基于服務(wù)發(fā)現(xiàn)的自動(dòng)化禽舍監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于群 張鳳航 王秀麗 周筑南

摘要：為了解決因禽舍網(wǎng)絡(luò)環(huán)境差而引起的監(jiān)控問(wèn)題，在禽舍監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并研發(fā)了一種可伸縮的、高可用的、自動(dòng)化調(diào)節(jié)的禽舍監(jiān)控調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并提供歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)解決了生產(chǎn)環(huán)境中傳統(tǒng)無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)控服務(wù)可用程度差、監(jiān)控站點(diǎn)伸縮困難、調(diào)控過(guò)分依賴于人工等問(wèn)題，測(cè)試結(jié)果證實(shí)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)是可行的，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、高質(zhì)量、集約化養(yǎng)殖的目的。

關(guān)鍵詞：禽舍監(jiān)控;服務(wù)發(fā)現(xiàn);一致性;高可用;自動(dòng)化調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)：S818.9? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020）14-0162-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.034 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract：In order to improve the monitoring problem caused by the poor network environment of the poultry house， a scalable， highly available， automatically adjusted poultry house monitoring and adjustment system was designed and developed based on the analysis of the poultry house monitoring data. The standard interface design of historical monitoring data solved the problem that the traditional wireless real-time monitoring service in the production environment was poorly usable， the monitoring station was difficult to expand， and the regulation was too dependent on labor. The test results confirmed that the system design was feasible and realizes the purpose of automation，high quality and intensive farming.

Key words： poultry house monitoring; service discovery; high availability; consistency; automatic adjustment

畜禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究始于20世紀(jì)70 年代，最先發(fā)起的是荷蘭、美國(guó)和日本[1]。而以色列環(huán)境控制系統(tǒng)是現(xiàn)階段國(guó)際比較典型的代表性產(chǎn)品，可監(jiān)測(cè)溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、光照、CO2、降雨量等參數(shù)[2，3]。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)禽舍環(huán)境進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為畜禽疫病的暴發(fā)和傳播與畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的不斷惡化關(guān)系密切。

由于禽舍網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差、傳統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)站的技術(shù)局限性等原因，導(dǎo)致傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性較差、監(jiān)控站點(diǎn)伸縮困難、調(diào)節(jié)過(guò)分依賴于人工等亟待解決的問(wèn)題。本研究通過(guò)合理的架構(gòu)方案解決網(wǎng)絡(luò)傳輸不穩(wěn)定時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及控制指令傳輸不穩(wěn)定的問(wèn)題。該方案借鑒互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中微服務(wù)[4，5]架構(gòu)思路，解決監(jiān)控站點(diǎn)的可用性和伸縮性問(wèn)題，并通過(guò)類狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)監(jiān)控時(shí)的自適應(yīng)性調(diào)節(jié)。通過(guò)在生產(chǎn)環(huán)境中的測(cè)試，證明了系統(tǒng)切實(shí)解決了以上問(wèn)題，為家禽的科學(xué)管理提供輔助決策支持。

1 傳統(tǒng)無(wú)線禽舍監(jiān)控方案

王冉等[6]設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的畜舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng);高中霞等[7]基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)禽舍內(nèi)進(jìn)行環(huán)境因素的監(jiān)測(cè);張書濤等[8]進(jìn)行了分布式無(wú)線禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì);孫凱等[9]進(jìn)行應(yīng)用于移動(dòng)終端的禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在這些傳統(tǒng)的禽舍環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大體為3個(gè)部分：下位機(jī)監(jiān)控分站、上位機(jī)監(jiān)控中心及Android平臺(tái)客戶端（web前端），傳統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種架構(gòu)模式存在下位機(jī)出現(xiàn)故障排查較為困難、調(diào)節(jié)機(jī)制仍然依賴于人工調(diào)節(jié)、網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)癱瘓、更換下位機(jī)監(jiān)控分站時(shí)需要重新設(shè)置或研發(fā)上位機(jī)控制中心等問(wèn)題。

2 改進(jìn)后系統(tǒng)架構(gòu)方案

考慮實(shí)際中禽舍網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差等原因，系統(tǒng)采用普通計(jì)算機(jī)提供基礎(chǔ)的監(jiān)控及調(diào)節(jié)服務(wù)的離線上位機(jī)控制中心，借鑒有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)模式，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)掉線后的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。改進(jìn)后的系統(tǒng)服務(wù)器端分為3層：在線上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、離線上位機(jī)控制中心和下位機(jī)監(jiān)控分站。

在線上位機(jī)監(jiān)控中心可以一次性完成多個(gè)離線上位機(jī)的控制，尤其適用于較大的集約化大型養(yǎng)殖禽舍群的管理，可以根據(jù)實(shí)際情況伸縮目標(biāo)離線上位機(jī)的控制，減少不必要的運(yùn)維工作。系統(tǒng)將軟件及硬件分離管理，下位機(jī)更換傳感器或者增加檢測(cè)項(xiàng)目時(shí)，可以自動(dòng)發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)監(jiān)控項(xiàng)，減小監(jiān)控邏輯與硬件之間的耦合度。并且系統(tǒng)提供多個(gè)訪問(wèn)接口，包括安卓移動(dòng)客戶端、網(wǎng)頁(yè)端、其他監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析端，完成標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)及調(diào)控系統(tǒng)。改進(jìn)后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

下位機(jī)物聯(lián)網(wǎng)感知終端實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因子，包括空氣溫濕度、光照度、風(fēng)速、CO、CO2、NH3、粉塵濃度等。信號(hào)由485信號(hào)轉(zhuǎn)換板處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由微處理器進(jìn)行分析決策，同時(shí)數(shù)據(jù)由物聯(lián)網(wǎng)傳輸終端上傳至上位機(jī)監(jiān)控中心，上位機(jī)監(jiān)控中心負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)，并調(diào)度下位機(jī)的工作，從而調(diào)控禽舍環(huán)境處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，使動(dòng)物生長(zhǎng)處于最佳狀態(tài)，合理優(yōu)化資源。

3 改進(jìn)后系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 在線上位機(jī)設(shè)計(jì)

在線上位機(jī)分為3層，包括邏輯控制層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層和狀態(tài)機(jī)管理層（圖3）。其中，邏輯控制層主要提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)服務(wù)，包括監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)、狀態(tài)機(jī)的運(yùn)作狀態(tài)呈現(xiàn)、狀態(tài)機(jī)具體的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn);并為用戶直接調(diào)控具體下位機(jī)、調(diào)節(jié)狀態(tài)機(jī)參數(shù)提供了訪問(wèn)接口，對(duì)需求監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)提取接口。不同場(chǎng)景的數(shù)據(jù)使用方式不同，系統(tǒng)內(nèi)部提供面向監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的HBase數(shù)據(jù)庫(kù)、面向?qū)崟r(shí)調(diào)控命令及狀態(tài)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)的Redis數(shù)據(jù)庫(kù)和常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)所需信息的MySQL，充分發(fā)揮各項(xiàng)數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)，以提供穩(wěn)定高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。狀態(tài)機(jī)層負(fù)責(zé)監(jiān)控和調(diào)節(jié)下位機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)。

3.2 離線上位機(jī)控制中心設(shè)計(jì)

離線上位機(jī)控制中心結(jié)構(gòu)如圖4所示，離線上位機(jī)中狀態(tài)機(jī)保證了基礎(chǔ)的調(diào)控服務(wù)并能在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)仍能做出監(jiān)測(cè)及調(diào)節(jié)動(dòng)作。若無(wú)在線上位機(jī)的調(diào)節(jié)指令時(shí)，可根據(jù)下位機(jī)反饋的實(shí)時(shí)狀態(tài)及參數(shù)來(lái)判斷監(jiān)控參數(shù)是否在正常范圍內(nèi)，以此提供對(duì)于下位機(jī)操作的操控。狀態(tài)機(jī)的優(yōu)先級(jí)低于在線上位機(jī)的指令，控制中心使用Redis工具存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)，專門針對(duì)狀態(tài)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行保存，并對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行批量保存。

3.3 下位機(jī)監(jiān)控分站設(shè)計(jì)

下位機(jī)硬件模塊以信息處理控制模塊為核心，通過(guò)信息感知模塊采集禽舍環(huán)境信息，同時(shí)將傳感器的數(shù)據(jù)傳送給信息處理控制模塊，信息處理控制模塊通過(guò)人機(jī)交互模塊獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)及參數(shù)并同時(shí)自動(dòng)控制整個(gè)禽舍設(shè)備的開(kāi)關(guān)，數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS傳輸模塊經(jīng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上傳至上位機(jī)軟件系統(tǒng)[10]。下位機(jī)監(jiān)控分站結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1）微處理器模塊以MSP430F5438A為主要核心微控制器。MSP430系列單片機(jī)采用了RISC結(jié)構(gòu)，具有超低功耗[11]、高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊，引腳數(shù)量多達(dá)100個(gè)，作為該系統(tǒng)的主控芯片非常合適。

2）選用兩或三線制4～20 mA電流型傳感器。具有較高精度，便于輸出采集的信號(hào)和減小信號(hào)的失真?？諝鉁貪穸葌鞲衅鞑捎肒M-KWS，光照度傳感器采用NHZD10，風(fēng)速傳感器采用NHFS45AI，CO2、NH3、CO、PM2.5濃度檢測(cè)分別采用NH162型二氧化碳傳感器、AQ63型氨氣傳感器、SM2130M一氧化碳傳感器和NH179系列PM2.5傳感器作為有害氣體濃度測(cè)量器件。

3）系統(tǒng)傳輸層主要采用GPRS通信模塊。以H7210D GPRS DTU移動(dòng)通信模塊作為物聯(lián)網(wǎng)傳輸層的主要器件，并對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，該模塊采用分組交換技術(shù)，不僅適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大量數(shù)據(jù)傳輸。

3.4 禽舍監(jiān)控服務(wù)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)

在采用上述的架構(gòu)之后，每個(gè)禽舍可離線的上位機(jī)控制監(jiān)控站點(diǎn)及下位機(jī)監(jiān)控分站分別作為基礎(chǔ)服務(wù)，在服務(wù)項(xiàng)增加或減少、故障、升級(jí)時(shí)簡(jiǎn)單配置即可，減少了監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)維成本。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案采用的是客戶端（在線上位機(jī)）服務(wù)發(fā)現(xiàn)方式[12]。

當(dāng)使用客戶端服務(wù)發(fā)現(xiàn)模式時(shí)，客戶端通過(guò)查詢服務(wù)注冊(cè)中心，對(duì)應(yīng)請(qǐng)求路由給具體可離線下位機(jī)。其中，服務(wù)注冊(cè)中心是一個(gè)具體的可用服務(wù)實(shí)例的數(shù)據(jù)庫(kù)，服務(wù)實(shí)例的注冊(cè)通常使用心跳機(jī)制定期刷新[13]。該系統(tǒng)中服務(wù)的注冊(cè)模式為自我注冊(cè)模式，服務(wù)實(shí)例自己負(fù)責(zé)從服務(wù)中心注冊(cè)和撤銷。

3.5 一致性控制方案設(shè)計(jì)

下位機(jī)中需要保證各個(gè)調(diào)節(jié)模塊執(zhí)行的一致性控制[14]，但一致性要求無(wú)須達(dá)到強(qiáng)一致性。在實(shí)際禽舍監(jiān)控及調(diào)節(jié)場(chǎng)景中只需要達(dá)到最終的調(diào)節(jié)效果，保證調(diào)節(jié)措施的最終正確執(zhí)行即可，所以只需要完成最終一致即可。

最終一致性[15，16]借助消息隊(duì)列處理調(diào)節(jié)命令時(shí)發(fā)送指令消息，確保消息發(fā)送成功。如果發(fā)送且處理成功則結(jié)束，如果處理失敗，返回對(duì)應(yīng)的處理狀態(tài)，同時(shí)開(kāi)啟命令的補(bǔ)償機(jī)制。采用的補(bǔ)償機(jī)制按照預(yù)設(shè)的定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行命令重試，如果多次未成功則向在線上位機(jī)反饋對(duì)應(yīng)故障信息。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

4.1 試驗(yàn)環(huán)境

于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院肉雞養(yǎng)殖基地進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)設(shè)有2個(gè)禽舍，每個(gè)禽舍包括4個(gè)下位機(jī)監(jiān)控分站和2臺(tái)普通計(jì)算機(jī)組成的可離線上位機(jī)控制中心監(jiān)控分站，監(jiān)控項(xiàng)主要包括溫度、濕度、光照度、風(fēng)速、CO2、NH3、CO、PM2.5濃度等參數(shù)。主要針對(duì)下位機(jī)監(jiān)控分站的運(yùn)行狀況、傳感器運(yùn)行狀況、執(zhí)行設(shè)備控制情況和物聯(lián)網(wǎng)傳輸終端的傳輸能力等進(jìn)行測(cè)試。

4.2 功能測(cè)試

在部署完成后首先進(jìn)行常規(guī)的功能測(cè)試，圖6為安卓移動(dòng)終端監(jiān)控信息及控制界面，各項(xiàng)監(jiān)控項(xiàng)及控制項(xiàng)運(yùn)行情況正常。

如表1所示，記錄了禽舍空氣溫度環(huán)境與調(diào)控執(zhí)行設(shè)備信息的變化。表1中早晨空氣溫度較低時(shí)，禽舍內(nèi)實(shí)際溫度值低于設(shè)定溫度，此時(shí)暖風(fēng)機(jī)工作，對(duì)室內(nèi)進(jìn)行溫度調(diào)控，溫度增加，在溫度上升至設(shè)定變化區(qū)間內(nèi)，暖風(fēng)機(jī)并沒(méi)有立即關(guān)閉，通過(guò)系統(tǒng)自適應(yīng)算法的調(diào)節(jié)可以繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，隨著溫度升高，暖風(fēng)機(jī)關(guān)閉。中午12點(diǎn)左右，室外溫度升高超過(guò)閾值，降溫風(fēng)機(jī)打開(kāi)，降低室內(nèi)溫度，使溫度基本維持在最高閾值。測(cè)試是基于單個(gè)執(zhí)行設(shè)備的性能調(diào)控測(cè)試，所以并沒(méi)有打開(kāi)濕簾、加濕器等降溫設(shè)施，但在實(shí)際控溫系統(tǒng)執(zhí)行過(guò)程中，當(dāng)溫度一直不能下降至適宜溫度時(shí)，系統(tǒng)還設(shè)定了二次降溫裝置，以應(yīng)對(duì)高溫天氣。

4.3 可用性測(cè)試

在功能測(cè)試后，切斷兩臺(tái)可離線上位機(jī)與在線上位機(jī)的連接并且關(guān)閉一臺(tái)機(jī)器，人工方式給禽舍產(chǎn)生氣溫變化。當(dāng)天19：00重連可離線上位機(jī)與在線上位機(jī)，上位機(jī)得到網(wǎng)絡(luò)中斷后的可離線上位機(jī)的重傳數(shù)據(jù)（圖7）。

由圖7可以看出，在8：00整及12：00整分別將一個(gè)禽舍溫度上升至34 ℃，另一個(gè)禽舍溫度降低至27 ℃，1 h內(nèi)氣溫恢復(fù)正常（圖中的采樣數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為1 h），說(shuō)明在切斷網(wǎng)絡(luò)連接后，可離線的下位機(jī)仍然能夠保證系統(tǒng)的正常自適應(yīng)調(diào)節(jié)，并且恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連接之后過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成功重傳至在線上位機(jī)監(jiān)控中心。

5 結(jié)論

本研究以傳統(tǒng)的禽舍監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，引入狀態(tài)機(jī)及及微服務(wù)架構(gòu)思想，實(shí)現(xiàn)一種高可用的自適應(yīng)調(diào)節(jié)的禽舍監(jiān)控系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試，模擬了生產(chǎn)環(huán)境中可能存在的網(wǎng)絡(luò)及機(jī)器故障等問(wèn)題，表明該系統(tǒng)切實(shí)可行，具有一定的實(shí)用性及創(chuàng)新性。

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