基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧豬舍養(yǎng)殖系統(tǒng)

鄭小南 楊凡 李富忠

摘 要：傳統(tǒng)的養(yǎng)豬業(yè)主要通過(guò)人工進(jìn)行，養(yǎng)殖過(guò)程繁瑣，需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，且不易對(duì)整個(gè)豬舍的環(huán)境進(jìn)行判斷，也無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖環(huán)境，因此提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧豬舍養(yǎng)殖系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)5G、互聯(lián)網(wǎng)、NB-IoT、ZigBee等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生豬養(yǎng)殖的環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程調(diào)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)模式的養(yǎng)殖相比，所提系統(tǒng)提高了生豬養(yǎng)殖的質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);豬舍養(yǎng)殖;智能化;5G;NB-IoT;ZigBee

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）10-00-03

0 引 言

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)的管理、生產(chǎn)和服務(wù)等方面迅速發(fā)展，由此衍生出農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念[1]?？偟膩?lái)說(shuō)，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)就是通過(guò)各種傳感器來(lái)獲取養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)、園藝業(yè)以及農(nóng)產(chǎn)品物流等方面信息，然后將獲取的各類(lèi)信息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、ZigBee、5G、NB-IoT等技術(shù)傳輸?shù)揭苿?dòng)應(yīng)用終端，使管理者能夠?qū)Ω黝?lèi)信息整合，了解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，并遠(yuǎn)程完成參數(shù)控制，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的智能化和高效化，同時(shí)有效地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，以達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效、優(yōu)質(zhì)、安全目的[2]。

生豬的養(yǎng)殖過(guò)程中，品種差異、環(huán)境條件、飼料品質(zhì)、疫病等都會(huì)對(duì)生豬健康和最終的豬肉品質(zhì)產(chǎn)生一定程度的影響，其中環(huán)境因素所起的作用占20%～30%。生長(zhǎng)環(huán)境影響因素主要有：空氣溫濕度、氣體濃度、光照強(qiáng)度和噪聲等[3]。已有許多的研究和生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程表明生長(zhǎng)環(huán)境不佳會(huì)對(duì)養(yǎng)豬業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量造成極大的影響。傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式無(wú)法對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)獲取，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧豬舍養(yǎng)殖很好地解決了上述問(wèn)題，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)豬業(yè)的智慧化、自動(dòng)化和精準(zhǔn)化，解放勞動(dòng)力的同時(shí)，提高了品質(zhì)和產(chǎn)量。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

（1）該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)，保證模塊的獨(dú)立性，各模塊之間彼此不受影響。同時(shí)，可以方便的增加新的應(yīng)用系統(tǒng)。

（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是給用戶(hù)帶來(lái)便捷和高效，所以需要保證在電腦、手機(jī)移動(dòng)終端可以運(yùn)行和操作。

（3）系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)在可以充分保證該系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全的前提下，還需要對(duì)后期添增新的應(yīng)用系統(tǒng)留有接口;同時(shí)，數(shù)據(jù)要建立冗余機(jī)制[4]。

（4）該系統(tǒng)具有靈活性，分為不同的權(quán)限，即管理員和用戶(hù)。管理員可以根據(jù)用戶(hù)性質(zhì)分配給用戶(hù)不同權(quán)限，并且確保未分配給用戶(hù)的權(quán)限不可運(yùn)用。

（5）統(tǒng)一應(yīng)用框架要求。使用統(tǒng)一的應(yīng)用程序支持平臺(tái)，使用統(tǒng)一的的用戶(hù)身份驗(yàn)證、程序功能接口組件、管理組織和人員以及訪問(wèn)權(quán)限控制功能。

（6）統(tǒng)一信息資源編目要求。該系統(tǒng)中有需要信息資源編目的部分，因此需要統(tǒng)一編寫(xiě)一個(gè)可以進(jìn)行信息獲取、整理、編排、查詢(xún)的組件。

（7）統(tǒng)一數(shù)據(jù)共享要求。主數(shù)據(jù)管理組件主要對(duì)該系統(tǒng)的的共享數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，首先需要對(duì)基本數(shù)據(jù)（如基本代碼）進(jìn)行統(tǒng)一的管理以及的統(tǒng)一存儲(chǔ)。

（8）主數(shù)據(jù)管理組件進(jìn)行數(shù)據(jù)共享時(shí)，主要通過(guò)數(shù)據(jù)共享視圖和共享接口來(lái)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以此來(lái)獲取共享的數(shù)據(jù)資源。

（9）統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換要求。該系統(tǒng)在參數(shù)設(shè)置上要能夠與其他系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行交換[5]。為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)應(yīng)用統(tǒng)一部署節(jié)點(diǎn)和不同部署節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換，需要構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換平臺(tái)。

（10）統(tǒng)一使用公共組件要求。組件主要包含智能文檔組件、工作流管理組件、全文檢索組件以及內(nèi)容管理組件等。

1.2 系統(tǒng)整體框架

智慧豬舍養(yǎng)殖系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。感知層通過(guò)各類(lèi)傳感器來(lái)獲取豬舍內(nèi)的環(huán)境信息，主要包括空氣的溫濕度、粉塵、氣體濃度、光照參數(shù)、視頻監(jiān)控參數(shù)等。網(wǎng)絡(luò)層主要是運(yùn)用5G，TCP/IP，NB-IoT等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將從傳感器中獲取的環(huán)境參數(shù)，實(shí)時(shí)的傳輸?shù)较到y(tǒng)的客戶(hù)操作界面應(yīng)用層，以此來(lái)完成客戶(hù)對(duì)豬舍的監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制和視頻監(jiān)控。當(dāng)環(huán)境的某一參數(shù)超過(guò)客戶(hù)設(shè)定的界限時(shí)，該系統(tǒng)就會(huì)向客戶(hù)的移動(dòng)終端發(fā)送提示短信并伴隨警報(bào)提示，客戶(hù)不需要返回養(yǎng)殖舍進(jìn)行人為干預(yù)，只需要通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)即可完成對(duì)養(yǎng)殖舍環(huán)境的調(diào)節(jié)[6]。

1.3 系統(tǒng)功能

1.3.1 自動(dòng)采集功能

本系統(tǒng)主要在豬舍安裝各類(lèi)傳感器，通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境因素的自動(dòng)采集，主要包括空氣溫濕度、光照、氣體濃度等參數(shù)的采集。

（1）豬舍內(nèi)空氣溫濕度調(diào)節(jié)

在夏季，通常會(huì)由于室內(nèi)溫度過(guò)高，影響豬的生長(zhǎng)發(fā)育，此時(shí)，傳感器可以用來(lái)對(duì)比室內(nèi)外溫度差。當(dāng)室內(nèi)溫度過(guò)高時(shí)通過(guò)風(fēng)機(jī)完成室內(nèi)外的空氣交換，使室內(nèi)達(dá)到一個(gè)適宜的溫度，空氣濕度調(diào)節(jié)與此原理相同[7]。在冬季，主要采用電熱爐、太陽(yáng)能等設(shè)備保持豬舍的溫度，使得豬舍內(nèi)能維持一個(gè)使豬感到適宜的溫度。

（2）豬舍內(nèi)光照

豬在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中可能會(huì)患有佝僂病和缺鈣癥，充足的陽(yáng)光可以對(duì)該疾病起到預(yù)防作用，而且還可為豬舍消毒殺菌[8]。大量研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，對(duì)于不同用途的豬種，所需的光照時(shí)間也存在差異。商品豬舍所需的光照時(shí)間要低于種豬舍和仔豬舍[9]，這樣有利于其休息和肥育。自然光照不足時(shí)則需要通過(guò)人工補(bǔ)充光照，光照時(shí)間充足有利于豬的生長(zhǎng)發(fā)育還可促進(jìn)母豬的發(fā)情、配種和妊娠。

（3）豬舍通風(fēng)換氣

豬舍內(nèi)需要安裝風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)換氣，保持豬舍內(nèi)空氣清新。因?yàn)樨i舍長(zhǎng)時(shí)間不通風(fēng)，會(huì)導(dǎo)致一些有害氣體（二氧化碳、氨氣）堆積，長(zhǎng)期累積下來(lái)，便會(huì)對(duì)豬的健康造成危害，導(dǎo)致其免疫力低下，增加患病的風(fēng)險(xiǎn)[10]。對(duì)于通過(guò)豬舍內(nèi)有害氣體的監(jiān)測(cè)，可以通過(guò)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)濃度達(dá)到一定限制時(shí)，便會(huì)提醒用戶(hù)進(jìn)行管理，打開(kāi)風(fēng)機(jī)對(duì)豬舍通風(fēng)。當(dāng)然通風(fēng)換氣也要考慮季節(jié)對(duì)舍內(nèi)溫濕度的影響，如冬季選擇中午溫度較高時(shí)進(jìn)行，夏季則正好相反。空氣流通過(guò)程如圖2所示。

1.3.2 遠(yuǎn)程控制功能

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要包括測(cè)控模塊、配電控制柜和安裝附件，再通過(guò)5G或NB-IoT等無(wú)線傳輸模塊完成與客戶(hù)應(yīng)用層的對(duì)接，并且當(dāng)豬舍內(nèi)的一些環(huán)境指標(biāo)（空氣溫濕度、氣體濃度、光照）[11]出現(xiàn)異常情況時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的報(bào)警功能，用戶(hù)可通過(guò)計(jì)算機(jī)或手機(jī)遠(yuǎn)程控制環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，使豬舍內(nèi)環(huán)境適宜，有利于豬的生長(zhǎng)和保障豬肉產(chǎn)品的質(zhì)量。

1.3.3 環(huán)境監(jiān)控功能

豬舍內(nèi)安裝視頻監(jiān)控，管理員和客戶(hù)通過(guò)視頻監(jiān)控可以實(shí)時(shí)查看到豬舍內(nèi)的各種情況，減少人工現(xiàn)場(chǎng)巡查，提高了監(jiān)管和生產(chǎn)效率。安裝攝像頭的方式投入少回報(bào)大，現(xiàn)已成為智慧養(yǎng)殖的一個(gè)主要發(fā)展趨勢(shì)。

1.4 系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)

飼養(yǎng)者可以使用計(jì)算機(jī)，移動(dòng)電話和其他信息終端來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而為及時(shí)調(diào)整相關(guān)生產(chǎn)和制定新的計(jì)劃提供數(shù)據(jù)支持[12]，主要功能如下：

（1）實(shí)時(shí)獲取豬舍內(nèi)空氣溫濕度、氣體濃度、光照時(shí)長(zhǎng)等;

（2）記錄過(guò)去每一時(shí)段的數(shù)據(jù)，方便后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)總結(jié)和查詢(xún)，防止緊急情況出現(xiàn);

（3）數(shù)據(jù)制成歷史曲線視圖，過(guò)去時(shí)段的變化趨勢(shì)一目了然，方便總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn);

（4）具備預(yù)警功能，當(dāng)檢測(cè)出現(xiàn)異常時(shí)，能夠?yàn)橄嚓P(guān)人員預(yù)警，降低生產(chǎn)損傷;

（5）具備應(yīng)對(duì)機(jī)制，根據(jù)突發(fā)狀況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備控制，達(dá)到一定智能化養(yǎng)殖[13];

（6）簡(jiǎn)化設(shè)備操作，設(shè)備使用更加通俗易懂，易于推廣。

2 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

（1）系統(tǒng)功能較全面，可以實(shí)時(shí)對(duì)豬舍溫度、濕度、氨氣、二氧化碳、粉塵以及壓力監(jiān)測(cè)和視頻追蹤，當(dāng)參數(shù)超過(guò)限定值，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警確保豬舍環(huán)境適宜。

（2）系統(tǒng)從用戶(hù)角度出發(fā)，具有簡(jiǎn)潔性，高效性，便于用戶(hù)學(xué)習(xí)和使用。

（3）系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性，每間隔10 min采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)并上傳。

（4）該系統(tǒng)擁有多種無(wú)線方式上傳指令并可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，只要存在處于有網(wǎng)絡(luò)的情況下，用戶(hù)均可登錄系統(tǒng)遠(yuǎn)程察看養(yǎng)殖場(chǎng)的監(jiān)測(cè)畫(huà)面和信息，并且能夠遠(yuǎn)程調(diào)整設(shè)備參數(shù)。

（5）基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧豬舍養(yǎng)殖平臺(tái)將環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程遙控、視頻觀察等多功能混合，具有智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的特性[14]。實(shí)現(xiàn)科學(xué)的養(yǎng)殖舍監(jiān)控、毒害防治等環(huán)節(jié)，增加產(chǎn)能、提高規(guī)模、減少資源消耗和人力成本，推動(dòng)現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展。

3 結(jié) 語(yǔ)

豬肉作為人們最受歡迎的肉類(lèi)之一，需求量也在日益增長(zhǎng)，促使生豬養(yǎng)殖業(yè)不斷擴(kuò)大的同時(shí)，也導(dǎo)致管理人員的工作量加劇。傳統(tǒng)的養(yǎng)殖過(guò)程繁瑣，且養(yǎng)殖環(huán)境無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，基于物聯(lián)網(wǎng)智慧豬舍養(yǎng)殖系統(tǒng)智慧通過(guò)5G、互聯(lián)網(wǎng)、NB-IoT、ZigBee等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了生豬養(yǎng)殖的環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程調(diào)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控。與傳統(tǒng)模式的養(yǎng)殖相比，該系統(tǒng)提高了生豬養(yǎng)殖的質(zhì)量和效率。以此來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在養(yǎng)殖業(yè)方面具有很大的利用價(jià)值，未來(lái)的養(yǎng)殖業(yè)將朝著智慧化、自動(dòng)化方向發(fā)展。

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