监控预警平台，公司对部分养殖栋舍进行了智能化改造，安装了环境监测设备24台、远程总控设备4台、环境调控设备16台和视频监控设备24台，实现了养殖栋舍的温度、湿度、光照、氨气、PM1.0、PM2.0、PM2.5和TSP等环境数据的实时监测、预警和环境调控功能，视频监控方面实现了养殖栋舍关键部位的实时监控。提高了养殖栋舍的信息化水平和管理效率，节省了人力成本，很大程度上提高了企业的生产效率。

在平台实现和应用过程中，研究发现平台在养殖环境智能控制、死鸡自动识别和抓取以及推广应用方面还有一些问题需要完善和解决[16-18]。其中，在养殖环境智能控制方面，平台实现了风扇自动控制，可以调节养殖舍的温度。但在湿度调节方面，尚未实现水帘智能控制；在视频识别方面，尚未实现养殖过程中死鸡自动识别和抓取，平台下一步应加大死鸡识别和抓取技术研发；在平台推广上，可以考虑将生产环境及体征监控预警技术应用到其他畜禽养殖领域，如奶牛、肉羊或特种动物养殖等。