基于物聯(lián)網(wǎng)的智能母豬養(yǎng)殖管理系統(tǒng)

張 洋，曾松偉

（浙江農(nóng)林大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江 臨安 311300）

1 引言

隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，從事母豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的人數(shù)日益減少，勞動(dòng)力相對(duì)的也越來越缺少，原有的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)滿足不了日益增長的行業(yè)發(fā)展需要。目前，母豬養(yǎng)殖業(yè)效率低下，信息化數(shù)據(jù)化水平低，對(duì)母豬的身理信息沒有具體的顯示，母豬身理情況等信息數(shù)據(jù)得不到第一時(shí)間的獲取。

基于物聯(lián)網(wǎng)的母豬養(yǎng)殖集成系統(tǒng)將畜牧業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合在一起，對(duì)每頭母豬進(jìn)行個(gè)體識(shí)別，建立永久檔案[1]。通過電子耳標(biāo)和耳標(biāo)閱讀器來獲取每只豬的身份 ID，建立永久檔案，跟蹤監(jiān)測并記錄母豬個(gè)體的飲食、體況、發(fā)情等信息，自主分析豬個(gè)體的生理狀況，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、精確的飼喂。該系統(tǒng)對(duì)目前母豬養(yǎng)殖方式進(jìn)行革新，提出以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的母豬養(yǎng)殖系統(tǒng)，通過嵌入式系統(tǒng)[2]，并適合當(dāng)下母豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，將養(yǎng)豬業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，提高了養(yǎng)殖場數(shù)據(jù)化水平，實(shí)現(xiàn)了對(duì)養(yǎng)豬場的即時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)控，獲得更高的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，擴(kuò)大了養(yǎng)殖場規(guī)模。以此達(dá)到對(duì)養(yǎng)殖場的信息化數(shù)據(jù)化管理，提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，數(shù)據(jù)化顯示的目的[3-5]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 功能需求

現(xiàn)設(shè)計(jì)一個(gè)母豬養(yǎng)殖過程監(jiān)視、檢測、控制、管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要具備智能化，實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)化，穩(wěn)定性等特點(diǎn)。以養(yǎng)殖母豬為例，該系統(tǒng)能將每頭豬區(qū)分開來，在數(shù)據(jù)庫中生成每頭豬的體溫、體重、飼喂記錄等數(shù)據(jù)以便日后查找分析，該系統(tǒng)還要能實(shí)時(shí)地更新數(shù)據(jù)。針對(duì)上面的功能需求，該系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)以下具體功能：1）每頭母豬標(biāo)號(hào)入數(shù)據(jù)庫；2）檢測母豬體溫和發(fā)情狀況；3）養(yǎng)殖場與終端數(shù)據(jù)庫的通信；4）養(yǎng)殖場檢測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新并顯示。

2.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的母豬養(yǎng)殖集成系統(tǒng)由三部分組成。分別為：1）感知層：主要由溫濕檢測模塊、發(fā)情檢測模塊和疫情監(jiān)測模塊組成；2）傳輸層：GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊組成；3）應(yīng)用層：由主監(jiān)控室、數(shù)據(jù)庫組成。

首先，感知層通過紅外和電子耳標(biāo)傳感器偵測母豬的情況，包括體溫、發(fā)情，通過溫濕度傳感器探測養(yǎng)殖場的環(huán)境參數(shù)。然后，由GPRS 模塊構(gòu)成的傳輸層負(fù)責(zé)將養(yǎng)殖場的全部監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳遞給主監(jiān)控室，管理人員可以在監(jiān)控室中查看到養(yǎng)殖場的各種信息，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)母豬個(gè)體的信息化管理。基于物聯(lián)網(wǎng)的母豬養(yǎng)殖集成系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

基于物聯(lián)網(wǎng)的母豬養(yǎng)殖集成系統(tǒng)由硬件電路和軟件程序?qū)崿F(xiàn)構(gòu)成。硬件部分主要包含STM32F1單片機(jī)最小系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸電路，紅外傳感器電路等；軟件部分主要包含中央控制器模塊，GPRS 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，紅外傳感器P228 模塊，上位機(jī)顯示等，軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)思路，使設(shè)計(jì)方案思路清晰并且容易糾正錯(cuò)誤。以STM32F1單片機(jī)為核心控制器，實(shí)時(shí)接收來自各種傳感器的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分析處理后，又經(jīng)過GPRS 模塊反饋給后臺(tái)管理人員，管理人員再?zèng)Q定下一步的操作。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能母豬養(yǎng)殖管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控制器

STM32F1 單片機(jī)是該養(yǎng)殖集成系統(tǒng)最重要的控制器，數(shù)據(jù)的采樣，接收，處理，發(fā)送，顯示等全部需求都需要它來完成。該養(yǎng)殖集成系統(tǒng)采用性價(jià)比較高的STM32F103芯片。該單片機(jī)程序都是模塊化的，接口相對(duì)簡單，自身功能豐富，融高性能、實(shí)時(shí)性、數(shù)字信號(hào)處理、低功耗、低電壓于一身，同時(shí)保持高集成度，是各類中小項(xiàng)目和完整平臺(tái)解決方案的理想選擇。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

GPRS 網(wǎng)具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快、通信質(zhì)量高、永遠(yuǎn)在線等優(yōu)點(diǎn)。該養(yǎng)殖集成系統(tǒng)中的GPRS 模塊選用SIM900A，SIM900A 是一款能在增強(qiáng)型全球移動(dòng)通信系統(tǒng)和數(shù)字蜂窩系統(tǒng)的頻段下工作且支持GPRS 多種編碼格式的芯片，功能強(qiáng)大[6]。9GPRS 模塊將傳感器采樣得到的數(shù)據(jù)通過AT指令傳送給后臺(tái)數(shù)據(jù)庫。

3.3 紅外傳感器模塊

紅外傳感器是一種能感應(yīng)目標(biāo)輻射的紅外線，將熱輻射轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。該模塊由紅外體溫傳感器、豬體溫采集發(fā)射器、紐扣狀電池等組成，結(jié)構(gòu)簡單，不需要接觸豬的皮膚，避免了水銀溫度計(jì)測肛溫的麻煩操作[7]。

傳感器能測量母豬的體溫。當(dāng)母豬體溫高燒在40.5 ℃以下時(shí)，可以注射退燒藥加適當(dāng)抗生素，而不需要專門退燒針；當(dāng)母豬體溫在40.5 ℃以上時(shí)，要用退燒針進(jìn)行退燒。

3.4 發(fā)情監(jiān)測模塊

發(fā)情監(jiān)測模塊用于監(jiān)測母豬是否處于發(fā)情狀態(tài)。有種叫做“試情法”的方法可以監(jiān)測其結(jié)果。試情法主要是通過母豬在XY 及性行為上對(duì)雄性動(dòng)物的反應(yīng)判斷其發(fā)情程度。當(dāng)母豬發(fā)情時(shí)，通常表現(xiàn)為愿意接近雄性和發(fā)出求配動(dòng)作等，而不發(fā)情或發(fā)情結(jié)束后則表現(xiàn)為遠(yuǎn)離雄性。發(fā)情監(jiān)測模塊為電子耳標(biāo)和耳標(biāo)閱讀器，電子耳標(biāo)佩戴在母豬的耳朵上[8-9]，耳標(biāo)閱讀器裝在母豬欄與公豬欄交界處。當(dāng)帶著電子耳標(biāo)的母豬接近公豬時(shí)，耳標(biāo)閱讀器會(huì)發(fā)出聲音，并根據(jù)每頭豬不同的電子耳標(biāo)分辨記錄靠近母豬的個(gè)體（id）號(hào)，通過單片機(jī)傳到數(shù)據(jù)庫。如果一段時(shí)間內(nèi)，某頭母豬靠近次數(shù)增多，飼養(yǎng)員會(huì)來到養(yǎng)殖場根據(jù)觀察法等方法經(jīng)驗(yàn)做出判斷。發(fā)情監(jiān)測模塊和人工復(fù)查結(jié)合，可以很大程度上解決母豬發(fā)情不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題。

3.5 HMP45D 溫濕度傳感器模塊

HMP45D 溫濕度傳感器的測溫元件是鉑電阻傳感器Pt100，鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻隨溫度變化的原理制成的[10]。測溫元件是利用四線制恒流源供電方式，這種方式使測量結(jié)果不受電纜長度的影響并且精度高。

HMP45D 溫濕度傳感器的測濕元件是HUMICIP180 高分子薄膜型濕敏電容，濕敏電容是利用其介電常數(shù)隨環(huán)境的濕度變化的原理制成的。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能母豬養(yǎng)殖管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)總體分析設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)首先初始化系統(tǒng)，首先通過各種傳感器探測得到環(huán)境的指數(shù)和母豬的身理參數(shù)，將測量得到的數(shù)據(jù)送至主程序進(jìn)行相應(yīng)的處理，將計(jì)算后獲得的數(shù)據(jù)通過GPRS 模塊發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)再通過串口將數(shù)據(jù)傳給主機(jī)。從養(yǎng)殖場傳來的數(shù)據(jù)最后顯示在了主機(jī)上。系統(tǒng)流程圖如圖2 所示。

4.2 GPRS 模塊傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)

STM32 單片機(jī)初始化GPRS 模塊和ADC 模塊，用AT 指令配置GPRS 傳輸模式，使GPRS 模塊與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫建立連接。設(shè)置間隔1 s發(fā)送1 次，每次發(fā)送200 字節(jié)。

ADC 傳感器采集到數(shù)據(jù)通過串口傳給單片機(jī)，單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)包后對(duì)其進(jìn)行CRC 檢驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)正確則傳給后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，否則舍棄。圖3 是GPRS 模塊收發(fā)數(shù)據(jù)過程。

5 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能母豬養(yǎng)殖管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

5.1 上位機(jī)的實(shí)現(xiàn)

5.1.1 上位機(jī)選擇

上位機(jī)是指可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)，上位機(jī)起到發(fā)送命令的作用?？刂普吆吞峁┓?wù)者是上位機(jī)，通常選擇工控機(jī)，工作站，觸摸屏為上位機(jī)。上位機(jī)的開發(fā)軟件有很多：visual studio 2008，它支持項(xiàng)目模板、調(diào)試器和部署程序，可以高效率開發(fā)web 應(yīng)用；MFC，它包含有應(yīng)用程序框架，可以減少開發(fā)人員的工作量。Qt，它既可以開發(fā)GUI 程序又開發(fā)非GUI 程序。而且很容易擴(kuò)展；labview，它使用圖像化編寫語言G 編寫程序，生成的程序是框圖的形式，具有優(yōu)秀的可閱讀性。

該系統(tǒng)使用的是labview，labview 是美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，labview 與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著不同是：其他計(jì)算機(jī)語言所生成的代碼都是利用文本，而labview 使用的圖形化語言。Labview是NI設(shè)計(jì)平臺(tái)的設(shè)計(jì)核心，也是開發(fā)工控和測量的完美選擇。選擇labview 的另一個(gè)重要的原因是大學(xué)的時(shí)候作為一門專業(yè)課程專門學(xué)習(xí)過，對(duì)軟件的應(yīng)用也比較熟悉。

5.1.2 Labview 與單片機(jī)的連接

首先將單片機(jī)與計(jì)算機(jī)相連，通過串口助手查看是否連接成功。按如圖4 方式創(chuàng)建程序框圖，通信波特率設(shè)置為9 600，數(shù)據(jù)長度設(shè)置為8 位，奇偶校驗(yàn)位設(shè)置為無，停止位默認(rèn)為10：1 位[11]。

5.1.3 labview 與數(shù)據(jù)庫的連接

首先打開MySQL 的可視化工具navicat 軟件，輸入連接服務(wù)器名和密碼即可進(jìn)入。然后，如圖5 程序框圖，labview 與MySQL 數(shù)據(jù)庫建立連接并初始化[12]。

5.2 數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)

5.2.1 MySQL 數(shù)據(jù)庫介紹

圖2 系統(tǒng)流程圖

圖3 GPRS 模塊收發(fā)數(shù)據(jù)過程

MySQL 是一個(gè)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。MySQL 所使用的 SQL語言是用于訪問數(shù)據(jù)庫的最常用標(biāo)準(zhǔn)化語言。MySQL 軟件采用了雙授權(quán)政策，分為社區(qū)版和商業(yè)版，由于其體積小、速度快、成本低、源碼開放。有如下5 點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1）性能卓越服務(wù)穩(wěn)定，很少出現(xiàn)異常宕機(jī)；2）開放源代碼且無版權(quán)制約，自主性強(qiáng)、使用成本低；3）歷史悠久、社區(qū)及用戶非?；钴S，遇到問題，可以很快獲取到幫助；4）軟件體積小，安裝使用簡單，并且易于維護(hù)，安裝及維護(hù)成本低；5）支持多種操作系統(tǒng)，提供多種API 接口，支持多種開發(fā)語言[13]。

5.2.2 數(shù)據(jù)庫管理界面

該養(yǎng)殖集成系統(tǒng)上位機(jī)部分具有實(shí)時(shí)顯示的功能，可以準(zhǔn)確及時(shí)地掌握現(xiàn)場相關(guān)情況，能實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)豬場的即時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。上位機(jī)顯示包括環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、母豬身體溫度、電子耳標(biāo)碰撞次數(shù)、母豬監(jiān)控錄像。系統(tǒng)正常運(yùn)行導(dǎo)入數(shù)據(jù)后如圖6 所示。

6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

上電開機(jī)并完成初始化后，單片機(jī)執(zhí)行程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣并通過GPRS 模塊發(fā)送給PC 端的MySql數(shù)據(jù)庫，最后MySql 數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入Excel 軟件進(jìn)行分析處理得到表1。

表1 數(shù)據(jù)提供每頭標(biāo)號(hào)母豬的體溫、電子耳標(biāo)碰撞的數(shù)據(jù)，體溫?cái)?shù)據(jù)可以判斷是否出現(xiàn)疫情，當(dāng)母豬體溫超出正常在40.5 ℃以下時(shí)，可以注射退燒藥加適當(dāng)抗生素，而不需要專門退燒針；當(dāng)母豬體溫在40.5 ℃以上時(shí)，要用退燒針進(jìn)行退燒。電子耳標(biāo)碰撞次數(shù)可以判斷是否發(fā)情,當(dāng)碰撞次數(shù)超過1 d 內(nèi)15 次，管理人員應(yīng)對(duì)其進(jìn)一步檢查跨欄行為和觀察對(duì)公豬的反應(yīng)來判斷發(fā)情狀況。該智能養(yǎng)殖系統(tǒng)方便工作人員做出判斷，及時(shí)對(duì)發(fā)情或疫情母豬處理。同時(shí)提供養(yǎng)殖場的溫濕度參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)溫濕度不適的狀況可以方便管理員調(diào)節(jié)控制養(yǎng)殖場。

7 小結(jié)

基于物聯(lián)網(wǎng)的母豬養(yǎng)殖集成系統(tǒng)將畜牧業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合在一起，對(duì)每頭母豬進(jìn)行個(gè)體識(shí)別，實(shí)現(xiàn)母豬個(gè)體的體況、發(fā)情等數(shù)據(jù)的信息化，使管理員能合理地調(diào)整每個(gè)個(gè)體的食物攝入量，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、精確的飼喂；該養(yǎng)殖集成系統(tǒng)能節(jié)省人們的勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)信息化生產(chǎn)并提高母豬養(yǎng)殖的綜合效益。依據(jù)對(duì)該養(yǎng)殖集成系統(tǒng)的說明，可以看出該養(yǎng)殖集成系統(tǒng)有較好的推廣前景，并且順應(yīng)了數(shù)據(jù)化信息化養(yǎng)殖的社會(huì)發(fā)展趨勢。

圖4 labview 與串口通信的程序框圖

圖5 labview 程序框圖

圖6 養(yǎng)殖場信息圖

表1 全天母豬養(yǎng)殖數(shù)據(jù)表