羊養(yǎng)殖智能化系統(tǒng)研究

李衛(wèi)衛(wèi)劉成忠

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

羊養(yǎng)殖智能化系統(tǒng)研究

李衛(wèi)衛(wèi)1劉成忠2

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

為了養(yǎng)殖場(chǎng)的智能化管理、羊肉安全提供可靠的數(shù)據(jù)及減少人工勞動(dòng)力，開(kāi)發(fā)出通過(guò)WEB界面、后臺(tái)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、各種傳感器和執(zhí)行元件對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)ZigBee技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)通信上傳到WEB服務(wù)器中，用戶可以通過(guò)Web界面，對(duì)養(yǎng)殖廠的環(huán)境、羊只和辦公進(jìn)行詳細(xì)的操作，實(shí)現(xiàn)采集與辦公一體化，可以提高羊養(yǎng)殖場(chǎng)的管理效率和生產(chǎn)能力，為以后發(fā)展和研究提供便利。

ZigBee；智能化養(yǎng)殖場(chǎng)；數(shù)據(jù)庫(kù)

隨著智能技術(shù)的發(fā)展，養(yǎng)殖場(chǎng)也逐漸向智能化、信息化和安全化的方向發(fā)展。肉羊的生長(zhǎng)周期長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月，規(guī)模正在不斷擴(kuò)大，這就使得智能化系統(tǒng)不僅要對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的環(huán)境因素進(jìn)行采集，還要與辦公平臺(tái)結(jié)合起來(lái)。國(guó)內(nèi)有許多學(xué)者在不斷研究智能化系統(tǒng)，如姜榮昌［1］研究了畜舍養(yǎng)殖廠環(huán)境的無(wú)線監(jiān)測(cè)和查詢；畢春光等［2］設(shè)計(jì)出了利用ZigBee技術(shù)測(cè)量兔舍溫度的設(shè)計(jì)；李浩［3］研究了利用RFID識(shí)別奶牛個(gè)體體征信息，并設(shè)計(jì)出奶牛精養(yǎng)飼料計(jì)劃；白忠賀［4］研究了使用FRID通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)肉品追溯的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)只是采集一些環(huán)境因素和個(gè)體因素，沒(méi)有和智能辦公平臺(tái)結(jié)合。故本文提出一種采集信息（主要是體重）和辦公平臺(tái)結(jié)合起來(lái)的系統(tǒng)。

1 采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)是由五大部分組成，分別為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行節(jié)點(diǎn)、無(wú)線通信、數(shù)據(jù)庫(kù)和Web設(shè)計(jì)界面。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)是各種環(huán)境傳感器和個(gè)體識(shí)別節(jié)點(diǎn)組成?？刂乒?jié)點(diǎn)主要來(lái)控制羊養(yǎng)殖場(chǎng)各個(gè)可執(zhí)行的電磁閥開(kāi)關(guān)和電動(dòng)機(jī)。無(wú)線通信是通過(guò)ZigBee技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)庫(kù)是用來(lái)存放由采集節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)、生成羊只檔案和辦公數(shù)據(jù)，并通過(guò)Web服務(wù)器顯示到用戶界面上。智能化羊養(yǎng)殖廠系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

1.1 采集節(jié)點(diǎn)及執(zhí)行節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要由兩部分組成：環(huán)境監(jiān)測(cè)和個(gè)體監(jiān)測(cè)。環(huán)境監(jiān)測(cè)是監(jiān)測(cè)羊場(chǎng)中各個(gè)指標(biāo)（溫濕度，氨氣，光照和二氧化碳）是否符合羊生長(zhǎng)的環(huán)境，并通過(guò)CC2530節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)中進(jìn)而傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)中，并與用戶設(shè)定的數(shù)據(jù)比較；個(gè)體監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)羊只每天的生長(zhǎng)狀況，本文主要對(duì)個(gè)體體重做出說(shuō)明。

圖1 整體框架圖

為了保證羊體的健康，對(duì)羊的個(gè)體監(jiān)測(cè)主要有羊的運(yùn)動(dòng)量、羊體表溫度、飼養(yǎng)量和每天體重增長(zhǎng)量。RFID射頻識(shí)別技術(shù)，又稱RFID，通過(guò)利用射頻技術(shù)來(lái)識(shí)別目標(biāo)信息并讀取，讀取過(guò)程中具有快速、準(zhǔn)確且無(wú)需與目標(biāo)接觸的特點(diǎn)［5］。把RFID的標(biāo)簽打在羊耳中，RFID讀寫(xiě)器連接到單片機(jī)，進(jìn)行與單片機(jī)通信，作為單片機(jī)識(shí)別羊個(gè)體的電子標(biāo)簽。羊的運(yùn)動(dòng)量傳感器和羊體表溫度固定到羊的頸部來(lái)測(cè)量羊的運(yùn)動(dòng)量和體溫，把數(shù)據(jù)到傳送到單片機(jī)節(jié)點(diǎn)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)羊的運(yùn)動(dòng)量和體溫。在羊場(chǎng)特定的位置設(shè)定若干飼養(yǎng)裝置如圖2所示，當(dāng)羊到達(dá)測(cè)量裝置的位置時(shí)，RFID自動(dòng)識(shí)別電子耳標(biāo)，如果識(shí)別到此羊已經(jīng)進(jìn)過(guò)食且達(dá)到上限，自動(dòng)門(mén)則不會(huì)打開(kāi)，否則自動(dòng)門(mén)打開(kāi)。首先，第1個(gè)自動(dòng)門(mén)打開(kāi)，測(cè)量羊進(jìn)入時(shí)的重量，進(jìn)食前的體重記為X1；然后，第2個(gè)自動(dòng)門(mén)打開(kāi)，羊進(jìn)入飼料點(diǎn)進(jìn)食，等待羊采食完畢之后，出口的第2個(gè)自動(dòng)門(mén)打開(kāi)，測(cè)量出羊進(jìn)食后的重量，記為X2；最后，出口的第1個(gè)自動(dòng)門(mén)打開(kāi)，羊完成采食的過(guò)程，當(dāng)次采食量為X=X2-X1。羊在每天會(huì)多次進(jìn)行采食，從而測(cè)得羊每天進(jìn)食的總量和每天體重增長(zhǎng)量，作為追溯數(shù)據(jù)和成本價(jià)的依據(jù)。

圖2 飼養(yǎng)裝置

執(zhí)行節(jié)點(diǎn)根據(jù)養(yǎng)殖實(shí)時(shí)的參數(shù)和用戶在數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)定的參數(shù)，來(lái)進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)節(jié)。如用戶設(shè)定養(yǎng)殖場(chǎng)的溫度不大于30℃，當(dāng)溫度大于30℃時(shí)，吹風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作。執(zhí)行節(jié)點(diǎn)本系統(tǒng)主要控制吹風(fēng)機(jī)、抽風(fēng)機(jī)、窗簾電動(dòng)機(jī)、水電子磁閥等。

1.2 采集數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以CC2530為主控芯片，把各個(gè)節(jié)點(diǎn)用樹(shù)型的方式組成ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在樹(shù)型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有3種節(jié)點(diǎn)，分別是終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)［6］。羊養(yǎng)殖場(chǎng)智能控制系統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)連接結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集環(huán)境參數(shù)和羊體參數(shù)，在閑時(shí)可以進(jìn)行休眠來(lái)降低功耗。終端節(jié)點(diǎn)首先把傳感器和終端節(jié)點(diǎn)初始化；其次，搜索可用網(wǎng)路并加入向路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送本節(jié)點(diǎn)的物理地址，等待路由節(jié)點(diǎn)確定，路由節(jié)點(diǎn)確定完之后綁定節(jié)點(diǎn)成功；再者，節(jié)點(diǎn)接收到路由節(jié)點(diǎn)綁定成功信號(hào)之后，采集本節(jié)點(diǎn)測(cè)量的數(shù)據(jù)和進(jìn)行誤差的初步處理并向路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送處理好的數(shù)據(jù)，等待發(fā)送成功的回執(zhí)信號(hào)；最后，根據(jù)實(shí)際需要決定終端節(jié)點(diǎn)是否進(jìn)入休眠狀態(tài)。

路由節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)由終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)向協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)過(guò)渡的作用，路由節(jié)點(diǎn)可以直接采集各類參數(shù)，本文路由節(jié)點(diǎn)不參與數(shù)據(jù)采集，不可以進(jìn)入休眠狀態(tài)。路由節(jié)點(diǎn)的工作過(guò)程：首先，路由節(jié)點(diǎn)在初始化完成后，加入網(wǎng)絡(luò)并向協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送本路由節(jié)點(diǎn)的物理地址并請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；其次，等協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)允許給路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)之后，下達(dá)終端節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送數(shù)據(jù)命令；最后，接收終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)，如果轉(zhuǎn)發(fā)成功則等待下次終端節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)命令，否則等一段時(shí)間再次轉(zhuǎn)發(fā)。

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)是整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹行狞c(diǎn)，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和轉(zhuǎn)發(fā)路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)采集功能，也不可以進(jìn)入休眠。協(xié)調(diào)器的工作過(guò)程：首先進(jìn)行初始化，建立網(wǎng)絡(luò)群并監(jiān)聽(tīng)是否有節(jié)點(diǎn)加入；其次，監(jiān)聽(tīng)到路由節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求入網(wǎng)指令，則下達(dá)入網(wǎng)允許并允許發(fā)送數(shù)據(jù)；再者，接收到路由節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性；最后，將收到的路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2 智能辦公平臺(tái)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)使用的軟件是SQL Sever 2014，采用B/S模式（瀏覽器/服務(wù)器模式）的數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)，這種模式是由數(shù)據(jù)庫(kù)層、WEB服務(wù)器層和WEB瀏覽器3層組成的。相比C/S，有方便、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 辦公平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)主要為了生成羊只檔案和智能辦公數(shù)據(jù)，是網(wǎng)站的核心部分，本系統(tǒng)根據(jù)養(yǎng)殖廠養(yǎng)殖環(huán)節(jié)的辦公需要，主要分為羊只管理、羊舍管理、藥物管理、疾病預(yù)防、飼料管理，人事管理、通知管理和環(huán)境監(jiān)測(cè)等八部分，養(yǎng)殖場(chǎng)人員可分場(chǎng)主、飼養(yǎng)人員、技術(shù)人員和獸醫(yī)人員，故在數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)計(jì)了五大類角色，并設(shè)定不同權(quán)限，實(shí)現(xiàn)辦公的智能化。

2.2 Web界面設(shè)計(jì)

Web界面是人機(jī)交互界面，本系統(tǒng)Web界面采用的是C#語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編寫(xiě)的，Web界面可分為登陸界面、信息管理界面和養(yǎng)殖場(chǎng)監(jiān)控界面。登陸界面不僅對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)信息安全有保障，還可以區(qū)分登陸人員的權(quán)限。信息管理界面分為人事管理界面和羊只信息管理界面，人事管理界面主要針對(duì)場(chǎng)主開(kāi)放，主要管理養(yǎng)殖廠人員變動(dòng)問(wèn)題；羊只信息管理界面主要負(fù)責(zé)顯示羊的各種信息，并可以添加和修改羊只檔案信息。養(yǎng)殖監(jiān)控界面是收集養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境信息和控制執(zhí)行節(jié)點(diǎn)的界面。同時(shí)，系統(tǒng)具有移動(dòng)訪問(wèn)辦公的功能，Web界面總體框架圖如圖4所示，部分界面如圖5所示。

圖4 WEB總體框架圖

圖5 WEB界面之羊異常登記界面

3 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的羊養(yǎng)殖場(chǎng)是以CC2530無(wú)線單片機(jī)為主控元件，使用多種傳感器采集養(yǎng)殖廠環(huán)境參數(shù)，利用無(wú)線通信組網(wǎng)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和控制節(jié)點(diǎn)，將這些數(shù)據(jù)和辦公平臺(tái)良好地結(jié)合在一起，在管理層使用B/S模式，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)辦公。本系統(tǒng)可以基本可以實(shí)現(xiàn)羊場(chǎng)管理的信息化，提高養(yǎng)殖場(chǎng)各項(xiàng)工作的效率和質(zhì)量，創(chuàng)造明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，為追溯數(shù)據(jù)的研究提供依據(jù)。故本系統(tǒng)可以滿足智能一體化養(yǎng)殖場(chǎng)基本的要求，為規(guī)?；B(yǎng)殖的智能化提供良好的思路。

［1］姜榮昌.畜舍養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

［2］畢春光，劉欣偉，任東波.基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)的兔舍無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（18）：4434-4436.

［3］李浩.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的奶牛飼喂策略研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2014.

［4］白忠賀.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的肉品追溯系統(tǒng)研究［D］.南京：南京郵電大學(xué)，2013.

［5］何杰.RFID在原生態(tài)養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究［J］.現(xiàn)代農(nóng)村科技，2015（6）：44-45.

［6］吳玉厚，姚金梅，陳士忠.基于ZigBee技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)研究［J］.沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（4）：735-741.

Research on Sheep Breeding Intelligent System

Li Weiwei1Liu Chengzhong2
（1.College of Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou Gansu 730070；2.College of Information Science and Technology，Gansu Agricultural University，Lanzhou Gansu 730070）

In order to realize intelligent management of livestock farms,provide reliable data for mutton safety,and reduce labor force,the intelligent system that can monitor and measure the environment of livestock farm through Web interface,backend data design,all kinds of sensors and actuators was developed.The measured and monitored environment parameters can be uploaded to the Web server through ZigBee-based networking.Thus,the users can manage the farm environment,sheep and office work through the Web interface.This system that integrates data collecting and office work was developed to improve management efficiency and productivity of sheep farms,so as to facilitate development of sheep farms and future research.

ZigBee；intelligent farm；database

TP393.09；S818.9

A

1003-5168（2017）04-0062-03

2017-03-11

李衛(wèi)衛(wèi)（1992-），男，碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)信息化。

劉成忠（1969-），男，博士，副教授，研究方向：智能決策支持系統(tǒng)。