賈安峰 劉永寧 王 眾 鄭業(yè)魯* 鐘日聰 路鵬云

（1廣東廣墾畜牧工程研究院，廣東廣州 510000；2東莞市廣墾食品有限公司，廣東東莞 523000；3廣東廣墾畜牧集團(tuán)股份有限公司，廣東廣州 510000）

物聯(lián)網(wǎng)是利用各種傳感技術(shù)，按照一定的通信協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把物與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)控制、早期診斷和維護(hù)的一種巨大智能網(wǎng)絡(luò)。豬舍環(huán)境中的溫度、濕度和有害氣體濃度對(duì)豬的生長(zhǎng)影響巨大[1]，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)豬舍內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能控制[2]，豬舍環(huán)境惡劣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)需結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)從技術(shù)架構(gòu)上來(lái)看，可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

1.1 感知層

感知層的功能是實(shí)現(xiàn)物與物之間相關(guān)信息的識(shí)別和采集，感知層由攝像頭、GPS、傳感器等與短距離傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。攝像頭、GPS、傳感器等設(shè)備用來(lái)進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)采集；短距離傳輸網(wǎng)絡(luò)是將傳感設(shè)備收集到相關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)或者將應(yīng)用平臺(tái)控制指令傳送到控制器[3]。

1.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)主要由數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸和電源管理4大模塊構(gòu)成。監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)采集模塊主要包含各種傳感器，如溫濕度、有害氣體傳感器等。數(shù)據(jù)處理模塊主要是簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)傳輸模塊包括有線傳輸?shù)慕宇^串口或者無(wú)線傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)送器；電源模塊即給整個(gè)監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)供電；有些監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊；這些模塊均連接在微處理器上，微處理器即單片機(jī)。

在傳感器的安裝方面，由于廣東的亞熱帶氣候，常年高溫高濕，再加上豬場(chǎng)經(jīng)常沖水和消毒，因此，除了需考慮成本外，還需要考慮傳感器的材質(zhì)、防護(hù)等級(jí)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、抗干擾能力、抗腐蝕能力和功耗等因素。豬舍環(huán)境中溫度、濕度和氨氣濃度相對(duì)于其他環(huán)境因子對(duì)豬生長(zhǎng)性能的影響較大。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)豬舍內(nèi)的溫度、濕度、氨氣濃度的傳感器進(jìn)行選擇。

⑴溫度傳感器主要有熱敏電阻型、熱電偶型和光纖傳感器3種（表1）。熱敏電阻型溫度傳感器的材質(zhì)主要有半導(dǎo)體類、金屬類和合金類。半導(dǎo)體類材料的電阻與其流度呈指數(shù)關(guān)系，因此測(cè)量溫度的范圍較狹窄、均勻性也較差；金屬類主要是鎳測(cè)溫傳感器，鎳是一種較理想的材料，因?yàn)樗懈叩撵`敏度，且具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性；熱敏電阻合金類均具有較高的電阻率和電阻溫度系數(shù)，因此可以制成小型化、高靈敏度的測(cè)溫傳感器，廣泛地用于環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)。熱電偶型溫度傳感器的材質(zhì)，一般的導(dǎo)電材料均適用，易被空氣腐蝕，且空氣的水分也影響其穩(wěn)定性?，F(xiàn)階段研究的光纖溫度傳感器主要是半導(dǎo)體吸收式溫度傳感器、輻射式溫度傳感器和光纖熱色傳感器等。這類傳感器的精度很高，但價(jià)格昂貴[7]。從成本、防護(hù)等級(jí)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、抗干擾能力、抗腐蝕能力和功耗等因素再結(jié)合豬舍內(nèi)部環(huán)境因素考慮，熱敏電阻合金類溫度傳感器相對(duì)更適合于豬場(chǎng)。

⑵濕度傳感器有5種類型，分別是：電阻式氯化鋰濕度計(jì)、露點(diǎn)式氯化鋰濕度計(jì)、碳濕敏元件、氧化鋁濕度計(jì)和陶瓷濕度傳感器（表2）。這些濕度傳感器均是非密封性的，為了確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性及使用壽命，應(yīng)盡量避免在酸性、堿性及含有機(jī)溶劑的環(huán)境中使用，也應(yīng)避免在粉塵較大的環(huán)境中使用。為準(zhǔn)確反映所監(jiān)測(cè)環(huán)境的濕度，應(yīng)避免將濕度傳感器放置在離墻壁太近或空氣不流通的死角處。若被測(cè)空間太大，應(yīng)分布式放置多個(gè)傳感器。針對(duì)濕度傳感器對(duì)工作環(huán)境的要求，可選用廠商提供的相關(guān)附件，如保護(hù)套、水冷卻、空氣冷卻系統(tǒng)、空氣吹掃器等，這些保護(hù)裝置可有效地保護(hù)濕度傳感器，延長(zhǎng)傳感器使用壽命。若從傳感器價(jià)格、結(jié)構(gòu)、精度等角度進(jìn)行考量，幾種均適合；碳濕敏元件中的濕敏電容式濕度傳感器其電容變化量與相對(duì)濕度成正比，其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、濕度的滯后量小、無(wú)沖蝕效應(yīng)、便于制造、容易實(shí)現(xiàn)小型化和集成化，可優(yōu)先選擇此類濕度傳感器。

⑶氨氣傳感器根據(jù)其材質(zhì)和原理不同分為金屬半導(dǎo)體傳感器、導(dǎo)電高聚物傳感器、電化學(xué)傳感器、納米材料傳感器、光纖傳感器和電子鼻6種（表3）。金屬半導(dǎo)體傳感器的最佳使用溫度在300℃左右，不適合豬舍；導(dǎo)電高聚物傳感器隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，靈敏度降低，穩(wěn)定性下降；電化學(xué)氨氣傳感器內(nèi)含有液體電解質(zhì)，電解質(zhì)的蒸發(fā)或污染均易減弱傳感器信號(hào)，但利用NIFION膜研制的固態(tài)電解質(zhì)氨氣傳感器，穩(wěn)定性好，1年的信號(hào)損失率僅為1%；納米材料傳感器價(jià)格昂貴；光纖傳感器昂貴且分析周期長(zhǎng)；電子鼻精確度不夠。結(jié)合豬舍及氨氣傳感器的特點(diǎn)，建議優(yōu)先選擇氨氣電化學(xué)傳感器。

1.1.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸方式分為：有線信號(hào)傳輸和無(wú)線信號(hào)傳輸。有線信號(hào)傳輸基本原理是借助光、電信號(hào)作為傳輸介質(zhì)通過(guò)雙絞線、電纜、光纖、數(shù)據(jù)線等傳輸媒介實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸送[13]。有線信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)：①具有良好的傳輸性能；②抗干擾能力強(qiáng)、準(zhǔn)確性高；③信息安全性高。缺點(diǎn)：①信號(hào)傳輸不方便，且傳輸距離有限，需要架設(shè)電纜、光纜等，成本高；②維修難[14]。

無(wú)線信號(hào)傳輸工作原理是利用電磁波、聲波，傳輸?shù)男畔⒁来谓?jīng)過(guò)信息采集、調(diào)制、放大、發(fā)射、接收、選臺(tái)、解調(diào)、放大和還原等環(huán)節(jié)[15]。無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)：①傳輸信息容量大、覆蓋面廣、性價(jià)比高；②維護(hù)方便、綜合成本低；③適應(yīng)性、擴(kuò)展性好。缺點(diǎn)是：①抗干擾能力差；②技術(shù)要求高。

表1 溫度傳感器

綜上所述，在豬舍內(nèi)部使用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，可減少布線的麻煩，傳感器節(jié)點(diǎn)的安裝更方便；在豬舍棟與棟之間使用有線通信傳輸，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性更好。信息采集之后可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程用戶通信，目前無(wú)線信號(hào)的傳輸方式有很多，如Wi-Fi、藍(lán)牙、NFC、Zigbee、UWB和LoRa等（見表4）。單棟豬舍內(nèi)部建議選用無(wú)線信號(hào)傳輸方式，由于豬舍內(nèi)部環(huán)境因子變化慢、數(shù)據(jù)傳輸量較小，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性要求不高；所以，目前國(guó)內(nèi)高校及企業(yè)關(guān)于畜禽舍環(huán)境監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要采用的是Zigbee技術(shù)[3,7]建立無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模式（如圖1）。

表2 濕度傳感器

表3 氨氣傳感器

表4 幾種無(wú)線信號(hào)傳輸方式的比較

圖1 Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模式圖

由圖1可知，主節(jié)點(diǎn)就是協(xié)調(diào)器，它是整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心部分，負(fù)責(zé)建立一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并將其他節(jié)點(diǎn)加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)并分配給相應(yīng)地址，提供路由信息、安全管理和其他服務(wù)。路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)信息和維護(hù)網(wǎng)內(nèi)路徑，允許子節(jié)點(diǎn)通過(guò)它加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。通常情況下，路由節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)均不能休眠。終端節(jié)點(diǎn)主要任務(wù)是發(fā)送信息，通常終端節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)休眠的方式來(lái)降低能耗，但其不能轉(zhuǎn)發(fā)信息。

節(jié)點(diǎn)通常由干電池供電，其能量有限，且更換不便。節(jié)點(diǎn)的能量有限已成為制約無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)重要因素，如何減少節(jié)點(diǎn)的能量開銷變得尤為重要。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)增加節(jié)點(diǎn)壽命的方法進(jìn)行了大量研究，主要是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的路由算法進(jìn)行研究，包括以下幾種方法：①基于能量有效性分簇的粒子群優(yōu)化算法；②一種加入移動(dòng)基站的優(yōu)化路由算法；③一種加入移動(dòng)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和匯合節(jié)點(diǎn)的LEACH優(yōu)化算法等。筆者認(rèn)為這些方法均治標(biāo)不治本，節(jié)點(diǎn)仍面臨需要定期更換等問(wèn)題。

當(dāng)前我國(guó)，由于很多豬場(chǎng)建在偏遠(yuǎn)的地方，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸不暢，周邊又無(wú)基站。這些較偏遠(yuǎn)的豬場(chǎng)可嘗試采用LoRa技術(shù)建立無(wú)線信號(hào)傳輸。LoRa是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)方面的長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸能力，LoRa技術(shù)在高性能、遠(yuǎn)距離、低功耗等方面特點(diǎn)突出。其無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)類似于Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

筆者認(rèn)為，目前國(guó)內(nèi)高校及農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)公司采用的大多數(shù)是基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，若現(xiàn)在養(yǎng)殖基地利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行豬舍環(huán)境監(jiān)控，可采用Zigbee無(wú)線技術(shù)；同樣，可以找一個(gè)場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)嘗試豬舍環(huán)境監(jiān)控。

1.1.3 繼電器

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要構(gòu)建“全面感知—可靠傳輸—智能決策—自動(dòng)控制”的閉環(huán)，才能起到真正指導(dǎo)生產(chǎn)的作用。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)同時(shí)還負(fù)責(zé)控制豬舍環(huán)境調(diào)控設(shè)備運(yùn)行的任務(wù)，系統(tǒng)通過(guò)繼電器交流接觸器的方式控制風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)網(wǎng)等環(huán)境調(diào)控設(shè)備的運(yùn)行。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層的功能主要是完成豬舍內(nèi)所采集相關(guān)信息的傳遞和處理。網(wǎng)絡(luò)層由接入網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)兩部分構(gòu)成。接入網(wǎng)絡(luò)是連接感知層的網(wǎng)橋，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到核心網(wǎng)絡(luò)。核心網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)多種方式組成的互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵技術(shù)包括移動(dòng)通信技術(shù)、有線寬帶技術(shù)、公共交換電話網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)終端技術(shù)等[4]。 建在偏遠(yuǎn)地方的養(yǎng)豬場(chǎng)，聯(lián)網(wǎng)不方便，可 釆用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)；信息到數(shù)據(jù)中心后的傳播基本都是基于Internet的傳輸。

1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層的主要功能是實(shí)現(xiàn)與實(shí)際應(yīng)用所需數(shù)據(jù)的處理和管理。應(yīng)用層主要由物聯(lián)網(wǎng)中間件和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用件兩部分構(gòu)成。物聯(lián)網(wǎng)中間件即獨(dú)立的軟件或程序，它的作用一方面是管理計(jì)算機(jī)資源和網(wǎng)絡(luò)通信，另一方面是把兩個(gè)獨(dú)立應(yīng)用程序或獨(dú)立系統(tǒng)連接起來(lái)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用件是指物聯(lián)網(wǎng)中用戶直接使用的各種應(yīng)用軟件。應(yīng)用層的關(guān)鍵技術(shù)主要有軟件技術(shù)、云計(jì)算等各種數(shù)據(jù)處理技術(shù)。應(yīng)用層中移動(dòng)端或PC端軟件，應(yīng)結(jié)合豬場(chǎng)生產(chǎn)的需要，設(shè)計(jì)相應(yīng)的界面。

2 豬舍環(huán)控物聯(lián)網(wǎng)模型

隨著豬場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)豬場(chǎng)管理便捷的要求也隨之提高，一種比較合理的畜禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)該包括養(yǎng)殖場(chǎng)服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、信息中心服務(wù)器、中繼節(jié)點(diǎn)、集成控制器以及傳感器終端和可視端（PC端或移動(dòng)端） （見圖2）。畜禽舍里的中繼節(jié)點(diǎn)收集各位置的傳感器終端發(fā)送來(lái)的信息，經(jīng)匯合、處理，發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，再通過(guò)遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸傳至服務(wù)器。圖2的系統(tǒng)構(gòu)架，就是在傳感器中繼節(jié)點(diǎn)處通過(guò)RS485總線連接風(fēng)機(jī)、水簾等設(shè)備的集成控制器。

圖2 豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架

3 結(jié)語(yǔ)

構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的畜禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，是提高畜禽生產(chǎn)養(yǎng)殖效率的重要手段。養(yǎng)豬企業(yè)在選擇物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)中，除了考慮物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中所需軟硬件設(shè)備及信號(hào)傳輸途徑外，還應(yīng)該結(jié)合豬場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

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（部分參考文獻(xiàn)略）