劉陽春 胡小安 偉利國 李亞碩 周麗萍

（中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，北京，100083）

0 引言

畜禽健康養(yǎng)殖是指動物養(yǎng)殖過程的安全、健康以及飼料營養(yǎng)的無公害，達到保護人類安全和維護社會穩(wěn)定的目的[1]。環(huán)境、品種、飼料和疾病是構(gòu)成畜禽健康養(yǎng)殖的4大技術(shù)限制因素，其中，環(huán)境監(jiān)測是畜禽健康養(yǎng)殖關(guān)鍵限制因子[2]。畜禽的生長環(huán)境直接影響畜禽的健康，尤其是封閉式的畜禽舍，光照有限，溫度、濕度波動比較大，有害氣體不容易散發(fā)，這些均對畜禽的生長繁殖影響比較大[3]。因此，根據(jù)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的特點，對溫度、濕度、有害氣體濃度等主要環(huán)境參數(shù)準確和實時監(jiān)測是十分有必要的。以監(jiān)測數(shù)據(jù)為參考依據(jù)，對畜禽舍養(yǎng)殖環(huán)境進行調(diào)控，能大大提高畜禽舍管理效率。

計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動化控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，為畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測、預(yù)警和控制提供了很好的技術(shù)手段。傳感器網(wǎng)絡(luò)采用無線通信技術(shù)，可實現(xiàn)分布式部署，能最大程度的減少器件連線，降低系統(tǒng)搭建、維護的費用和難度，同時提高系統(tǒng)的可擴展性[4]。

本文設(shè)計的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)，將傳感器技術(shù)、無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化控制技術(shù)以及遠程管理技術(shù)等先進技術(shù)結(jié)合在一起，能實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理與分析、自動預(yù)警、遠程調(diào)控等功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)主要由環(huán)境參數(shù)傳感器、遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊（DTU）、Wi-Fi 模塊、移動巡檢車、車載終端、服務(wù)器、客戶終端等設(shè)備組成。在每個畜禽舍內(nèi)，移動巡檢車按照預(yù)定軌道行駛，安裝在移動巡檢車上的車載終端通過無線Wi-Fi 模塊采集安裝在畜禽舍各處的溫度、濕度、硫化氫、氨氣、PM1.0 和PM2.5 等傳感器值；然后通過串口通信傳輸?shù)紻TU，DTU 通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；系統(tǒng)平臺通過Web 服務(wù)對外提供服務(wù)；用戶通過客戶終端設(shè)備訪問系統(tǒng)服務(wù)，實現(xiàn)對畜禽舍養(yǎng)殖環(huán)境的遠程管理和調(diào)控。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器采集設(shè)計

畜禽舍養(yǎng)殖環(huán)境因素主要包括溫度、濕度、硫化氫含量、氨氣含量以及空氣潔凈度，其中，空氣潔凈度又分為PM1.0 和PM2.5 兩種參數(shù)。因此，本文主要采用的傳感器有溫濕度傳感器、硫化氫傳感器、氨氣傳感器、PM1.0 傳感器和PM2.5 傳感器，完成6 個參數(shù)的測量。

傳感器信息采集采用PIC 單片機完成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 傳感器采集結(jié)構(gòu)框圖

單片機通過CAN 總線采集溫度與濕度值，通過485總線采集有毒有害氣體含量值以及空氣潔凈度值，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，通過SPI 接口輸出至液晶屏顯示，并通過USART串行口輸出給Wi-Fi 模塊，將所有傳感器信息發(fā)送給移動巡檢車。另外，預(yù)留了I/O 輸出，可以控制電磁閥開關(guān)，對畜禽舍內(nèi)設(shè)施進行調(diào)控。

2.2 車載終端設(shè)計

車載終端是以單片機為核心開發(fā)的，其主要功能包括：接收傳感器信息、數(shù)據(jù)處理和存儲、遠程數(shù)據(jù)傳輸。整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)采用的是無線Wi-Fi 和GPRS 網(wǎng)絡(luò)的方式。移動巡檢車在畜禽舍內(nèi)按規(guī)劃路徑行走，其車載終端通過Wi-Fi 模塊讀取傳感器節(jié)點信息，最終把數(shù)據(jù)集中到遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊（DTU），并由DTU 經(jīng)過GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳送到遠程的服務(wù)器上，經(jīng)服務(wù)器把數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫上并對上層應(yīng)用提供服務(wù)。這樣的方式可以靈活部署傳感器節(jié)點，不受地域距離限制，并且具備充分的可擴展性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計要充分考慮硬件系統(tǒng)的特點和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，不但要滿足系統(tǒng)的功能需求，還要滿足用戶對系統(tǒng)操作的方便性。本文設(shè)計的軟件系統(tǒng)主要分為兩部分：數(shù)據(jù)通信服務(wù)程序和基于Web 的應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)通信服務(wù)程序主要是接收DTU 發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行解析、處理并保存于數(shù)據(jù)庫中；應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)的主要功能是為用戶提供環(huán)境參數(shù)實時展示、參數(shù)查詢、分析、調(diào)控及其他管理功能。

3.1 數(shù)據(jù)通信服務(wù)程序設(shè)計

數(shù)據(jù)通信服務(wù)程序通過多線程技術(shù)監(jiān)聽、接收和處理遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送來的請求。數(shù)據(jù)通信服務(wù)程序會監(jiān)聽指定的端口，當(dāng)監(jiān)聽到遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送來的請求后，會創(chuàng)建一個線程來處理該請求，解析請求中的功能代碼，根據(jù)不同的功能代碼分配相應(yīng)的處理流程，處理流程根據(jù)制定好的通信協(xié)議解析請求數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

3.2 Web 應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)是基于Spring3.0 的MVC 框架搭建的。前臺展示層運用了JSP 和JQuery 技術(shù)，JSP（Java Server Page）是Sun 公司推出的新一代動態(tài)網(wǎng)站開發(fā)語言，完全解決了目前ASP 和PHP 腳本級行的缺點。JSP 可以在Servlet 和JavaBean 的支持下，完成功能強大的動態(tài)網(wǎng)站程序開發(fā)，JSP 頁面展示技術(shù)所擁有的強大標(biāo)簽庫和JQuery所提供的豐富JS 腳本庫，強有力地保障了絢麗的頁面展示效果。持久層采用Spring 的JDBC Templete 技術(shù)與數(shù)據(jù)庫進行交互，Spring 的JDBC Teamplate 技術(shù)實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)庫資源的全面管理，包括異常處理和資源的創(chuàng)建和釋放，提高了系統(tǒng)性能，增強了系統(tǒng)異常處理能力。業(yè)務(wù)邏輯處理過程采用Spring 的Transaction 聲明式事務(wù)管理機制進行事務(wù)管理，有效地防止了“臟”數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，防止了數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題，保證了事務(wù)的原子性、一致性、隔離性、持久性。系統(tǒng)采用Spring 的Security 框架進行系統(tǒng)角色、權(quán)限管理，該框架提供了多種用戶身份認證功能，并提供了角色判斷功能，對企業(yè)級平臺中定制模式的權(quán)限管理方式提供了穩(wěn)定且嚴密的解決方案。系統(tǒng)主界面如圖4 所示。

2015 年1 月底在北京大信禽業(yè)有限公司的某養(yǎng)殖場安裝配置了該整套系統(tǒng)，共安裝了4 個傳感器節(jié)點，經(jīng)過一段時間的運行和調(diào)試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，應(yīng)用平臺能實時采集顯示畜禽舍的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，在環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定閾值時，能及時預(yù)警，畜禽舍管理人員可以遠程對現(xiàn)場設(shè)備進行調(diào)控。

4 結(jié)束語

圖4 系統(tǒng)主界面

本文針對畜禽健康養(yǎng)殖對智能化環(huán)境監(jiān)測、預(yù)警和控制的需求，設(shè)計開發(fā)了一套畜禽養(yǎng)殖環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用移動巡檢車通過Wi-Fi 無線采集傳感器數(shù)據(jù)，并通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)遠程發(fā)送給服務(wù)器，在服務(wù)器上進行基于B/S 的Web 應(yīng)用開發(fā)。這樣的方式可以靈活部署傳感器節(jié)點，不受地域距離限制，并且具備充分的可擴展性。

經(jīng)過實際應(yīng)用及用戶操作體驗，結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)采集實時、準確性好，在環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定閾值時，能及時預(yù)警，畜禽舍管理人員可以遠程對現(xiàn)場設(shè)備進行調(diào)控，有效提高了畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的管理效率和自動化水平。

[1] 王雷雨,孫瑞志,曹振麗. 畜禽健康養(yǎng)殖中環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)研究[J]. 農(nóng)機化研究, 2012(10)∶119-203.

[2] 梁萬杰,曹靜,凡燕,等.羊舍環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[C]. 中國畜牧獸醫(yī)學(xué)會信息技術(shù)分會2013 年學(xué)術(shù)研討會, 2013：274-279.

[3] 趙杰,李維煒,等. 畜舍內(nèi)環(huán)境的控制與改善[J].上海畜牧獸醫(yī)通訊, 2012(6)∶65-66.

[4] 刁智華,陳立平,吳剛,等. 設(shè)施環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2008,24(7)∶146-150.