基于邊緣計(jì)算與深度學(xué)習(xí)的禽舍監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊東軒 吳葉蘭 張剛剛 劉碩

摘要：惡臭氣體是影響禽舍內(nèi)禽類(lèi)個(gè)體健康和產(chǎn)蛋效率的重要因素。由于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備具有較長(zhǎng)的氣體濃度響應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)對(duì)污染物的排放做出檢測(cè)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)可以預(yù)測(cè)氨氣濃度變化的禽舍監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，選用低成本的電化學(xué)傳感器和低功耗Wi-Fi微控制器設(shè)計(jì)終端監(jiān)測(cè)器。為了克服電化學(xué)傳感器易受其他環(huán)境因素影響的缺點(diǎn)，監(jiān)測(cè)器還集成硫化氫濃度、二氧化碳濃度以及溫濕度等傳感器。由于禽舍生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)屬性對(duì)成本較敏感，選用性價(jià)比較高的邊緣計(jì)算硬件作為服務(wù)器。在該服務(wù)器對(duì)監(jiān)測(cè)器上傳的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，最終通過(guò)提出的Bi-LSTM模型使用多傳感器參數(shù)預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)氨氣的濃度值。經(jīng)過(guò)參數(shù)調(diào)優(yōu)和對(duì)比訓(xùn)練，該系統(tǒng)對(duì)禽舍內(nèi)氨氣濃度的預(yù)測(cè)值與采集值均方誤差僅為3.29%，以期為接下來(lái)的減排措施提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí);邊緣計(jì)算;禽舍環(huán)境;氨氣濃度監(jiān)測(cè);電路設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2022）09-0219-07

禽類(lèi)的產(chǎn)蛋效率容易受多種環(huán)境因素影響[1]。采用智能化的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)禽舍內(nèi)的空氣質(zhì)量、溫濕度以及污染氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可有效促進(jìn)禽類(lèi)養(yǎng)殖的現(xiàn)代化[2]。傳統(tǒng)的禽舍監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)獨(dú)立的氨氣、硫化氫和二氧化碳等傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)境參數(shù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器并呈現(xiàn)給用戶查看[3-5]。由于氣體傳感器普遍存在響應(yīng)時(shí)間這一固有特點(diǎn)[6]，因此用戶或減排系統(tǒng)所獲取的采集值會(huì)與實(shí)際值之間相差一段時(shí)間，及時(shí)判斷污染氣體的濃度可有效提高禽類(lèi)的動(dòng)物福利和生存率。段文杰等探究云計(jì)算技術(shù)在禽類(lèi)養(yǎng)殖過(guò)程中的經(jīng)營(yíng)管理辦法，為集約化和規(guī)?；酿B(yǎng)殖提供新思路，但該研究并未提出在禽類(lèi)養(yǎng)殖過(guò)程中的有效監(jiān)測(cè)方案[7]。姬舒等構(gòu)建了禽舍環(huán)境的智能化數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和減排控制系統(tǒng)[8]，但該類(lèi)系統(tǒng)僅將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為控制系統(tǒng)的輸入變量，并未分析該數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，因此具有一定的滯后性。環(huán)境數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)已在其他環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行研究，曾志雄等使用門(mén)控循環(huán)單元（GRU）網(wǎng)絡(luò)對(duì)豬舍溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)[9];楊亮等基于長(zhǎng)短記憶網(wǎng)絡(luò)（long short term memory，LSTM）模型和多環(huán)境參數(shù)預(yù)測(cè)豬舍的氨氣濃度[10]。

深度學(xué)習(xí)模型在圖像和語(yǔ)義等方面有著顯著的應(yīng)用效果[11-12]，而禽舍內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)是受多種外界因素而變化的時(shí)序數(shù)據(jù)。為了解決禽舍內(nèi)存在的污染物監(jiān)測(cè)不及時(shí)和監(jiān)控成本過(guò)高等問(wèn)題，本研究提出的深度學(xué)習(xí)模型以Bi-LSTM為基礎(chǔ)，使用無(wú)線檢測(cè)器采集的氨氣濃度、硫化氫濃度、二氧化碳濃度、溫度和濕度的時(shí)間序列值作為輸入變量，對(duì)未來(lái)15 min內(nèi)的氨氣濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí)，為了降低成本，選用電化學(xué)傳感器和低功耗Wi-Fi無(wú)線微控制器，設(shè)計(jì)傳感器采集終端。通過(guò)對(duì)比包括樹(shù)莓派在內(nèi)的5種邊緣計(jì)算硬件，選擇性價(jià)比最優(yōu)的硬件作為計(jì)算服務(wù)器。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

禽舍監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從功能上可以分為數(shù)據(jù)感知層、邊緣計(jì)算層和數(shù)據(jù)展示層。數(shù)據(jù)感知層主要由終端監(jiān)測(cè)器和2.4 GHz無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。傳感器終端以基于Cortex-M4內(nèi)核的CC3200無(wú)線微控制器作為核心處理器，通過(guò)片上的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換接口讀取氣體濃度和電池電壓，通過(guò)I2C、GPIO等數(shù)字接口配置傳感器的運(yùn)行參數(shù)。邊緣計(jì)算層以樹(shù)莓派單板計(jì)算機(jī)作為硬件載體，通過(guò)禽舍內(nèi)的Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收感知層采集的底層傳感器數(shù)據(jù)。以長(zhǎng)短記憶網(wǎng)絡(luò)（long short term memory，LSTM）作為深度學(xué)習(xí)模型，通過(guò)氨氣濃度、硫化氫濃度、二氧化碳濃度以及溫濕度的歷史數(shù)值訓(xùn)練該模型，最終實(shí)現(xiàn)氨氣濃度的預(yù)測(cè)。數(shù)據(jù)展示層運(yùn)行于云托管服務(wù)器，通過(guò)邊緣計(jì)算層推送的運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù)，向用戶端提供數(shù)據(jù)獲取服務(wù)。由于大量計(jì)算已在邊緣服務(wù)器上運(yùn)行，因此云端服務(wù)器所需算力較小，用戶無(wú)需支付高昂的計(jì)算費(fèi)用（圖1）。

2 采集終端設(shè)計(jì)

終端監(jiān)測(cè)器的硬件主要由電化學(xué)傳感器電路和無(wú)線微控制器電路構(gòu)成。前者負(fù)責(zé)氨氣和硫化氫傳感器的前端模擬信號(hào)采集和調(diào)理;后者主要負(fù)責(zé)其余傳感器的數(shù)據(jù)采集、無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)以及其他邏輯控制（圖2）。

2.1 傳感器硬件電路

2.1.1 傳感器選型

設(shè)計(jì)一種適用于禽舍的環(huán)境采集終端，其首要任務(wù)就是挑選合適的氨氣濃度傳感器?；诠鈱W(xué)原理的檢測(cè)方法具有精度高和響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，其檢測(cè)靈敏度通?？蛇_(dá)到1 g/m3級(jí)別[13]，但該方案一般用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境且造價(jià)昂貴?；跉饷舭雽?dǎo)體、電化學(xué)EC（electrochemistry）和金屬氧化物半導(dǎo)體（metal oxide semiconductor，MOS）的氨氣濃度傳感器是各類(lèi)電子檢測(cè)儀的主要選擇。本研究分別選擇型號(hào)為MQ-137（氣敏半導(dǎo)體型，鄭州煒盛電子科技有限公司）、ME3-NH 3（EC型，鄭州煒盛電子科技有限公司）和MiCS-5914[MOS型，艾知傳感器（上海）有限公司]的氨氣濃度傳感器作為試驗(yàn)對(duì)象，在響應(yīng)時(shí)間T 90、相對(duì)誤差（relative error，RE）以及價(jià)格范圍綜合考察。使用3組同樣尺寸的PVC材質(zhì)氣密箱作為氣室，分別使用5、25 mg/m3 濃度的氨氣標(biāo)準(zhǔn)氣體以恒定的流速導(dǎo)入到氣室，測(cè)試每組傳感器由初始上電狀態(tài)到數(shù)值輸出穩(wěn)定時(shí)所用的時(shí)間，并記錄每組傳感器達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的測(cè)量值。根據(jù)公式（1）計(jì)算每組傳感器的相對(duì)誤差。備選傳感器的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1，其中包含傳感器廠家給出的參數(shù)和本試驗(yàn)所得的相對(duì)誤差數(shù)據(jù)。

RE=|C S-C T|C S×100。（1）

式中：RE表示相對(duì)誤差，%;C S表示標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度，mg/m3;C T表示傳感器測(cè)量濃度，mg/m3。

綜合比較可知，基于EC原理的ME3-NH 3型氨氣濃度傳感器適用于本方案的設(shè)計(jì)，該傳感器相比光學(xué)傳感器具有低成本、低功耗的優(yōu)勢(shì)，且該傳感器與其他電子傳感器相比具有響應(yīng)速度適中、相對(duì)誤差低等優(yōu)勢(shì)。使用相同的試驗(yàn)對(duì)比方法，選擇同為EC原理的ME3-H 2S作為硫化氫濃度傳感器。選擇基于MEMS的SGP30作為二氧化碳傳感器，選擇SHT31作為溫濕度傳感器，二者均可以通過(guò)數(shù)字I2C接口獲取傳感器數(shù)據(jù)，無(wú)需設(shè)計(jì)復(fù)雜的預(yù)處理電路，且不要求微處理器具有高精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊。

2.1.2 信號(hào)處理電路

電化學(xué)傳感器ME3-NH 3為3端引腳結(jié)構(gòu)，分別為R極（參考電極）、S極（傳感電極）和C極（負(fù)電壓極），傳感器內(nèi)部通過(guò)與氨氣發(fā)生一系列氧化還原反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生與濃度成比例的電流[14]。對(duì)于電化學(xué)傳感器，傳統(tǒng)的信號(hào)處理電路由3個(gè)部分構(gòu)成：恒電位模塊、電流電壓轉(zhuǎn)換電路以及短路模塊。使用分散元器件構(gòu)建該電路時(shí)需要注意器件的選型，應(yīng)使用具有低輸入偏置電流和低輸入噪聲的運(yùn)放;R Gain（增益電阻）應(yīng)具有高精度且低溫漂特性;R Load（負(fù)載電阻）的取值范圍為10～33 Ω，取值越高，降噪效果越好，但氣體濃度檢測(cè)的響應(yīng)時(shí)間也越長(zhǎng)。為了精簡(jiǎn)電路設(shè)計(jì)和降低成本，本研究采用型號(hào)為L(zhǎng)MP91000的電化學(xué)模擬前端（AFE）IC代替分散電路方案。電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3，AFE芯片內(nèi)部除了集成有用于處理模擬信號(hào)的恒電位和電流轉(zhuǎn)換電路，還包含可編程的偏置電壓、可編程的跨組運(yùn)放增益模塊以及數(shù)字通信接口，且其內(nèi)部集成有場(chǎng)效應(yīng)管短路特性，因此無(wú)需額外設(shè)計(jì)短路模塊。得益于AFE的可編程特性，硫化氫濃度傳感器ME3-H 2S同樣使用該設(shè)計(jì)方案，只需在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過(guò)I2C接口為其配置不同的偏置電壓和跨組增益即可。得益于I2C接口的可擴(kuò)展性，該設(shè)計(jì)將信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)為獨(dú)立硬件模塊，若對(duì)該模塊進(jìn)行升級(jí)則無(wú)需重新設(shè)計(jì)主體硬件電路。

2.2 CC3200核心模塊電路

自組網(wǎng)芯片方案常被用于無(wú)線傳感器的設(shè)計(jì)[15]，該方案的優(yōu)點(diǎn)是在不確定地形的監(jiān)測(cè)環(huán)境中輕松實(shí)現(xiàn)大覆蓋范圍的組網(wǎng)。而在面積有限且確定的禽舍環(huán)境中，監(jiān)測(cè)器到數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)之間的距離較近，且不需要多跳轉(zhuǎn)發(fā)，因此使用基于Wi-Fi的無(wú)線微處理器便于直接利用已有的2.4 GHz路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。羅俊等使用單獨(dú)的Wi-Fi芯片和微控制器分別實(shí)現(xiàn)了收發(fā)數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)[16]，但電路設(shè)計(jì)較復(fù)雜。使用集成有Wi-Fi收發(fā)器和 Cortex-M4 內(nèi)核微控制器的CC3200芯片可以有效地降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度和運(yùn)行功耗[17]。圖4為無(wú)線微控制器的核心電路，相比于傳統(tǒng)微控制器，無(wú)線微控制器在收發(fā)無(wú)線數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)給DC-DC電路引入較大的噪聲，因此要優(yōu)先考慮去耦電容的布局以及電源的走線位置。在處理器引腳的設(shè)計(jì)上選用1對(duì)I2C數(shù)字總線與下掛的所有傳感器進(jìn)行通信，可大幅節(jié)約引腳占用。該數(shù)字總線用于獲取SGP30和SHT31傳感器的采集數(shù)據(jù)，以及配置AFE芯片的內(nèi)部運(yùn)行參數(shù)。核心電路的設(shè)計(jì)選用2個(gè)GPIO接口控制電化學(xué)傳感器的使能信號(hào)輸入，2個(gè)PWM引腳控制直流風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速，3個(gè)A/D輸入引腳分別采集AFE輸出的氨氣和硫化氫模擬量電壓以及電池電壓。

3 預(yù)測(cè)模型設(shè)計(jì)

由于電化學(xué)傳感器存在易受周?chē)h(huán)境影響的固有特點(diǎn)，且具有一定的響應(yīng)時(shí)間，因此僅通過(guò)底層監(jiān)測(cè)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集無(wú)法滿足對(duì)禽舍生產(chǎn)環(huán)境的及時(shí)掌握。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的預(yù)測(cè)模型使用多種環(huán)境數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，使用Bi-LSTM模型計(jì)算氨氣濃度的預(yù)測(cè)值來(lái)解決上述問(wèn)題。

3.1 模型結(jié)構(gòu)

對(duì)于時(shí)間序列預(yù)測(cè)問(wèn)題，易使用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的數(shù)據(jù)，而長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)對(duì)循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，可以解決循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于層數(shù)增肌引起的梯度消失或梯度爆炸問(wèn)題[18]。Bi-LSTM 由方向相反的LSTM網(wǎng)絡(luò)組合而成。檢測(cè)器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)是包含時(shí)間信息的序列，因此選擇使用Bi-LSTM模型學(xué)習(xí)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)特征與下一時(shí)刻氨氣濃度的關(guān)系，預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)器所在位置下一時(shí)刻的氨氣濃度。

LSTM模型由若干個(gè)記憶單元組成，模塊通過(guò)3個(gè)門(mén)結(jié)構(gòu)控制和管理輸入輸出信息（圖5）。模塊中包含隨時(shí)間傳遞的單元狀態(tài)信息C和隱藏層狀態(tài)信息h，h t-1是上一時(shí)刻LSTM隱藏層信息，x t是當(dāng)前時(shí)刻的輸入值，C t-1是上一時(shí)刻LSTM記憶單元的狀態(tài)信息，C t是當(dāng)前時(shí)刻LSTM記憶單元的狀態(tài)信息。

3.2 基于LSTM的多傳感器預(yù)測(cè)模型

采集的數(shù)據(jù)中包括采集時(shí)間、氨氣濃度、硫化氫濃度和其他環(huán)境信息。為了深入探索氨氣濃度變化的歷史數(shù)據(jù)，建立基于LSTM的實(shí)時(shí)氨氣濃度預(yù)測(cè)模型，將監(jiān)測(cè)器采集的所有環(huán)境數(shù)據(jù)作為模型輸入（圖6）。

氨氣濃度預(yù)測(cè)模型根據(jù)某一位置監(jiān)測(cè)器采集的歷史數(shù)據(jù)特征作為模型輸入，將下一時(shí)刻的氨氣濃度作為輸出，建立歷史采集數(shù)據(jù)和未來(lái)真實(shí)數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系。其中一條采集數(shù)據(jù)在t時(shí)刻的特征X（t）為

X（t）={x 0，…，x n}。（2）

式中：x 0表示某一時(shí)刻氨氣濃度;x 1，…，x n表示同一時(shí)刻其他傳感器采集值?？紤]到監(jiān)測(cè)器使用的ME3-NH 3電化學(xué)傳感器易受到其他環(huán)境參數(shù)的影響，將采集到的其他傳感器值作為特征。將連續(xù)n個(gè)時(shí)刻的采集數(shù)據(jù)X（t-n+1），…，X（t-1）作為模型的輸入，將t+1時(shí)刻的氨氣濃度數(shù)據(jù)Y（t+1）作為輸出，其中n對(duì)應(yīng)輸入層的步長(zhǎng)大小。氨氣濃度預(yù)測(cè)模型的表達(dá)式如下。

Y（t+1）=f（{X（t-n+1），…，X（t-1）}）。（3）

4 運(yùn)行結(jié)果與分析

4.1 訓(xùn)練測(cè)試集構(gòu)建

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集地點(diǎn)位于北京市平谷區(qū)某一小型禽類(lèi)養(yǎng)殖場(chǎng)，時(shí)間為2020年5—6月，將所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)器終端懸掛于距離雞籠靠近糞到部位（圖7）?？紤]到氣體濃度采集操作需要用到排風(fēng)扇進(jìn)行換氣，將傳感器的采集時(shí)間點(diǎn)間隔定為15 min，訓(xùn)練測(cè)試集共記錄了該禽舍內(nèi)30 d的采集數(shù)據(jù)。由于測(cè)試期間會(huì)遇到更換電池或路由器重啟等問(wèn)題，使用算術(shù)平均值來(lái)填充缺失值。使用格拉布斯（Grubbs）法判斷異常值，并用相鄰位置數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值代替異常值。為了避免維度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并構(gòu)建2 880個(gè)樣本數(shù)據(jù)。每一條樣本包含連續(xù)5個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，每一條數(shù)據(jù)中有該時(shí)刻的氨氣濃度以及其他全部傳感器的值。數(shù)據(jù)集的基本信息見(jiàn)表2。

在試驗(yàn)過(guò)程中，將數(shù)據(jù)集劃分成訓(xùn)練集、測(cè)試集和驗(yàn)證集，所占比重分別為80%、10%、10%。其中，驗(yàn)證集用來(lái)調(diào)整模型的超參數(shù)，測(cè)試集用來(lái)檢測(cè)模型的訓(xùn)練效果。模型中用到的超參數(shù)設(shè)置如下，迭代次數(shù)為50，輸入單元數(shù)為20，輸出單元數(shù)為2，隱藏層為32，塊大小為100。本試驗(yàn)使用均方誤差MSE評(píng)估濃度預(yù)測(cè)模型的正確率，均方誤差用來(lái)衡量預(yù)測(cè)結(jié)果的誤差情況，MSE的數(shù)學(xué)表達(dá)見(jiàn)公式（4），該值越小，表示模型的預(yù)測(cè)效果越好。

MSE=1n∑ni=1（y-y^）2。（4）

式中：n表示樣本個(gè)數(shù);y^ 表示模型的預(yù)測(cè)值;y表示真實(shí)值。

4.2 對(duì)比試驗(yàn)

4.2.1 不同歷史長(zhǎng)度的訓(xùn)練對(duì)比

為了驗(yàn)證模型的有效性，設(shè)定s為預(yù)測(cè)下一時(shí)間點(diǎn)所用的歷史數(shù)據(jù)條數(shù)，分析不同s長(zhǎng)度對(duì)模型的預(yù)測(cè)效果。網(wǎng)絡(luò)輸入使用同樣的測(cè)試集數(shù)據(jù)，分別對(duì)比s為5、10、15條數(shù)時(shí)的預(yù)測(cè)結(jié)果，按照預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和真實(shí)值的均方誤差計(jì)算模型的準(zhǔn)確率。試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖8。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)選擇以過(guò)去10個(gè)時(shí)間點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)作為樣本輸入，模型預(yù)測(cè)效果相對(duì)較好。使用公式（4）計(jì)算圖中預(yù)測(cè)值和實(shí)際采集值曲線的均方誤差MSE可知，在使用過(guò)去10個(gè)時(shí)間點(diǎn)長(zhǎng)度預(yù)測(cè)的情況下MSE為3.29%。

4.2.2 硬件平臺(tái)對(duì)比

考慮禽舍的生產(chǎn)規(guī)模和經(jīng)濟(jì)效益，使用基于ARM架構(gòu)和Linux系統(tǒng)的單板計(jì)算機(jī)作為邊緣計(jì)算服務(wù)器。為了在滿足計(jì)算性能的情況下盡可能降服務(wù)器的成本，試驗(yàn)對(duì)比5種常見(jiàn)的單板計(jì)算機(jī)在運(yùn)行預(yù)測(cè)模型時(shí)的效率（表3）。單板計(jì)算機(jī)所用的核心芯片都具有硬件GPU核。綜合考慮運(yùn)算時(shí)間和成本因素，系統(tǒng)選用樹(shù)莓4B型號(hào)作為邊緣計(jì)算服務(wù)器。

4.3 用戶端界面

邊緣計(jì)算服務(wù)器將終端監(jiān)測(cè)器采集的數(shù)據(jù)和通過(guò)深度學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)的下一時(shí)刻氨氣濃度定時(shí)推送到云端服務(wù)器。用戶登錄到系統(tǒng)展示界面后可以察看禽舍內(nèi)不同點(diǎn)位終端監(jiān)測(cè)器的實(shí)時(shí)環(huán)境采集數(shù)據(jù)、剩余電池電量以及未來(lái)15 min內(nèi)的氨氣濃度預(yù)測(cè)值。此外，還可以通過(guò)提前預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值接收警告信息，并查看全部環(huán)境數(shù)據(jù)的歷史曲線（圖9）。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的禽舍監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)基于低功耗Wi-Fi的無(wú)線終端監(jiān)測(cè)器和基于深度學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型。以終端監(jiān)測(cè)器為感知層，采集禽舍內(nèi)的氨氣濃度、硫化氫濃度、二氧化碳濃度以及溫濕度等環(huán)境參數(shù)，并上傳到邊緣計(jì)算服務(wù)器。在邊緣計(jì)算層以單板計(jì)算機(jī)為運(yùn)算載體，通過(guò)構(gòu)建以多傳感器采集數(shù)據(jù)為集合的時(shí)間序列數(shù)據(jù)集來(lái)訓(xùn)練Bi-LSTM深度學(xué)習(xí)模型。通過(guò)調(diào)優(yōu)參數(shù)和對(duì)比不同長(zhǎng)度歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)下一時(shí)刻即15 min后的氨氣濃度的最佳預(yù)測(cè)，該預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間的MSE誤差為3.29%。同時(shí)比較多種型號(hào)單板計(jì)算機(jī)運(yùn)行深度學(xué)習(xí)模型所需要的時(shí)間，最終確定使用樹(shù)莓派4B型號(hào)為最優(yōu)解決方案。由于終端監(jiān)測(cè)器采用低功耗Wi-Fi解決方案，因此在硬件部署上降低了施工難度和運(yùn)維成本。選用的邊緣計(jì)算單板計(jì)算機(jī)既可以降低系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計(jì)算成本，還能為用戶提供有效的污染物預(yù)測(cè)服務(wù)。由于該系統(tǒng)可以相對(duì)準(zhǔn)確地提供未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的氨氣濃度預(yù)測(cè)值，因此對(duì)保障禽舍生產(chǎn)安全、降低有害氣體排放具有重要的參考作用。

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