連京華 李惠敏 孫凱 殷若新 林樹乾 宋敏訓(xùn)

摘 ?要：基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)開發(fā)了家禽養(yǎng)殖環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，利用傳感器智能化監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖環(huán)境中溫度、濕度以及空氣中氨氣、粉塵濃度等重要指標(biāo)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心。用戶利用身邊電腦或移動(dòng)終端等對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家禽養(yǎng)殖環(huán)境信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行最佳優(yōu)化調(diào)控。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);養(yǎng)殖環(huán)境;遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè);控制;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S818.9 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ? ? 文章編號(hào)：1673-1085（2015）07-0007-04

近年來，我國家禽業(yè)逐步以公司或集團(tuán)化為養(yǎng)殖主體，實(shí)行大規(guī)模、愈來愈標(biāo)準(zhǔn)化的家禽生產(chǎn)格局。不管是養(yǎng)雞，還是水禽旱養(yǎng)，養(yǎng)殖環(huán)境都是極為重要的影響因素。尤其在全密閉式、高密度的現(xiàn)代飼養(yǎng)模式下，禽舍內(nèi)養(yǎng)殖環(huán)境的控制更為重要。與家禽生產(chǎn)相關(guān)性較大的舍內(nèi)環(huán)境因素包括溫度、濕度以及空氣中的有害氣體，如氨氣、硫化氫、粉塵、二氧化碳等和光照條件等[1]。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并隨時(shí)調(diào)控這些環(huán)境指標(biāo)，使家禽保持在適宜條件下，是家禽健康發(fā)育和發(fā)揮正常生產(chǎn)性能的必要基礎(chǔ)。目前，種禽生產(chǎn)企業(yè)較為重視養(yǎng)殖環(huán)境的管理和調(diào)控，一般依據(jù)對(duì)禽舍內(nèi)溫度的監(jiān)測(cè)指標(biāo)并利用風(fēng)機(jī)、濕簾等通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行控制，但監(jiān)測(cè)參數(shù)單一，沒有對(duì)氨氣、粉塵等重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)技術(shù)低、智能化程度低，達(dá)不到養(yǎng)殖環(huán)境最佳優(yōu)化和合理調(diào)控的目的，不適宜我國現(xiàn)代化、標(biāo)準(zhǔn)化家禽生產(chǎn)的需要。

隨著3G、4G網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)已無處不在，特別是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。第35次《中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》顯示，截至2014年12月，中國網(wǎng)民規(guī)模達(dá)6.49億，互聯(lián)網(wǎng)普及率為47.9%，較2013年底提升2.1%，手機(jī)網(wǎng)民規(guī)模達(dá)5.57億，占網(wǎng)民總數(shù)的85.8%。2014年中國網(wǎng)民的人均周上網(wǎng)時(shí)長達(dá)26.1h?？梢?，隨著科技的進(jìn)步，臺(tái)式微機(jī)、筆記本電腦以及智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)終端的普及應(yīng)用，加上無處不在的有線和無線網(wǎng)絡(luò)，我們真正進(jìn)入了互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代?？梢哉f現(xiàn)在家禽生產(chǎn)管理者的日常工作離不開微機(jī)，也離不開互聯(lián)網(wǎng)。特別是智能手機(jī)已成為家禽生產(chǎn)管理者隨身攜帶并普遍使用的移動(dòng)上網(wǎng)工具。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的家禽養(yǎng)殖環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，便于家禽生產(chǎn)管理者通過微機(jī)或智能手機(jī)等移動(dòng)終端，即使在異地也可隨時(shí)隨地獲取和監(jiān)控養(yǎng)殖環(huán)境信息，不受時(shí)間和地點(diǎn)區(qū)域的限制。系統(tǒng)的開發(fā)無疑對(duì)家禽生產(chǎn)的信息化、智能化管理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 ?物聯(lián)網(wǎng)的概念

自溫家寶總理2009年8月在無錫考察時(shí)提出“感知中國”，“物聯(lián)網(wǎng)”一詞就成為當(dāng)下社會(huì)時(shí)興的熱門詞。它是通過各種感知設(shè)備（感知層）和互聯(lián)網(wǎng)，連接物體與物體的，全自動(dòng)、智能化采集、傳輸（傳輸層）與處理信息的，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地和科學(xué)管理（應(yīng)用層）的一種網(wǎng)絡(luò)?！熬W(wǎng)絡(luò)化”、“物聯(lián)化”、“互聯(lián)化”、“自動(dòng)化”、“感知化”、“智能化”是物聯(lián)網(wǎng)的基本特征[2]。

那么，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的家禽養(yǎng)殖環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，即可應(yīng)用于臺(tái)式微機(jī)、筆記本電腦，也可應(yīng)用于智能手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備，通過有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)，使家禽生產(chǎn)管理者在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)對(duì)家禽養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)控的愿望成為現(xiàn)實(shí)。

2 ?家禽養(yǎng)殖環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

家禽養(yǎng)殖環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由環(huán)境參數(shù)采集模塊、無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和短信通信模塊組成。

2.1 ?環(huán)境參數(shù)采集模塊 ?家禽養(yǎng)殖環(huán)境是指家禽養(yǎng)殖舍內(nèi)的飼養(yǎng)小環(huán)境。影響家禽生產(chǎn)的環(huán)境因素有很多，我們監(jiān)測(cè)對(duì)象是具有重要生產(chǎn)意義的環(huán)境參數(shù)，包括舍內(nèi)溫度、濕度以及空氣中氨氣、粉塵濃度等。利用溫濕度傳感器、氨氣傳感器、粉塵傳感器，對(duì)上述4項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行智能化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

2.2 ?無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊 ?如果利用傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息通信，不僅現(xiàn)場(chǎng)布線復(fù)雜，而且成本高，也不能滿足生產(chǎn)實(shí)際需要。因而，采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)對(duì)采集到的各路數(shù)據(jù)進(jìn)行高效、可靠地傳輸，匯集到總節(jié)點(diǎn)。

2.3 ?遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊 ?該模塊負(fù)責(zé)將總節(jié)點(diǎn)海量數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)Internet自動(dòng)傳輸?shù)疆惖財(cái)?shù)據(jù)庫，并按時(shí)間順序儲(chǔ)存入數(shù)據(jù)庫。供數(shù)據(jù)管理模塊使用[3]。

2.4 ?數(shù)據(jù)管理模塊 ?該模塊將上傳的各路數(shù)據(jù)信息進(jìn)行儲(chǔ)存、分析、統(tǒng)計(jì)、檢索等管理和異常處理。設(shè)置Web管理服務(wù)器，負(fù)責(zé)響應(yīng)和管理微機(jī)和異地移動(dòng)終端的訪問，當(dāng)用戶成功登錄該系統(tǒng)的URL地址時(shí)，Web管理服務(wù)器訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提取最新監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，供用戶訪問、查詢。也可供用戶歷史查詢。

2.5 ?短信通信模塊 ?在數(shù)據(jù)分析和處理中，若某一路數(shù)據(jù)被“認(rèn)為”異常，即超出該項(xiàng)環(huán)境參數(shù)設(shè)定的閾值范圍，則自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)該模塊發(fā)送短信告知生產(chǎn)管理人員，便于及時(shí)采取環(huán)境調(diào)控措施。

3家禽養(yǎng)殖環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 ?系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì) ?家禽養(yǎng)殖環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要包括環(huán)境參數(shù)傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、MSP430微處理器、顯示屏、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、聲光報(bào)警器以及GSM模塊等組成。

3.1.1 ?溫濕度傳感器 ?禽舍內(nèi)的溫度和濕度是家禽養(yǎng)殖環(huán)境調(diào)控中的重要參數(shù)。溫濕度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)中選用了精度高、可靠性好的SHT71傳感器。SHT71是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技術(shù)的新型溫濕度傳感器， 該傳感器即可檢測(cè)溫度，又可檢測(cè)濕度，集信號(hào)調(diào)理、數(shù)字變換、串行數(shù)字通訊口及數(shù)字校準(zhǔn)等與一體，具有免外圍元件、長期穩(wěn)定等特點(diǎn)[4]。

3.1.2 ?氨氣傳感器 ?系統(tǒng)中選用了MIC系列固定式氣體檢測(cè)變送器，這是一款國際標(biāo)準(zhǔn)智能化傳感器，可以檢測(cè)空氣中氨氣的百分含量（%）濃度，并將濃度按正比關(guān)系轉(zhuǎn)換成4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。其技術(shù)特點(diǎn)為：完全實(shí)現(xiàn)了三線制氣體變送器的數(shù)字化、智能化;4～20mA信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)RS485數(shù)字信號(hào)輸出，可實(shí)時(shí)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊;現(xiàn)場(chǎng)查看、設(shè)定、校準(zhǔn)以及維護(hù)非常方便。

3.1.3 ?粉塵傳感器 ?系統(tǒng)中選用了光學(xué)式粉塵濃度檢測(cè)變送器，型號(hào)為DS200。其特點(diǎn)為可作為測(cè)試環(huán)境灰塵的參考，適用范圍0～50mg/m3;穩(wěn)定時(shí)間為5min;光學(xué)原理，反應(yīng)時(shí)間快;結(jié)構(gòu)考慮空氣動(dòng)力原理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)采樣，可以長期使用;友好型設(shè)計(jì)，使維護(hù)更簡(jiǎn)單;滿足國家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和WHO對(duì)于顆粒物的空氣質(zhì)量準(zhǔn)則值所規(guī)定的數(shù)值范圍測(cè)試要求。

3.1.4 ?數(shù)據(jù)采集模塊 ?系統(tǒng)使用Siemens S7-200系列PLC，應(yīng)用西門子公司為其配套的Step7 Micro Win軟件編程，完成對(duì)環(huán)境各傳感器數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)編碼[5]。

3.1.5 ?MSP430微處理器 ?根據(jù)家禽養(yǎng)殖環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能要求，選用了MSP430F149，是由美國德州儀器TI公司開發(fā)的16位微處理器。它的基本特點(diǎn)包括：具有豐富的尋址能力，眾多的片內(nèi)寄存器及有效的查表處理方法，可簡(jiǎn)便地編制出高效的程序;豐富的片上外設(shè)，微處理器上集成了較多的片上外圍模塊，包含：12位A/D，精密模擬比較器，硬件乘法器，看門狗及眾多的輸入輸出接口;執(zhí)行速度快，執(zhí)行速度可達(dá)8MIPS[4]。非常適合于性能要求高、功耗低的家禽養(yǎng)殖場(chǎng)。

3.1.6 ?GSM模塊 ?采用法國WAVECOM公司Fastrack M1206模塊，該模塊是一種工業(yè)級(jí)GSM模塊，性能穩(wěn)定，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。使用時(shí)配置一個(gè)獨(dú)立的SIM卡。Fastrack M1206模塊通過串口和監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接，使用RS232協(xié)議通信，通過AT命令控制，比特率可達(dá)115 200比特/s。

3.2 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 ?監(jiān)控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn) ?在監(jiān)控計(jì)算機(jī)（也可設(shè)在養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)）上由環(huán)境監(jiān)控軟件完成環(huán)境各路數(shù)據(jù)信息遠(yuǎn)程傳輸?shù)慕邮铡⒋鎯?chǔ)、顯示以及數(shù)據(jù)分析和處理，其實(shí)現(xiàn)流程見圖3。

3.2.2 ?供用戶訪問的Web頁面功能實(shí)現(xiàn) ?供用戶訪問的Web頁面采用動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁ASP和無線標(biāo)記語言（WML）編程來實(shí)現(xiàn)。主要完成對(duì)登錄用戶身份的識(shí)別，發(fā)送最新監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，還可以根據(jù)用戶的請(qǐng)求發(fā)送歷史數(shù)據(jù)。

3.2.3 ?短信告警功能的實(shí)現(xiàn) ?當(dāng)禽舍內(nèi)某一環(huán)境參數(shù)超出預(yù)設(shè)的閾值范圍時(shí)，例如，夏季高溫天氣，2周齡后的肉仔雞舍內(nèi)溫度超過30℃時(shí)，環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)立即啟動(dòng)GSM模塊， 自動(dòng)發(fā)送短信告知指定生產(chǎn)管理人員。監(jiān)控程序與通信模塊之間采用AT指令實(shí)現(xiàn)相互之間的控制與通信。報(bào)警短信以文本為主，短信格式設(shè)置為文本格式。

3.3 ?養(yǎng)殖環(huán)境優(yōu)化控制的實(shí)現(xiàn) ?家禽養(yǎng)殖遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)通過環(huán)境控制器連接各種環(huán)境控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)科學(xué)調(diào)節(jié)、按需優(yōu)化環(huán)境的功能。環(huán)境控制設(shè)備包括各式風(fēng)機(jī)、濕簾、卷簾、通風(fēng)窗、暖風(fēng)爐等，主要采用并聯(lián)的方式接入主控器，主控器控制模式既可設(shè)置為手動(dòng)控制，又可設(shè)置為智能控制。當(dāng)設(shè)置為智能控制模式時(shí)，主控器接收并執(zhí)行異地遠(yuǎn)程終端監(jiān)控軟件發(fā)來的指令，從而對(duì)環(huán)境設(shè)備進(jìn)行合理的調(diào)控。

4 ?結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)的家禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，融智能傳感技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)于一體，在有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，利用電腦、智能手機(jī)等登錄系統(tǒng)，無論在當(dāng)?shù)剡€是異地，就可隨時(shí)查看家禽養(yǎng)殖環(huán)境信息，進(jìn)而根據(jù)環(huán)境信息變化及時(shí)科學(xué)調(diào)控舍內(nèi)小環(huán)境，無論是在寒冷冬季，還是在高溫夏季等任何異常的外界環(huán)境下，均可確保在標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖模式下家禽安全生產(chǎn)，確保家禽生產(chǎn)性能的正常發(fā)揮，有效避免疾病的發(fā)生和死亡。

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