李文鳳 李龍

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院動(dòng)物工程學(xué)院 陜西省咸陽市 712100）

1 前言

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，養(yǎng)殖業(yè)已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要支柱，隨著居民收人不斷提高，對畜禽產(chǎn)品的需求也持續(xù)增長，因此，傳統(tǒng)的養(yǎng)殖業(yè)正被智能化發(fā)展所代替?！拔锫?lián)網(wǎng)”被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，隨著畜牧業(yè)信息化的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖、生產(chǎn)、畜產(chǎn)品追溯等環(huán)節(jié)，并作為畜牧互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的延伸和有效發(fā)展途徑。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代畜牧業(yè)中的應(yīng)用主要圍繞設(shè)施化畜牧養(yǎng)殖場生產(chǎn)和管理環(huán)節(jié)，通過智能傳感器在線采集養(yǎng)殖場舍內(nèi)、舍外環(huán)境數(shù)據(jù)(二氧化碳、氨氣、硫化氫、空氣溫濕度等)，同時(shí)集成改造現(xiàn)有的養(yǎng)殖場環(huán)境控制設(shè)備、飼料投喂控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖場的智能生產(chǎn)與科學(xué)管理物。物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的加入更快地推進(jìn)了畜牧業(yè)科學(xué)、高效和高質(zhì)量的發(fā)展，建立了畜禽養(yǎng)殖的多維空間系統(tǒng)和預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)了畜牧業(yè)高投入、高集約化和高產(chǎn)出的科學(xué)智慧管理。

物聯(lián)網(wǎng)通常采用M2M、Zigbee、433MHz、Wi-Fi、有線等方式進(jìn)行信息傳輸，主要問題集中在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、供電和成本方面。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）是物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支，以室內(nèi)覆蓋、低成本、低功耗和廣連接為特點(diǎn)，NB-IoT技術(shù)更適合靜態(tài)業(yè)務(wù)、對時(shí)延低敏感、非連續(xù)移動(dòng)、實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)場景，在應(yīng)用場景中尤其適合畜牧業(yè)養(yǎng)殖方向。

基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的肉雞養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)應(yīng)用到現(xiàn)代畜牧業(yè)生產(chǎn)中，通過對畜禽養(yǎng)殖環(huán)境信息的智能感知，安全可靠傳輸以及智能處理，實(shí)現(xiàn)對肉雞養(yǎng)殖環(huán)境信息的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測與智能控制，這也是現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展的重要趨勢。

本系統(tǒng)采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的肉雞養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于肉雞養(yǎng)殖過程中對養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)測和控制，通過氣候類、氣體類傳感器和紅外攝像等收集養(yǎng)殖場的溫濕度、有害氣體、肉雞個(gè)體動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)等信息，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)參數(shù)對養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行分析，以便管理人員及時(shí)根據(jù)預(yù)警參數(shù)進(jìn)行有效控制，管理者也可以根據(jù)PC 端或移動(dòng)端來實(shí)時(shí)監(jiān)控養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)信息并根據(jù)具體數(shù)值進(jìn)行設(shè)備調(diào)控。同時(shí)，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可以有效地減少肉雞肉質(zhì)下降、疫病發(fā)生和死亡等現(xiàn)象，能有效地增加養(yǎng)殖收益。

2 肉雞養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需求分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)需求分析及功能目標(biāo)

肉雞養(yǎng)殖對環(huán)境依賴程度較高，如舍內(nèi)是否保溫、通風(fēng)；溫度、濕度環(huán)境指標(biāo)超標(biāo)；氨氣、二氧化碳等有害氣體超標(biāo)等，均會(huì)導(dǎo)致肉雞產(chǎn)生各種應(yīng)激反應(yīng)及免疫力降低并引發(fā)各種疾病，因此，飼養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測控制是有效防控重大疫病傳播和流行的先決條件。同時(shí)，環(huán)境質(zhì)量還將直接影響肉雞健康和畜產(chǎn)品的品質(zhì)。利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在雞舍內(nèi)部安裝智能傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測畜舍環(huán)境參數(shù)，通過有線或無線傳送到手機(jī)和計(jì)算機(jī)等終端平臺，使管理者能夠?qū)崟r(shí)掌握養(yǎng)殖場環(huán)境信息，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果遠(yuǎn)程控制雞舍內(nèi)相應(yīng)設(shè)備來改變環(huán)境參數(shù)并達(dá)標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)肉雞養(yǎng)殖管理自動(dòng)化、智能化管理和節(jié)能減耗的目標(biāo)（表1 環(huán)境要素采集）。

表1： 環(huán)境要素采集

環(huán)境是影響和制約肉雞生長的重要因素，不同肉雞品種的環(huán)境參數(shù)也各不相同，在密閉飼養(yǎng)環(huán)境中主要考慮溫度、濕度、光照、風(fēng)速和有害氣體等環(huán)境參數(shù)。本系統(tǒng)以肉雞飼養(yǎng)為例，根據(jù)其不同生長階段對環(huán)境參數(shù)的要求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的肉雞養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)就是為實(shí)現(xiàn)對雞舍環(huán)境可實(shí)時(shí)監(jiān)測、調(diào)整，并對閾值進(jìn)行預(yù)警處理，從而保證最適宜的生長環(huán)境信息。

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，在肉雞養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中可滿足以下功能：

（1）對養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行全天24 小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以自主設(shè)定數(shù)據(jù)上報(bào)時(shí)限。對養(yǎng)殖場溫度、濕度、光照、NH、CO等環(huán)境參數(shù)可實(shí)時(shí)監(jiān)測并以數(shù)字形式反應(yīng)在顯示屏；

（2）可以查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并對同類數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行可視化展示，如以折線、柱狀圖等形式體現(xiàn)，從而可以方便查詢各種環(huán)境參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化；

（3）對不同圈舍進(jìn)行分塊監(jiān)測，這樣可以保證在某一圈舍因?yàn)樵O(shè)備原因無法上傳時(shí)可以不影響其余圈舍信息的上傳和和存儲(chǔ)；

（4）環(huán)境參數(shù)具有動(dòng)態(tài)性，對肉雞養(yǎng)殖過程中的飼喂、疫病防控等都會(huì)產(chǎn)生相對影響，因此要保證系統(tǒng)運(yùn)行過程中對環(huán)境參數(shù)的采集、傳輸、顯示等過程的同步；

（5）系統(tǒng)要應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，因此要保證其有效價(jià)值。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示。系統(tǒng)使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行信息采集功能，利用NB-IOT 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對雞舍環(huán)境、肉雞個(gè)體標(biāo)識和動(dòng)態(tài)特征等信息參數(shù)的信息傳輸，將傳感器數(shù)據(jù)高效穩(wěn)定地傳送到應(yīng)用層，最終通過對數(shù)據(jù)信息分析管理來實(shí)現(xiàn)對雞舍環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。系統(tǒng)構(gòu)架主要包括感知層、傳輸層和應(yīng)用層。感知層主要以信息采集為主，通過傳感器模塊、視頻設(shè)備和電源模塊等采集雞舍環(huán)境的相關(guān)參數(shù)；傳輸層使用NB-IOT 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無線數(shù)據(jù)傳播；應(yīng)用層是戶利用終端設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器上的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析以及參數(shù)設(shè)置等實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理。

圖1： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

3 肉雞養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

肉雞養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要針對舍外環(huán)境和舍內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測采集，包括對溫度濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、O、CO、CO、NH等信息的采集，以及養(yǎng)殖舍出入口、糞便處理、雞舍內(nèi)信息等的視頻和圖像及聲音信息的采集。

3.1 感知層設(shè)計(jì)

3.1.1 氣象環(huán)境類傳感器

氣象環(huán)境類傳感器主要包括溫濕度傳感器、光照傳感器、風(fēng)速傳感器等能實(shí)時(shí)感知肉雞生長環(huán)境變化的技術(shù)設(shè)備。

肉雞生長過程中對溫度的控制在各個(gè)階段均有所不同，1-43d 的育雛期分為6 個(gè)階段的溫度控制，43d 出欄的育肥期溫度控制為21℃。如果溫度控制不當(dāng)將會(huì)嚴(yán)重影響肉雞的生長育肥，高溫會(huì)影響其肉質(zhì)和產(chǎn)量降低經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，濕度也是影響肉雞養(yǎng)殖的重要因素，濕度過高或過低均會(huì)造成肉雞生長緩慢、產(chǎn)量下降等不良效果。

針對雞舍溫度和濕度信息采集可以選用DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器，這是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，可以用來測試環(huán)境溫濕度，該傳感器的溫度測量范圍為0-50℃，誤差為2℃；濕度測量在0℃時(shí)范圍為30%-90%RH，在25℃時(shí)，范圍為20%-90%RH，在50℃時(shí)，范圍是20%-80%RH。同時(shí)，這款傳感器能快速、可靠的新型數(shù)據(jù)傳輸，其抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高。

肉雞在飼養(yǎng)過程中光照強(qiáng)度和時(shí)間都有不同的要求，育雛期根據(jù)日齡不同，分為4 個(gè)階段，光照最長時(shí)間需要保證24h，43d-出欄的育肥期要保證20Lux 的光照強(qiáng)度和19-21h的光照時(shí)長。因此，光亮度傳感器采用光敏電阻，其內(nèi)部的光電效應(yīng)和電極無關(guān)，可以使用直流電源，靈敏度和半導(dǎo)體材料、以及入射光的波長有關(guān)，性價(jià)比高。

通風(fēng)是為了更好地保障雞舍的空氣質(zhì)量，調(diào)節(jié)其溫度和濕度，因此，風(fēng)速傳感器的信息可以有效地避免低溫季節(jié)的風(fēng)冷效應(yīng)減少冷應(yīng)激。

3.1.2 氣體類傳感器

肉雞養(yǎng)殖過程中，由于雞的呼吸、糞便發(fā)酵等會(huì)產(chǎn)生影響雞健康生長的有害氣體，若有害氣體超標(biāo)則會(huì)降低肉雞免疫器官指數(shù)和胴體性狀，帶來經(jīng)濟(jì)損失。因此氣體類傳感器可以選擇電化學(xué)傳感器和光學(xué)傳感器，如氧氣傳感器、氨氣傳感器、硫化氫傳感器和一氧化碳傳感器等。具體選擇時(shí)可以考慮MH-Z14 型二氧化碳傳感器、半導(dǎo)體氣體傳感器系列中MQ137 氨氣傳感器和MQ136 硫化氫傳感器等。

3.1.3 多媒體傳感器

主要利用視頻、圖像等多媒體傳感器技術(shù)采集雞舍可視化環(huán)境信息，也包括肉雞的行為和聲音等信息。

3.2 傳輸層設(shè)計(jì)

傳輸層主要是通過NB-IoT 模塊連接到核心網(wǎng)和通信基站，將肉雞養(yǎng)殖的環(huán)境信息通過有線或無線方式傳送給用戶，NB-IoT 無線通信方式適合中遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，連接運(yùn)營商的基站，通過基站會(huì)將接收到的數(shù)據(jù)同步到遠(yuǎn)程云端服務(wù)。

安裝傳感器采集的各項(xiàng)環(huán)境信息，可通過總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絅B-IoT 模塊。傳輸層由NB-IoT 和互聯(lián)網(wǎng)組成，將NB-IoT模塊通過對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)將收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)，后臺服務(wù)器接收采集的數(shù)據(jù)，終端用戶可通過網(wǎng)絡(luò)訪問這些參數(shù)。NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2。

圖2： NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

NB-IoT 構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，使用License 頻段，只消耗大約180KHz 的帶寬。NB-IoT 不需要自己設(shè)計(jì)基站和中間數(shù)據(jù)處理平臺，可以通過運(yùn)營商基站連接到物聯(lián)網(wǎng)中間平臺來確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和安全性。系統(tǒng)采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為肉雞養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳輸部分，可以直接部署于5G 網(wǎng)絡(luò)。占用帶寬窄只用180KHz 的帶寬，其“廣覆蓋、低功耗”的優(yōu)勢可以很好地滿足系統(tǒng)的需求。

4 肉雞養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用基于Windows 平臺NT/2000/2003 可使用IIS 的WEB 服 務(wù) 器、Oracle 數(shù) 據(jù) 庫、 利 用HTML5.0 和JavaScript 等技術(shù)開發(fā)Web 應(yīng)用，通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)資源，方便使用者隨時(shí)了解相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)。肉雞養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由智能傳感子系統(tǒng)、信息傳輸子系統(tǒng)、智能調(diào)控子系統(tǒng)、預(yù)警子系統(tǒng)和監(jiān)管平臺四部分組成，主要功能如圖3。

圖3： 系統(tǒng)軟件功能

（1）智能傳感子系統(tǒng)主要是把傳感器接收的信息轉(zhuǎn)換為規(guī)定格式的內(nèi)容輸出，滿足不同數(shù)據(jù)存儲(chǔ)條件要求，便于其他子系統(tǒng)的調(diào)用和查找。在信息收集時(shí)要保證全天候24小時(shí)的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和存儲(chǔ)，對可遠(yuǎn)程監(jiān)控的圈舍數(shù)據(jù)要保證其視頻、圖像資料的及時(shí)存儲(chǔ)和有效顯示。

（2）信息傳輸子系統(tǒng)是運(yùn)用無線NB-IoT 通信和嵌人式測控等技術(shù)，采用無線采集節(jié)點(diǎn)、無線控制節(jié)點(diǎn)和無線監(jiān)控中心，利用無線網(wǎng)絡(luò)管理軟件，保證采集信息的可靠傳輸，能有效地將數(shù)據(jù)信息上傳至處理平臺。

（3）智能調(diào)控子系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對控制設(shè)備的遠(yuǎn)程自動(dòng)或手動(dòng)控制。根據(jù)環(huán)境參數(shù)的變化通過控制器調(diào)節(jié)溫濕度、通風(fēng)、光照等。通過雞舍傳感器獲取的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行智能控制，包括溫度控制、濕度控制、通風(fēng)控制、光照控制、噴淋控制等。

（4）預(yù)警子系統(tǒng)是保證當(dāng)雞舍的環(huán)境參數(shù)發(fā)生異常超出設(shè)定閾值時(shí)，首先會(huì)在數(shù)控液晶顯示屏上以報(bào)警指示燈和聲音提醒，方便管理人員在圈舍可及時(shí)看到并進(jìn)行有效處理。同時(shí)還會(huì)在移動(dòng)端通過郵件或短信方式通知管理人員，便于管理人員可遠(yuǎn)程控制進(jìn)行處理。并且，對于因設(shè)備原因造成的異常數(shù)據(jù)顯示和設(shè)備故障等問題也可及時(shí)進(jìn)行設(shè)備報(bào)警。報(bào)警系統(tǒng)還可顯示圈舍單獨(dú)報(bào)警和集中報(bào)警，即總控和分舍報(bào)警顯示。

（5）監(jiān)管平臺主要實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、顯示和管理，采用B/S 結(jié)構(gòu)方便用戶隨時(shí)訪問系統(tǒng)了解雞舍的環(huán)境狀況，對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行控制，并以多種方式導(dǎo)出數(shù)據(jù)內(nèi)容方便使用人員管理。管理人員可以查找當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)和監(jiān)控資料進(jìn)行查看，或者分時(shí)段查詢歷史數(shù)據(jù)如一周前、一個(gè)月前的數(shù)據(jù)信息，并以圖表或文字說明等多種形式進(jìn)行顯示。管理人員可以通過電腦端和移動(dòng)端有效的進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控查看和數(shù)據(jù)查找，并通過平臺實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和半自動(dòng)化控制功能的實(shí)現(xiàn)。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是肉雞養(yǎng)殖環(huán)境檢測系統(tǒng)的核心，其具體應(yīng)用是數(shù)據(jù)價(jià)值的直接體現(xiàn)。在保證各程序模塊正常運(yùn)行的情況下良好的人機(jī)交互界面是便于管理者進(jìn)行操作的直接體現(xiàn)。良好的界面顯示可以幫助管理者了解當(dāng)前監(jiān)測數(shù)據(jù)的具體運(yùn)行狀況和變化，保證在數(shù)據(jù)運(yùn)行時(shí)同步匹配時(shí)間、日期。管理者可以通過界面方便的找到功能模塊的實(shí)現(xiàn)入口和顯示方式。

5 結(jié)語

隨著畜牧業(yè)信息化的發(fā)展，養(yǎng)殖業(yè)從傳統(tǒng)轉(zhuǎn)變到智能化發(fā)展對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求會(huì)越來越大，尤其窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有低功耗、低成本、高覆蓋、高網(wǎng)絡(luò)容量的特點(diǎn)，隨著NB-IoT 技術(shù)的深入應(yīng)用，可以把畜牧生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)與互聯(lián)網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理，可輔助畜禽生產(chǎn)上升一個(gè)臺階，大大提升養(yǎng)殖等高附加值的畜禽生產(chǎn)流通領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)的肉雞養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是利用NB-IoT 模塊和傳感器設(shè)備相結(jié)合構(gòu)建了一種畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對雞舍環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集、傳輸、監(jiān)測、控制和管理。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通信距離遠(yuǎn)、功耗低和高覆蓋的特點(diǎn)將遠(yuǎn)程智能管理和養(yǎng)殖生產(chǎn)緊密結(jié)合，即可提高生產(chǎn)效率、降低勞動(dòng)成本，也能實(shí)現(xiàn)跨地域隨時(shí)監(jiān)測和管理，從而為現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)和智能控制技術(shù)的發(fā)展提供基礎(chǔ)。同時(shí)，系統(tǒng)的開放性可以實(shí)現(xiàn)對功能模塊的增加和調(diào)整，也便于應(yīng)用于畜牧業(yè)生產(chǎn)的其他環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)高效便捷的有效管理。