黃光日，海 濤，楊嘉芃，林國(guó)忠

（1.南寧學(xué)院 機(jī)電與質(zhì)量技術(shù)工程學(xué)院，南寧530200；2.廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南寧530004）

隨著集約、規(guī)?；i養(yǎng)殖模式的發(fā)展，飼養(yǎng)密度不斷增大，其環(huán)境也隨之變得越來(lái)越惡劣，使得養(yǎng)殖場(chǎng)頻繁爆發(fā)疫病和豬肉安全問(wèn)題的惡性事件[1-2]。2018年至2019年間我國(guó)多地發(fā)生非洲豬瘟疫情，豬舍環(huán)境是關(guān)鍵因素，適宜的環(huán)境能有效地提高豬只的抵抗力和繁育力[3-4]。如何有效地監(jiān)測(cè)和調(diào)控豬舍環(huán)境已成為養(yǎng)殖研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

文獻(xiàn)[5]提出了基于PLC的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，但這種方法現(xiàn)場(chǎng)布線困難，排查維修難度大；文獻(xiàn)[6]提出了基于紫蜂（ZigBee）無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，雖解決了布線的問(wèn)題，但ZigBee 通信距離短、組網(wǎng)復(fù)雜、功耗高且抗干擾性差，難以滿足規(guī)模、精細(xì)化豬舍環(huán)境的監(jiān)測(cè)和調(diào)控要求。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)是新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，聚焦于低功率廣域市場(chǎng)[7]，其覆蓋范圍廣、抗干擾性好、傳輸安全等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)種植、孵化系統(tǒng)[8-9]等行業(yè)，但將NB-IoT 用于豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究空白。

本文根據(jù)NB-IoT 的特點(diǎn)和規(guī)模集約化豬舍環(huán)境需求，設(shè)計(jì)了基于NB-IoT和云平臺(tái)技術(shù)的豬舍環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，用傳感器采集環(huán)境信息，通過(guò)NBIoT 無(wú)線通信技術(shù)接入到有人云平臺(tái)。云平臺(tái)嵌入RBF-PID 智能控制技術(shù)根據(jù)所設(shè)閾值自動(dòng)調(diào)控豬舍環(huán)境[10-11]，用戶通過(guò)PC 端或微信小程序端查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、變化曲線、視頻畫(huà)面，報(bào)警通知和自動(dòng)下發(fā)調(diào)控指令等功能，實(shí)現(xiàn)生豬養(yǎng)殖的全程監(jiān)測(cè)、智能管理和即時(shí)服務(wù)，推進(jìn)規(guī)?；⒓s化和精細(xì)化養(yǎng)豬模式發(fā)展。

1 豬舍環(huán)境因子分析

豬只生長(zhǎng)主要受基因、飲食和環(huán)境的影響，其中基因占20%，飲食占40%～50%，環(huán)境占30%～40%[12]?；蚝惋嬍骋欢〞r(shí)，環(huán)境是影響豬只生長(zhǎng)育肥的直接因素，適宜的養(yǎng)殖環(huán)境能充分發(fā)揮基因和飲食的優(yōu)勢(shì)。豬只為恒溫動(dòng)物，調(diào)節(jié)能力弱，溫差過(guò)大會(huì)影響豬只正常生命活動(dòng)；濕度過(guò)高易滋生病菌引發(fā)疫病，濕度過(guò)低易引起呼吸和皮膚等問(wèn)題；光照過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱都不利于進(jìn)食和育肥，適宜的光照能促進(jìn)性腺發(fā)育；有害氣體和可吸入顆粒（PM10）過(guò)高會(huì)降低抵抗力，增加患病概率[13-14]。豬舍中溫度、濕度、光照、PM10 和有害氣體（CO2，H2S，NH3）對(duì)豬只生產(chǎn)影響較大。不同階段豬只所需環(huán)境有所差異，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《規(guī)模豬場(chǎng)環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理》[15]對(duì)豬舍類別進(jìn)行了規(guī)范，豬生長(zhǎng)的適宜環(huán)境范圍如表1所示。

表1 豬生長(zhǎng)的適宜環(huán)境范圍Tab.1 Suitable environmental range for pig growth

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于NB-IoT和云平臺(tái)技術(shù)的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層4 部分組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)模集約化豬舍環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能調(diào)控。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of system

感知層包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊和視頻監(jiān)控模塊。環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊以微處理器STM32 為核心，讀取、檢驗(yàn)和儲(chǔ)存?zhèn)鞲衅鞑杉沫h(huán)境信息發(fā)送給NB-IoT 通信模塊；視頻監(jiān)控模塊是攝像頭采集豬舍內(nèi)部畫(huà)面信息，經(jīng)WiFi 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)狡脚_(tái)層。

網(wǎng)絡(luò)層利用NB-IoT 通信技術(shù)、基站和核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)層和感知層的數(shù)據(jù)交互，基站由運(yùn)營(yíng)商提供和維護(hù)，核心網(wǎng)供應(yīng)云端和終端業(yè)務(wù)傳輸通道，網(wǎng)絡(luò)傳輸總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)傳輸總體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of network transmission

NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)傳輸層在LTE 基礎(chǔ)上優(yōu)化和增強(qiáng)了物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)功能，用戶可根據(jù)需求選擇相應(yīng)的傳輸路徑，網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)圖主要包括用戶終端（UE）、ETRAN 基站（eNodeB）、移動(dòng)性管理實(shí)體（MME）、簽約服務(wù)器（HSS）、業(yè)務(wù)創(chuàng)建環(huán)境（SCEF）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（SGW）、分組數(shù)據(jù)PDN 網(wǎng)關(guān)（PGW）和應(yīng)用服務(wù)器（AS）。MME 是接入網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵控制點(diǎn)，負(fù)責(zé)跟蹤和尋呼控制UE，通過(guò)S6a 接口與HSS 交互信息，實(shí)現(xiàn)用戶驗(yàn)證功能；SGW 負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)；PGW 負(fù)責(zé)UE 和其它網(wǎng)絡(luò)接口的通信上下行計(jì)費(fèi)；SCEF 支持?jǐn)?shù)據(jù)類型Non-IP 在控制面?zhèn)鬏敗Ｓ脩裘鎮(zhèn)鬏斅窂綖閁E-eNodeB-SGW-PGW，控制面?zhèn)鬏斅窂接蠻E-eNodeB-MME-SCEF 和UEeNodeB-MME-SGW-PGW。本文選擇NB-IoT 利用電信物聯(lián)SIM 網(wǎng)卡通過(guò)CoAP 通信協(xié)議上傳數(shù)據(jù)。

平臺(tái)層包括服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)設(shè)計(jì)需求和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在服務(wù)器上配置NB-IoT 參數(shù)、開(kāi)發(fā)profile 和解碼插件等部署，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和電信IoT 交互數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)層將終端數(shù)據(jù)信息上傳到服務(wù)器，經(jīng)服務(wù)器分析處理后儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫(kù)中。

應(yīng)用層包括移動(dòng)端和PC 端的監(jiān)控界面，養(yǎng)殖人員通過(guò)PC 端Web 界面或微信小程序?qū)崟r(shí)查看環(huán)境數(shù)據(jù)、豬舍視頻畫(huà)面、歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警通知等。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)核心是“采集+控制”，包括終端視頻監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)控兩部分組成，采集舍內(nèi)實(shí)況視頻和各環(huán)境參數(shù)傳輸?shù)娇蛻舳耍脩敉ㄟ^(guò)客戶端對(duì)攝像頭、環(huán)境調(diào)控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

3.1 視頻監(jiān)控硬件設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)控由攝像頭和無(wú)線路由器構(gòu)成。選用宇視科技IPC2A5L-IR 筒型攝像頭，通過(guò)ActiveX 控件開(kāi)發(fā)其自帶的SDK 庫(kù)與攝影頭實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交互通信，養(yǎng)殖人員可隨時(shí)隨地通過(guò)PC 或移動(dòng)端遠(yuǎn)程控制攝像頭角度、方位、焦距、拍攝和儲(chǔ)存等功能，查看豬舍現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況、歷史記錄和生豬生長(zhǎng)狀況。

3.2 環(huán)境監(jiān)控硬件設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)控硬件設(shè)計(jì)包括微處理器、傳感器、外接設(shè)備和NB-IoT 通訊模塊的設(shè)計(jì)，總體硬件框架如圖3所示。

圖3 環(huán)境采集端硬件框圖Fig.3 Hardware block diagram of environment acquisition terminal

微處理器選用內(nèi)核為ARM Cortex-M3 的STM-32F103ZET6，其有優(yōu)異的運(yùn)行速度和處理性能，能實(shí)時(shí)響應(yīng)處理豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)信息，512 KB Flash 存儲(chǔ)容量大，板載十幾種接口，能滿足豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)部署外設(shè)資源的需求。

傳感器模塊選用CLE-1012-401 NH3濃度檢測(cè)、CLE-0112-402 H2S 濃度檢測(cè)、PMS7003 CO2濃度檢測(cè)、S8-0053 PM10 檢測(cè)、AM2320 空氣溫濕度、BH1750FVI 光照強(qiáng)度傳感器構(gòu)成，其中NH3，H2S 傳感器為電化學(xué)氣體傳感器，需經(jīng)LMP91000 芯片信號(hào)調(diào)理后才能被STM32 的ADC 通道讀取數(shù)據(jù)，STM32 分別通過(guò)單總線、IIC 接口讀取溫濕度、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，UART 接口讀取PM，CO2數(shù)據(jù)。

外接設(shè)備包括風(fēng)機(jī)、卷簾、濕簾、加熱、噴霧、通風(fēng)和補(bǔ)光等裝置，與STM32 通過(guò)繼電器連接，在繼電器的驅(qū)動(dòng)電路中加入光耦隔離電路來(lái)防止電磁干擾[16]。

NB-IoT 通訊模塊選用WH-NB73 模組，支持CoAP 和UDP 兩種透?jìng)髂Ｊ剑鶕?jù)不同運(yùn)營(yíng)商物聯(lián)網(wǎng)卡選擇相應(yīng)的透?jìng)鞣绞脚c云平臺(tái)相互通信，通過(guò)UART 串口與STM32 交互通信。微處理器STM32 讀取各傳感器采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)WH-NB73 和電信物聯(lián)網(wǎng)SIM 卡通過(guò)CoAP 模式接入NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)上傳云平臺(tái)，當(dāng)超出環(huán)境閾值時(shí)，云平臺(tái)下發(fā)控制指令調(diào)控相應(yīng)外接設(shè)備繼電器開(kāi)關(guān)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由采集端節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控平臺(tái)兩部分組成，環(huán)境采集端采集豬舍內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)NBIoT 無(wú)線技術(shù)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)控。

4.1 環(huán)境采集端程序設(shè)計(jì)

根據(jù)程序設(shè)置的采集周期驅(qū)動(dòng)傳感器采集豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)，系統(tǒng)微處理器STM32 和WH-NB73 模組初始化后，NB73 模組配網(wǎng)，系統(tǒng)進(jìn)入超低功耗（PSM）休眠模式，當(dāng)定時(shí)器中斷周期開(kāi)始，STM32 輪詢讀取各傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)校驗(yàn)正確后儲(chǔ)存、匯總，由CONNECT 模式的NB73 模組傳輸?shù)皆破脚_(tái)；云端后臺(tái)查看數(shù)據(jù)，分析處理，若超出所設(shè)閾值，云平臺(tái)下發(fā)控制指令調(diào)控相應(yīng)設(shè)備，當(dāng)20 s后無(wú)數(shù)據(jù)交互NB73 模組進(jìn)入IDLE 模式，再2 s 后仍無(wú)數(shù)據(jù)交互進(jìn)入PSM 模式，終端數(shù)據(jù)上云周期結(jié)束。調(diào)控模式設(shè)手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，自動(dòng)模式采用RBF 自整定PID 算法智能調(diào)控豬舍環(huán)境。環(huán)境采集端主流程如圖4所示。

圖4 環(huán)境采集端主流程Fig.4 Main flow chart of environment collection terminal

4.2 云平臺(tái)開(kāi)發(fā)

根據(jù)所使用的NB73 選用有人云平臺(tái)，其支持私有部署和二次開(kāi)發(fā)的成熟SaaS 平臺(tái)，解決了訪問(wèn)服務(wù)器對(duì)接電信IoT 繁瑣的操作。上位機(jī)監(jiān)控界面在云平臺(tái)上開(kāi)發(fā)，云端添加溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等傳感器模塊和控制模塊，選用電信IoT/CoAP 透?jìng)髂Ｊ剑琈odbus 通訊協(xié)議，輸入設(shè)備IEMI和SN 實(shí)現(xiàn)與終端NB73 交互通信，該平臺(tái)支持?jǐn)?shù)據(jù)的增刪改查、報(bào)警推送、視頻監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警記錄查詢等功能，并設(shè)置微信、短信和郵箱3 種報(bào)警方式，有人云平臺(tái)數(shù)據(jù)更新和報(bào)警推送界面如圖5所示。

圖5 有人云平臺(tái)數(shù)據(jù)更新和報(bào)警推送界面Fig.5 Data update and alarm push interface of manned cloud platform

基于有人云平臺(tái)SDK 二次開(kāi)發(fā)了微信小程序端，優(yōu)化其功能和界面，與有人云端同步更新。小程序共5 個(gè)功能，包括基本信息、報(bào)警記錄、歷史數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控和養(yǎng)殖百科。飼養(yǎng)員監(jiān)測(cè)與調(diào)控豬舍環(huán)境更方便快捷，基礎(chǔ)信息端將數(shù)據(jù)更新、環(huán)境閾值設(shè)置和調(diào)控功能集為一體。歷史數(shù)據(jù)端以變化曲線圖、表格兩種方式呈現(xiàn)；視頻監(jiān)控界端是24 小時(shí)記錄豬舍實(shí)況，微信小程序端界面如圖6所示。

圖6 微信小程序端界面Fig.6 WeChat applet interface

5 系統(tǒng)性能測(cè)試與分析

本文將該系統(tǒng)應(yīng)用于桂南某生豬養(yǎng)殖基地某個(gè)生長(zhǎng)育肥豬舍，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性，根據(jù)桂南地區(qū)7月氣候特征、養(yǎng)殖實(shí)際情況和豬舍環(huán)境規(guī)范要求設(shè)置了相應(yīng)環(huán)境閾值（圖6（a）），在豬舍內(nèi)布設(shè)了6 個(gè)NB-IoT 無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信性能和整體功能進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，包括NB-IoT模塊通信穩(wěn)定性、豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性和遠(yuǎn)程調(diào)控性能測(cè)試。

5.1 系統(tǒng)通信測(cè)試

因網(wǎng)絡(luò)堵塞、設(shè)備故障等問(wèn)題，NB-IoT 無(wú)線通信模塊向云端服務(wù)器傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)發(fā)生丟包現(xiàn)象，丟包問(wèn)題不可避免的。為驗(yàn)證系統(tǒng)信號(hào)在傳輸過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性，設(shè)置NB-IoT 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)每10 min 向云端服務(wù)器傳輸一次，選取2020年7月10日至2020年7月15日6 天的數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本，每個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)上傳864 個(gè)數(shù)據(jù)包，提取6 個(gè)終端節(jié)點(diǎn)所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)分析，通信丟包率結(jié)果如表2所示。

表2 通信丟包率結(jié)果Tab.2 Communication packet loss rate results

測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)通信穩(wěn)定性好，所選6 天中每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包平均為856 個(gè)，平均丟包率為0.91%，通信成功率在99%以上。

5.2 系統(tǒng)測(cè)試與分析

為驗(yàn)證采集環(huán)境數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在7：00～18：00記錄整點(diǎn)時(shí)豬舍現(xiàn)場(chǎng)各環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)，與NB-IoT 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，豬舍現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集數(shù)據(jù)值如表3所示，NB-IoT 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)如表4所示，兩種測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差如圖7所示。

圖7 兩種測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差Fig.7 Relative errors of two measurement results

表3 豬舍現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集數(shù)據(jù)Tab.3 Data for field equipment collection in piggery

表4 NB-IoT 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)Tab.4 Data collected by NB-IoT wireless sensor network

通過(guò)表3、表4 和圖7 可知，兩種測(cè)量結(jié)果的溫度、濕度、H2S 和NH3相對(duì)誤差約±0.5，而光照、PM10和CO2相對(duì)誤差約±5，而溫度、濕度、光照、PM10、CO2、H2S 和NH3平均相對(duì)測(cè)量誤差分別為±0.233 ℃，±0.291%，±2.75 Lx，±2.58 ug/m3，±2.25×10-6，±0.216×10-6和±0.175×10-6，均在合理范圍內(nèi)，表明NB-IoT 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率高。

5.3 系統(tǒng)調(diào)控性能分析

根據(jù)豬舍環(huán)境因子分析可知，適宜的環(huán)境有助于豬只健康生長(zhǎng)和生產(chǎn)；為此，本系統(tǒng)嵌入RBF-PID智能控制算法自動(dòng)調(diào)控豬舍個(gè)各環(huán)境因子。選擇兩個(gè)環(huán)境基本相同的豬舍，一個(gè)豬舍采用RBF-PID 智能控制算法調(diào)控，一個(gè)為普通豬舍調(diào)控，以豬舍溫度和濕度為例，24 小時(shí)內(nèi)溫濕度對(duì)比結(jié)果如圖8 和圖9所示。

圖8 溫度對(duì)比結(jié)果Fig.8 Temperature comparison results

圖9 濕度對(duì)比結(jié)果Fig.9 Results of humidity comparison

普通豬舍的溫度變化曲線先增后減，在14 點(diǎn)達(dá)到最高溫33.2 ℃，而濕度隨著溫度的升高而降低，在16：00 達(dá)到51.7%，且長(zhǎng)時(shí)間處于高溫低濕狀態(tài)，而RBF-PID 調(diào)控的豬舍溫度在25 ℃、濕度在69%上下波動(dòng)，能維持豬只健康生長(zhǎng)和生產(chǎn)的適宜環(huán)境，光照強(qiáng)度、PM10、CO2、H2S 和NH3濃度均能采用RBF-PID 實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控，調(diào)控的準(zhǔn)確度高。

6 結(jié)語(yǔ)

基于NB-IoT和云平臺(tái)技術(shù)的豬舍環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，NB-IoT 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、傳輸豬舍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，云平臺(tái)端利用RBF 自整定PID 控制算法自動(dòng)調(diào)控舍內(nèi)各環(huán)境因子，同時(shí)豬舍內(nèi)的攝像頭，24 小時(shí)記錄豬舍實(shí)際情況，用戶PC 端和微信小程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)控。并實(shí)地驗(yàn)證系統(tǒng)通信穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和調(diào)控有效性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)通信穩(wěn)定，通信成功率可達(dá)99%；測(cè)量的各環(huán)境因子平均相對(duì)誤差在合理范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率高；自動(dòng)模式下能長(zhǎng)時(shí)間將溫度、濕度等調(diào)控在所設(shè)定的范圍內(nèi)。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠，能有效提高了監(jiān)測(cè)和控制自動(dòng)化程度，降低疫病率，提高生豬生產(chǎn)和豬肉質(zhì)量，為現(xiàn)代化豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)提供新的設(shè)計(jì)方案。