基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周虎軍，榮麗紅，劉功杰，仝志民，霍金泉，陳啟通

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)電氣與信息學(xué)院，大慶 163319；2.大慶油田力神泵業(yè)有限公司）

設(shè)計(jì)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用運(yùn)于豬的養(yǎng)殖方面，通過(guò)智能系統(tǒng)可以自動(dòng)獲取豬舍內(nèi)部的空氣溫度和濕度、大氣壓力、CO2濃度、光照強(qiáng)度、NH3濃度和H2S濃度等數(shù)據(jù)，并可以自動(dòng)控制風(fēng)扇、暖機(jī)、水簾、內(nèi)外部遮陽(yáng)簾、頂窗、側(cè)窗和輔助照明等裝置[1-5]。設(shè)計(jì)密切結(jié)合了傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化以與遠(yuǎn)程控制的功能[4-8]。系統(tǒng)對(duì)突發(fā)狀況不僅可做到及時(shí)報(bào)警，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、遠(yuǎn)距離傳輸和數(shù)據(jù)處理等功能，并結(jié)合多種因素進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)豬舍環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)[9-15]。這樣不僅可以為養(yǎng)殖戶提供關(guān)于豬舍內(nèi)的環(huán)境情況，還能大大提高豬舍的管理效率。設(shè)計(jì)不但可以有效實(shí)現(xiàn)豬舍環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還可以及時(shí)預(yù)防傳染病的發(fā)生，保證生豬的健康成長(zhǎng)，進(jìn)而提高豬肉質(zhì)量[16-20]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控設(shè)備終端、用戶端和云端三部分組成。監(jiān)控終端主要由控制系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩部分組成，通過(guò)STC89C51 單片機(jī)進(jìn)行豬舍各鐘環(huán)境因子的采集，利用WIFI 網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行雙向通信，將所測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云平臺(tái)，云平臺(tái)可對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息存儲(chǔ)、信息推送和信息更新，極大的保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。云平臺(tái)也將所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析管理，并對(duì)控制單元下達(dá)指令，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。用戶可隨時(shí)通過(guò)手機(jī)軟件對(duì)豬舍內(nèi)各環(huán)境參數(shù)進(jìn)行查看，也可查看歷史環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)等。此外，設(shè)計(jì)還可以通過(guò)手機(jī)軟件設(shè)置各環(huán)境參數(shù)的閾值，若有環(huán)境因子超出閾值，將會(huì)觸動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警與做出遠(yuǎn)程調(diào)控的效果。豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of environmental monitoring system

2 系統(tǒng)軟件控制

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要包括監(jiān)測(cè)單元和控制單元的軟件設(shè)計(jì)以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)應(yīng)用設(shè)計(jì)，總體流程如圖2 所示。

豬舍環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以單間豬舍為監(jiān)控單元，采用簡(jiǎn)單的星形拓?fù)浔O(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，傳感層將傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸層傳輸?shù)浇邮罩行?，物?lián)網(wǎng)云端接收并保存數(shù)據(jù)，并且顯示豬舍的實(shí)時(shí)溫濕度、氨氣濃度等相關(guān)參數(shù)。

控制單元負(fù)責(zé)處理采集豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)上下限的判定，來(lái)確定是否觸發(fā)云平臺(tái)報(bào)警，從而輸出相應(yīng)的控制命令，控制豬舍內(nèi)的各種設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，使豬舍環(huán)境得到改善。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)應(yīng)用設(shè)計(jì)主要包括人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)和報(bào)警模塊設(shè)計(jì)，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)設(shè)計(jì)豬舍環(huán)境監(jiān)控界面，并且向生豬養(yǎng)殖戶提供數(shù)據(jù)查詢、信息管理等功能。根據(jù)應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)報(bào)警觸發(fā)器。提供用戶管理功能，方便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理。

2.1 數(shù)據(jù)采集

傳感器檢測(cè)模塊軟件基于單片機(jī)語(yǔ)言，利用STC89C51 作為主控器，進(jìn)行豬舍環(huán)境中各個(gè)數(shù)據(jù)的采集。如圖3 所示，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，各芯片首先進(jìn)行初始化，然后驅(qū)動(dòng)各傳感器進(jìn)行個(gè)數(shù)據(jù)的采集，接著將所采集數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi 網(wǎng)絡(luò)傳送于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，并自動(dòng)判斷是否傳送成功，如若傳送失敗，將進(jìn)行二次傳送。

圖2 總體流程圖Fig.2 Overall flow chart

圖3 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.3 Data acquisition flow chart

2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供的服務(wù)接口可實(shí)現(xiàn)豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的上報(bào)、存儲(chǔ)功能，并可進(jìn)行各參數(shù)上下限的判定，以及設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控和終端控制的管理。設(shè)計(jì)通過(guò)開(kāi)發(fā)APP 界面，實(shí)現(xiàn)各環(huán)境參數(shù)的動(dòng)態(tài)顯示。用戶可通過(guò)訪問(wèn)APP 界面，遠(yuǎn)程查看豬舍環(huán)境實(shí)時(shí)信息，還可以設(shè)置環(huán)境控制設(shè)備的工作參數(shù)。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)可以支持多種傳輸協(xié)議，可以提供大量便捷優(yōu)質(zhì)服務(wù)，因此具有良好的可視化應(yīng)用。

設(shè)計(jì)首先在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)創(chuàng)建一個(gè)豬舍環(huán)境監(jiān)控的系統(tǒng)，然后將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和執(zhí)行設(shè)備的運(yùn)行情況傳輸?shù)絼?chuàng)建的系統(tǒng)中。用戶僅需要安裝豬舍監(jiān)控APP即可觀察整個(gè)豬舍的狀況并且可以遠(yuǎn)程控制相關(guān)操作。此外，為了給用戶提供方便，設(shè)計(jì)還增加了歷史數(shù)據(jù)保存功能。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

該豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)硬件由傳感器檢測(cè)模塊、51 單片機(jī)控制模塊等模塊構(gòu)成，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

傳感器檢測(cè)模塊由溫濕度檢測(cè)模塊、二氧化碳?xì)怏w檢測(cè)模塊、氨氣檢測(cè)模塊、硫化氫氣體檢測(cè)模塊、光照檢測(cè)模塊以及無(wú)線傳輸模塊組成。由于考慮到豬舍環(huán)境惡劣，溫濕度以及各種氣體不同于外界，例如硫化氫等氣體具有一定的腐蝕性，因此傳感器于主板間采用分離設(shè)計(jì)。

控制裝置由濕簾風(fēng)機(jī)、噴淋通水、側(cè)窗頂窗、加溫光補(bǔ)償?shù)仍O(shè)備構(gòu)成，該裝置可以通過(guò)手機(jī)APP 下發(fā)的指令對(duì)豬舍環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。但由于此類設(shè)備均為高電壓高電流設(shè)備，無(wú)法控制芯片直接連接，因此控制設(shè)備增設(shè)電源轉(zhuǎn)換電路模塊和繼電保護(hù)模塊。

溫度和濕度傳感器的類型繁多，系統(tǒng)選擇DHT11作為溫度和濕度檢測(cè)模塊。DHT11 不但具有數(shù)字量輸出的功能，還具有電阻元件和NTC 溫度檢測(cè)元件，濕度的測(cè)量范圍為20%～95%，溫度測(cè)量范圍為0～50 ℃。該傳感器采用特殊的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度檢測(cè)技術(shù)，有校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的功能，因此可以為設(shè)計(jì)提供可靠的溫濕度數(shù)據(jù)。

4 用戶功能層和界面層的設(shè)計(jì)

4.1 賬號(hào)管理模塊的設(shè)計(jì)

該模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)新用戶注冊(cè)，用戶登錄賬號(hào)，界面如圖5 所示。

圖4 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Hardware structure diagram

圖5 APP 登錄界面Fig.5 Login interface

當(dāng)用戶或管理員雙擊進(jìn)入APP 時(shí)，可出現(xiàn)登錄界面，有新用戶注冊(cè)和手機(jī)驗(yàn)證碼登錄選項(xiàng)，養(yǎng)殖戶可以使用賬號(hào)密碼進(jìn)行登錄，當(dāng)其忘記密碼時(shí)，養(yǎng)殖戶還可以選擇用手機(jī)號(hào)驗(yàn)證碼登錄，避免出現(xiàn)密碼遺忘而導(dǎo)致登錄失敗的情況。養(yǎng)殖戶輸入用戶名和密碼后進(jìn)行輸入檢查，密碼正確后開(kāi)啟登錄動(dòng)畫(huà)，進(jìn)入功能主界面。

4.2 數(shù)據(jù)查詢主界面的設(shè)計(jì)

根據(jù)手機(jī)APP 客戶端的功能性需求分析，設(shè)計(jì)將用戶的功能主界面劃分為溫濕度值、光照強(qiáng)度等六部分，主界面畫(huà)面如圖6 所示。

圖6 APP 數(shù)據(jù)查詢界面Fig.6 Data query interface

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊的主要任務(wù)是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器向APP 客戶端發(fā)送采集到的豬舍實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，用戶登錄成功后與物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器建立連接，豬舍的環(huán)境參數(shù)可以實(shí)時(shí)更新顯示。工作過(guò)程為首先系統(tǒng)獲取用戶選擇的目標(biāo)環(huán)境參數(shù)值，然后向物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，最后將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶，方便用戶對(duì)歷史環(huán)境了解統(tǒng)計(jì)。

4.3 遠(yuǎn)程控制主界面的設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制模塊支持手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式，手動(dòng)和自動(dòng)控制用戶界面如圖7 所示。手動(dòng)控制為用戶可以根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析，自主的手動(dòng)控制各硬件風(fēng)機(jī)、溫濕度、光照設(shè)備工作，以改善豬舍內(nèi)的環(huán)境。自動(dòng)控制采用上下限控制的方法，設(shè)置各環(huán)境參數(shù)的最大值和最小值，即閾值上下限，系統(tǒng)自動(dòng)的將相應(yīng)環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)至該區(qū)間內(nèi)，同時(shí)可以進(jìn)行季節(jié)的選擇，不同季節(jié)設(shè)置不同的閾值上下限。通過(guò)自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖戶對(duì)環(huán)境溫濕度參數(shù)的實(shí)時(shí)控制。

圖7 APP 遠(yuǎn)程控制界面Fig.7 Remote control interface

4.4 報(bào)警提醒的設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)值異常即超過(guò)閾值的上下限時(shí)，觸發(fā)報(bào)警裝置發(fā)出警報(bào)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將異常信息數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送給用戶，用戶也可以通過(guò)在APP 界面輸入某段時(shí)間，可方便的查詢和了解某些環(huán)境參數(shù)異常的時(shí)間和異常數(shù)據(jù)的具體值。該模塊主要負(fù)責(zé)報(bào)警信息的接收以及歷史報(bào)警數(shù)據(jù)的查詢。報(bào)警提醒和歷史異常數(shù)據(jù)界面的設(shè)計(jì)如下圖8 所示。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)以提高養(yǎng)殖戶養(yǎng)殖收益、為豬舍提供優(yōu)良環(huán)境為目的，使用WiFi 具有傳輸速度快，覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，研發(fā)以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的環(huán)境無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計(jì)以WiFi 模塊、傳感器模塊和控制器組成。環(huán)境采集點(diǎn)通過(guò)WiFi 模塊接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，然后再接入手機(jī)App，通過(guò)手機(jī)App 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、儲(chǔ)存，并進(jìn)行一系列自動(dòng)調(diào)整來(lái)為養(yǎng)殖戶提供便捷的管理模式，改善豬舍環(huán)境。該物聯(lián)網(wǎng)豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)不僅可推動(dòng)當(dāng)下養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展，還可以提升豬舍環(huán)境控制的自動(dòng)化、系統(tǒng)化和便捷化水平，有效減小了人力和物力資源，增加了養(yǎng)殖戶的經(jīng)濟(jì)受益。

圖8 APP 異常報(bào)警界面Fig.8 Abnormal alarm interface