基于IOT 的生猪智能养殖集成系统设计

恽蓓蓓 曾松伟 唐 瑞 曾冠玮

（浙江农林大学光机电工程学院，浙江杭州 311300）

当前，人们对猪肉产品需求量的增加使得我国养猪业处在转型升级的关键时期，但是由于精细化、智能化饲养程度不高导致猪群饲料浪费严重、猪场养殖环境恶劣、猪群卫生安全得不到保障，造成猪肉的品质不高[1]。国外尤其是欧美地区，对猪场的精细化饲喂与智能化养殖管理的研究比较早，养殖模式的工厂化、集约化程度较高，信息化养殖技术已相当普遍和成熟。荷兰Nedap公司的Velos 智能化母猪管理系统采用智能化福利养猪实现了单体母猪的精确饲喂，同时母猪发情监测器和自动分栏器的配置，使得母猪发情鉴定更准确[2]。美国奥斯本工业公司的全自动种猪生产性能测定系统FIRE 实现了对猪群的准确识别，并计算被识别猪的日增重和日采食量[3]。由于数据在不干扰猪只活动的前提下获取，因此所测数据更接近实际情况。国外的精细化饲喂设备适用于大群饲养的猪场，设备费用较高昂。我国的养猪行业中，多为中小猪场且以散户为主[4]，无力负担高昂的设备费用，因此我国现代化养猪业的发展立足于向智能化和低成本的方向发展。刁一峰等[5]基于多传感器ARM 工控技术开发的畜禽自动饲喂控制系统，实现了精确投喂剩余饲料量的最小化控制，该系统可以有效减少人力消耗，节约饲料成本。国内外规模化猪场通常采用无限射频识别技术（RFID）对猪只进行个体识别、行为监测及身体状况数据采集。该技术的应用需要给猪只佩戴电子耳标[6]，然后分别在猪的活动区、饮食区等安装RFID 读写器，可以监测猪只的活动轨迹。由于RFID 技术具有存储量大、精确度高、抗干扰能力强等优势，且使用成本低，故已被广泛应用于畜牧养殖领域。

基于以上分析，本设计以我国目前各大养猪场遇到的精细化饲喂程度不高、猪舍环境得不到改善等问题为出发点，研发一套基于物联网技术的生猪智能化养殖集成系统，将物联网技术与养猪行业结合起来，以此实现对我国养猪场的智能化、信息化管理，实现猪只的高效健康养殖，并减少猪场的环境污染。本设计的实施可以实现3 个重要目标，第一，实现整个生猪养殖过程的精细化、定制化和自动化；第二，实现生猪养殖过程中猪舍环境恶劣问题监控同时调节的解决方案；第三，实现生猪身份追踪，建立完善的个体身份档案的解决方案。

1 系统总体功能要求

所设计的生猪智能化养殖集成系统不仅需要符合动物福利的要求，而且也需要适应我国养猪业的生产要求，其主要解决的问题是实现猪只的精确饲喂，即需要在猪的群养环境下能够快速且准确地识别生猪个体，针对不同体况、不同生长阶段的猪只进行饲料的精细饲喂。由于猪是恒温动物，其自身代谢和产热散热情况与猪舍环境温湿度有密切关系[7]，因此，猪舍的环境监测也十分必要，做到实时监测猪舍环境，保持猪只生长环境良好。系统总体功能如下：①为避免猪群之间争抢饲料，保证猪只有独立的进食环境，饲喂装置是全封闭的；②每头猪佩戴电子耳标，拥有独一无二的ID 号码，猪舍设有身份自动识别系统，能够通过ID 号读取猪只的身份信息，准确且快速地获取该头猪只的体征参数、进食数据等；③智能地根据猪只身体状况、生长阶段设置单次投料量，实现精细化饲喂，下料的同时可以下水，为猪只提供湿拌料，提高饲料的适口性；④根据猪舍安装的环境监测传感器采集的数据，自动调控猪舍环境，为猪只生长营造一个舒适的环境；⑤人机界面方便管理人员查询与下载猪只身份信息，人工设置饲料投喂参数。为实现上述功能，整个系统包括2 个子系统：电子识别与精准饲喂系统和猪舍环境监控系统。

2 电子识别与精准饲喂系统设计

基于STM32 和RFID 的电子识别与精准饲喂系统总体结构框架如图1 所示。饲喂装置入口处设置有接近开关，用于检测装置封闭性，当没有猪只进食时，装置入口处的翻转门保持敞开。当佩戴有电子耳标的猪只需要采食时可以直接进入饲喂装置，随后翻转门会自动关闭，保证了猪只进食环境的独立性。当猪只将头伸进采食槽进食时，安装在采食槽侧面的RFID 耳标读取器会立刻读取该头猪只的耳标编号并发送给STM32 微控制器，控制器通过GPRS 网络关联到后台数据库，方便饲养人员通过显控触摸屏查询该头猪只设定的饲喂量和当日已进食饲料量。系统智能地根据猪只身体状况、生长阶段设置单次投料量，控制投料电机和电磁水阀为该猪只投放饲料并供给相应的饮水。采食完毕后猪只后退离开饲喂装置，翻转门打开等待下头猪只进食。

图1 电子识别与精准饲喂系统总体结构框架

3 猪舍环境监控系统设计

基于ZigBee 的猪舍环境智能监控系统由感知层、传输层、平台层和应用层4 个部分组成，具体如图2 所示，实现对猪舍环境的远程监控和智能调控。

图2 猪舍环境监控系统总体结构

图3 STM32F103RCT6 芯片及外围电路

感知层主要包括环境数据采集模块和视频监控模块。环境数据采集模块采用的是集测量温度、相对湿度、氨气和二氧化碳浓度为一体的无线传感器，该传感器读取环境数据信息，通过ZigBee 无线通信模块将数据发送至主控节点；视频监控模块是摄像头采集猪舍内部的画面信息，经WiFi 无线网络传输到服务器。传输层主要以协调器和STM32 微控制器为核心实现感知层和平台层的数据交互。平台层包括服务器和数据库，服务器主要用于接收由传输层发送来的数据信息和摄像头模块传来的视频信息，经分析处理后储存于数据库中。应用层包括PC 端的Web 监控界面，猪场管理人员可以实时查看猪舍内部环境数据和观测猪舍视频画面，并且可以远程操作外接设备。

猪舍外接设备主要有风机、保温炉、湿帘、卷帘等，与STM32 通过继电器连接。研究表明不同生长阶段的猪只对环境温度、湿度的要求有较大差异，综合考虑后，猪舍内温度一般维持在15～24℃为宜，湿度保持在50%～70%之间[8]。当STM32 检测到的传感器数据显示温度过高时，启动风机工作，使猪舍温度下降，相反温度过低时，启动保温炉工作，使猪舍温度回升；当STM32 检测到的传感器数据显示湿度过高时，启动除湿机构，包括通风换气、释放除湿剂等[9]，相反湿度过低时，启动湿帘工作。

4 系统硬件设计

4.1 主控模块

主控芯片需要与上位机实时进行数据传输，同时还要能够对接收到的信息快速做出判断以下达指令，因此，主控芯片不仅需要具有较高的存储能力，还应具备较快的运算处理能力。基于以上要求，电子识别与精准饲喂系统和猪舍环境监控系统的主控模块均选用STM32F103RCT6 作为主控芯片。该款芯片采用ARM Cortex-M3 内核[10]，其最高时钟频率可达到72 MHz，芯片内含256 Kb 的闪存（FLASH）、48 Kb 的静态随机存储器（SRAM）和丰富的I/O 外接端口，具有高性能、高存储、高运算速度等优点，非常适合处理大量数据。

4.2 RFID 射频识别模块

典型的RFID 射频系统由3 部分组成，如图4 所示，分别是具有唯一电子编码的电子标签；由天线、读写模块、控制模块、接口模块组成的用以读取电子标签信息的读写器；接收通过RS232 串行通信发送信息的上位机。

图4 RFID 射频系统组成

为了克服低频RFID 与读写器之间的传输距离有限的弊端，电子识别与精准饲喂系统采用915 MHz 超高频无源的电子标签作为猪只的电子耳标，能够实现至少5 m 的射频通信。电子标签利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为卡内电路供电[11]，当猪只耳朵上佩戴的电子标签进入天线工作区域时会产生感应电流，电子标签获得能量被激活，将猪只身份ID 号等信息通过内置的发送天线发送出去，大功率接收天线接收到从电子标签发出的载波信号，经天线调节器传送到读写模块，读写模块再对接收到的信号进行解调和解码后传送给PC 端的数据管理系统进行处理。

4.3 环境参数采集模块

通过对试验猪舍环境数据的采集与分析，发现猪舍内部主要超标参数为空气温湿度、氨气和二氧化碳浓度，研究表明猪舍环境达不到安全标准非常容易引发猪病[12,14]。传感器模块选用龙腾伟业LT-CG-S/D-303-M1220-00，该传感器是集温度、湿度、氨气和二氧化碳浓度为一体的无线传感器，可支持ZigBee 协议，且检测精度相对较高。传感器集成模块通过USART 端口可以在异步模式下将采集的环境数据发送至STM32 微控制器。

4.4 无线传输网络设计

利用WiFi 网络建立猪舍内部视频监控系统中的无线网络传输模块，该模块可有效缩短猪舍内部无线网络系统的开发周期，提升猪舍内部视频监控系统的稳定性。

5 系统软件设计

5.1 身份自动识别系统软件流程

电子识别与精准饲喂系统工作时，读写器一直处于检测状态。当读写器检测到有佩戴电子耳标的猪只进入到它发射的磁场范围时，上位机随即可以智能控制投料电机和电磁水阀工作；当猪只离开饲喂装置时，微控制器暂时保存此次数据，并发送至后台数据库，对该猪只的进食数据进行更新，然后进入下1 次循环。身份自动识别系统软件流程如图5 所示。

图5 身份自动识别系统软件流程

5.2 环境监控系统软件流程

环境监控系统首先初始化传感器集成模块和外接设备，其次是建立基于主控节点的ZigBee 网络，组网成功后，将采集的环境参数信息发送给STM32 微控制器，微控制器将数据与设定阈值做出比较，当环境数据参数不在设定范围时，微控制器将相应驱动外接设备工作，以达到改善猪舍环境的目的[14,15]。环境监控系统软件流程如图6 所示。

图6 环境监控系统软件流程

6 结论

随着信息技术和社会生产力的不断发展，实现物联网技术与畜牧业养殖技术有效的结合，完全符合党的十九大报告提出的“发展现代畜牧业，打造绿色农畜经济”的要求。为了满足人们对食品质量、动物福利和环境保护等方面的需求，本研究设计了一套基于物联网技术的生猪智能化养殖集成系统，该系统将生猪从群养模式中解放出来，让生猪可以自由活动、安全采食。智能系统通过射频识别技术获取每头猪的身份ID，然后智能地根据猪的身体状况、生长阶段设置单次投料量，实现自动、精准的供给饲料。本研究实现了基于感知、数据分析及精准饲喂的闭环控制。环境数据采集系统通过实时监测猪舍内部环境，达到了对猪舍内设备的开闭，优化了猪舍环境，提高了生猪健康水平和生产水平。