基于Python和樹(shù)莓派的養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

楊玉玲，陳永健，劉思雯，韋春波

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

隨著人工智能的發(fā)展與普及，智能化養(yǎng)殖模式也逐漸取代傳統(tǒng)養(yǎng)殖，全面的現(xiàn)代化養(yǎng)殖管理系統(tǒng)受到越來(lái)越多的養(yǎng)殖戶青睞。對(duì)于養(yǎng)殖業(yè)而言，除了動(dòng)物的飼養(yǎng)條件，動(dòng)物的生長(zhǎng)環(huán)境與養(yǎng)殖戶管理方式同樣發(fā)揮著重要作用。良好的養(yǎng)殖環(huán)境不僅能保障動(dòng)物的健康生長(zhǎng)的環(huán)境，還為養(yǎng)殖場(chǎng)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益。2020年，國(guó)外報(bào)道Python語(yǔ)言應(yīng)用在生命科學(xué)畜牧養(yǎng)殖業(yè)中具有良好前景[1]。因此設(shè)計(jì)了基于Python和樹(shù)莓派的養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用Python語(yǔ)言攝取和采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并傳入畜牧生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)，設(shè)置相應(yīng)單元閾值，利用畜牧生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)進(jìn)行參數(shù)對(duì)比。相應(yīng)報(bào)警數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳入監(jiān)管者終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理。該系統(tǒng)加強(qiáng)動(dòng)物個(gè)體監(jiān)護(hù)以及養(yǎng)殖生產(chǎn)的監(jiān)測(cè)，解決了養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀態(tài)、動(dòng)物個(gè)體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及養(yǎng)殖場(chǎng)壞境數(shù)據(jù)不能及時(shí)掌握等問(wèn)題。通過(guò)畜牧生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)在“約養(yǎng)牧業(yè)”中的運(yùn)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)畜舍環(huán)境的有效監(jiān)控與運(yùn)用，這不僅可以提高畜禽的生產(chǎn)性能，還可以減少資源浪費(fèi)和降低勞動(dòng)成 本，有力于推進(jìn)畜牧業(yè)信息化發(fā)展進(jìn)程，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)框架

采用Python語(yǔ)言樹(shù)莓派為控制單元的養(yǎng)殖場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用Python語(yǔ)言攝取和采集數(shù)據(jù)并傳入樹(shù)莓派，設(shè)置相應(yīng)單元閾值，樹(shù)莓派進(jìn)行對(duì)比參數(shù)并執(zhí)行相關(guān)命令，通過(guò)物理、化學(xué)傳感器采集養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，耳環(huán)射頻紅外傳感識(shí)別動(dòng)物個(gè)體并采集體溫?cái)?shù)據(jù)[2]，音頻傳感器識(shí)別動(dòng)物咳嗽頻率，并根據(jù)動(dòng)物咳嗽頻率判斷是否發(fā)生呼吸系統(tǒng)疾病，若超過(guò)閾值，相應(yīng)報(bào)警數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳入監(jiān)管者終端實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理[3]。通過(guò)改變養(yǎng)殖場(chǎng)既有條件，加強(qiáng)動(dòng)物個(gè)體監(jiān)護(hù)以及養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測(cè)，為更好的實(shí)現(xiàn)科學(xué)化、數(shù)字化、集約化養(yǎng)殖提供一個(gè)簡(jiǎn)便科學(xué)的平臺(tái)。

2 養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于Python編程語(yǔ)言和樹(shù)莓派微型計(jì)算機(jī)為載體，整體由五個(gè)部分組成，即檢測(cè)部分，樹(shù)莓派處理控制部，效應(yīng)器部以及Web服務(wù)器。如圖1所示是基于Python和 樹(shù)莓派的養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的技術(shù)框架。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)路線圖

2.1 檢測(cè)部分

該系統(tǒng)首先利用傳感器導(dǎo)入空氣溫濕度、光照、二氧化碳、氨氣等數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)入樹(shù)莓派并且直接在樹(shù)莓派中做出指令，其結(jié)果反饋到養(yǎng)殖戶管理者終端。其中視頻圖像部分的錄入可以讓養(yǎng)殖場(chǎng)的關(guān)鍵部位處于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)位置，養(yǎng)殖戶可以在手機(jī)或者移動(dòng)顯示終端實(shí)時(shí)地觀看養(yǎng)殖場(chǎng)情況以及動(dòng)物狀況。體重測(cè)量傳感器放置在養(yǎng)殖場(chǎng)關(guān)鍵部位[4]，可以是每個(gè)動(dòng)物所必經(jīng)的場(chǎng)所，例如水槽處，通道處等等。每只動(dòng)物耳環(huán)上安裝一個(gè)的小型射頻ID卡芯片，如以牛為例，當(dāng)牛經(jīng)過(guò)體重測(cè)量處時(shí)，牛耳上的ID卡片就和附近的采集器感應(yīng)，識(shí)別牛的編號(hào)并且觸發(fā)體重傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)入樹(shù)莓派并且上傳到樹(shù)莓派數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)有許多只牛在一起影響體重測(cè)量時(shí)，感應(yīng)器會(huì)自動(dòng)終止測(cè)量，等待所測(cè)量處只有一只牛時(shí)再采集數(shù)據(jù)，這種命令在后期的Python編程中可以實(shí)現(xiàn)。飲水量采集可以通過(guò)飲水槽中水量的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，所采集到的數(shù)據(jù)會(huì)及時(shí)的存入樹(shù)莓派數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶可以后期自行導(dǎo)出數(shù)據(jù)生成統(tǒng)計(jì)圖。音頻分析傳感器可以采集動(dòng)物聲音進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，這些都可以由樹(shù)莓派進(jìn)行分析數(shù)據(jù)。傳感器將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，臨床實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)動(dòng)物發(fā)生呼吸道感染時(shí)咳嗽持續(xù)時(shí)間以及頻率高于其他動(dòng)物，利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頻率信號(hào)對(duì)動(dòng)物是否發(fā)生呼吸系統(tǒng)疾病進(jìn)行預(yù)警，同樣采集器與接收器安裝在同一個(gè)地方，既可以識(shí)別出病畜編號(hào)也可以即使采集到數(shù)據(jù)上傳到樹(shù)莓派以及管理者終端。

2.2 樹(shù)莓派處理控制部

樹(shù)莓派作為搭載了ARM處理器的微型電腦主板，大小類(lèi)似于一張公交卡[5]，它的硬盤(pán)內(nèi)存為SD卡，周?chē)腥N版本的接口，即ModelA、ModelB、ModelB+，它具備了文檔處理、視頻播放等PC的基本功能，可連接鼠標(biāo)、鍵盤(pán)和顯示器，便能在樹(shù)莓派上實(shí)現(xiàn)[6]。光感通過(guò)樹(shù)莓派處理部監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境，同時(shí)樹(shù)莓派加載單元將傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)與編程設(shè)置的閾值對(duì)比，利用if語(yǔ)言編寫(xiě)各項(xiàng)目的最大值最小值，一旦攝取的數(shù)據(jù)超出或低于設(shè)定值，將自動(dòng)發(fā)出指令使效應(yīng)器運(yùn)行[7]。

2.3 效應(yīng)器部

主要包括風(fēng)機(jī)、濕簾、噴淋等控制以及遠(yuǎn)程或定時(shí)加入飼料，水量等。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的反饋，效應(yīng)器部執(zhí)行相應(yīng)命令[8]。例如養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部溫度過(guò)高時(shí)，效應(yīng)器打開(kāi)風(fēng)機(jī)、濕簾和噴淋等控制系統(tǒng)，直至檢測(cè)部分爬取的環(huán)境參數(shù)至正常范圍內(nèi)關(guān)閉。這些操作可以通過(guò)樹(shù)莓派發(fā)送紅外信號(hào)執(zhí)行命令也可以扦插網(wǎng)線進(jìn)行數(shù)據(jù)命令傳送，類(lèi)似于遙控器。

2.4 Web服務(wù)器

Web服務(wù)器部由于樹(shù)莓派擁有網(wǎng)絡(luò)交互功能，整套系統(tǒng)可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)并且網(wǎng)絡(luò)局域網(wǎng)共享數(shù)據(jù)。通過(guò)信息終端，可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)地查看養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)，通過(guò)該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和各類(lèi)報(bào)警預(yù)警功能[9]。比如在手機(jī)安裝iTerminal軟件，在APP中輸入相應(yīng)的IP地址以及密碼進(jìn)行登錄并操作控制樹(shù)莓派。真正實(shí)現(xiàn)了人-樹(shù)莓派-養(yǎng)殖場(chǎng)實(shí)時(shí)一體化的目標(biāo)，使各個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)的管理更加適合自身特點(diǎn)，探索出各具特色的精準(zhǔn)化管理模式[10]。

2.5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

同現(xiàn)有的基于Labview、ZigBee等養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)在于投入成本低，易于操作。樹(shù)莓派是一種價(jià)格實(shí)惠，體積小的迷你計(jì)算機(jī)，其中樹(shù)莓派4代被譽(yù)為世上最流行最便宜的小型電腦[11]。同時(shí)，樹(shù)莓派所運(yùn)用的Python語(yǔ)言具有清晰的語(yǔ)法、良好的可靠性和易用性，兩者的結(jié)合使其在各行業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，目前基于Python和樹(shù)莓派擴(kuò)展的系統(tǒng)已在安防門(mén)禁[12]、交通紅路燈[13]、人體隨動(dòng)測(cè)溫[2]等實(shí)際應(yīng)用中取得良好效果。

3 小結(jié)

利用基于Python和樹(shù)莓派的畜牧生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)在畜牧業(yè)中的運(yùn)用，首先能解決養(yǎng)殖場(chǎng)生產(chǎn)的可視化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)個(gè)體養(yǎng)殖場(chǎng)的數(shù)字化，智能化和可視化；二是通過(guò)該系統(tǒng)為動(dòng)物生產(chǎn)科研等途徑提供了直觀的數(shù)據(jù)采集方法；三是通過(guò)該改良的系統(tǒng)處理終端大大地降低了養(yǎng)殖場(chǎng)的監(jiān)測(cè)成本同時(shí)提高了養(yǎng)殖場(chǎng)的信息采集效率以及提供危險(xiǎn)預(yù)警等途徑；四是將監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)收集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的輸送至養(yǎng)殖戶端，具有高效，安全等優(yōu)勢(shì)。

高效、智能、實(shí)時(shí)的養(yǎng)殖模式在畜牧生產(chǎn)實(shí)踐中得到越來(lái)越多的運(yùn)用，基于Python和樹(shù)莓派的養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的環(huán)境和動(dòng)物的基本情況進(jìn)行遠(yuǎn)程精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸送到養(yǎng)殖戶手中，從而構(gòu)建了實(shí)時(shí)的智能化環(huán)境監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)，解決了養(yǎng)殖場(chǎng)現(xiàn)在環(huán)境監(jiān)測(cè)條件差的問(wèn)題，加強(qiáng)了動(dòng)物個(gè)體監(jiān)護(hù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境的智能化監(jiān)測(cè)與控制。