肉雞健康養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)研建

鄭紀(jì)業(yè)，崔太昌，王風(fēng)云，黃 潔，孔慶富，孫福來，郝浩宇

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技信息研究所，山東 濟(jì)南 250100；，2.濱州市農(nóng)業(yè)局，山東 濱州 256600；3.山東省實(shí)驗(yàn)中學(xué)，山東 濟(jì)南 250100）

經(jīng)過改革開放40年的持續(xù)發(fā)展，我國肉雞生產(chǎn)規(guī)模已躍居世界第二，雞肉已成為僅次于豬肉的第二大畜禽消費(fèi)品[1]。隨著規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖的發(fā)展，肉雞養(yǎng)殖業(yè)正面臨著來自動(dòng)物疫病、環(huán)境污染等方面的挑戰(zhàn)和沖擊，尤其是近幾年在不少國家暴發(fā)了H7N9 高致病性禽流感的情況下，中國雞肉產(chǎn)量從2015年開始連續(xù)兩年下跌，2016年下跌8%，2017年預(yù)計(jì)下跌11%[2]。相關(guān)研究表明環(huán)境因素對(duì)肉雞健康生長的影響越來越突出。遺傳育種、營養(yǎng)水平和環(huán)境條件是影響畜禽生產(chǎn)的主要因素，其貢獻(xiàn)率分別為45%、30%和25%[3]。因此，研究建立肉雞健康養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，平穩(wěn)控制禽舍環(huán)境變化對(duì)于減少禽病發(fā)病率，推動(dòng)養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

陳長喜等[4]提出了畜禽健康養(yǎng)殖預(yù)警體系內(nèi)容，采用三星2440 嵌入式開發(fā)板，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了集約化畜禽養(yǎng)殖環(huán)境預(yù)警與控制系統(tǒng)。周育輝等[5]利用STM32F103R6 構(gòu)建了畜禽養(yǎng)殖環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境中的溫度、濕度、硫化氫、氨氣、通風(fēng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制；為科學(xué)合理地調(diào)控家禽生長的各種環(huán)境因子，楊軍等[6]人開發(fā)了智能禽舍監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合視頻監(jiān)控和專家系統(tǒng)，提出一種遠(yuǎn)程視頻診斷雞病的方法；張偉等[7]針對(duì)豬舍環(huán)境采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了智能管理模型，實(shí)現(xiàn)了豬舍環(huán)境的實(shí)時(shí)感知和遠(yuǎn)程控制。目前研究多以PLC 控制器為主[8-9]，并且主要集中在氨氣、硫化氫等有害氣體檢測(cè)方面，對(duì)畜禽舍PM10、PM2.5 等可吸入顆粒物的檢測(cè)研究報(bào)道較少。本文以肉雞養(yǎng)殖環(huán)境質(zhì)量為監(jiān)測(cè)對(duì)象，研究了肉雞舍環(huán)境控制的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)，研發(fā)了肉雞養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)禽舍環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，智能控制通風(fēng)和保溫設(shè)備的啟停，對(duì)于改善禽舍環(huán)境質(zhì)量，提高養(yǎng)殖效益具有重要意義。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

肉雞健康養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由感知器、數(shù)據(jù)采集控制器、執(zhí)行器及遠(yuǎn)程服務(wù)器等部分組成，總體方案如圖1 所示。感知器主要由空氣溫度傳感器、空氣濕度傳感器、PM2.5 傳感器等組成，用于雞舍環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知；采集控制器用于接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶設(shè)定進(jìn)行比較，決定是否發(fā)送控制命令給執(zhí)行器，控制執(zhí)行設(shè)備的開關(guān)；遠(yuǎn)程服務(wù)器用于數(shù)據(jù)的積累和持久化保存，為后續(xù)控制模型的建立和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。感知器和數(shù)據(jù)采集控制器之間、執(zhí)行器和數(shù)據(jù)采集控制器之間采用RS485 傳輸方式，采集控制器和遠(yuǎn)程服務(wù)器之間可采用GPRS、WiFi、433MHz 及以太網(wǎng)等多種形式，根據(jù)養(yǎng)殖場實(shí)際情況靈活選擇。

圖1 系統(tǒng)整體方案

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集控制器是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，主要完成禽舍環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、顯示、保存、控制及上傳功能，主要由6 個(gè)模塊組成，其中主控模塊采用STM32 微處理器作為主控芯片，其主要功能是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，判斷與分析，包括將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)斤@示屏、保存至本地存儲(chǔ)卡、將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器及將數(shù)據(jù)的分析判斷結(jié)果發(fā)送到控制模塊。通信模塊采用了RS485通信方式，其具有傳輸距離長，抗干擾能力強(qiáng)，可連接傳感器多等優(yōu)點(diǎn)。其主要功能連接MCU 和外部RS485 傳感器，作為傳感器采集的數(shù)據(jù)傳給主控模塊的通道。其連接的傳感器包括空氣溫度、空氣濕度、可吸入顆粒物、氨氣濃度傳感器等，其中在雞舍選定六個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)都放置一個(gè)溫濕度傳感器，6 個(gè)溫濕度傳感器，采用循環(huán)采集的方式，控制器每8秒鐘采集一次數(shù)據(jù)，48 秒一個(gè)循環(huán)。顯示模塊主要功能是觸摸與顯示的功能。采用了7 寸LCD 觸摸屏，其優(yōu)點(diǎn)是可以將更多的數(shù)據(jù)一次性顯示在用戶面前，實(shí)現(xiàn)用戶的可視化操作，大大降低了用戶的學(xué)習(xí)難度和操作成本。存儲(chǔ)模塊采用一張8G 容量的高速SD 卡，主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的本地保存，可以讓用戶方便的查看歷史數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)上傳模塊采用網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口的模塊，其主要功能是實(shí)現(xiàn)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器?？刂颇K采用5V 的繼電器，優(yōu)點(diǎn)是體積小，穩(wěn)定且節(jié)能。主要功能是連接外部設(shè)備，如風(fēng)機(jī)，水泵等，通過MCU 主控芯片下達(dá)指令控制繼電器的開/關(guān)，繼而達(dá)到對(duì)外部設(shè)備開/關(guān)的控制功能。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件2 部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。下位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、顯示、存儲(chǔ)及上傳、系統(tǒng)報(bào)警、設(shè)備控制等功能；上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)高并發(fā)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的接收，存儲(chǔ)及展示。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

3.1 下位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件移植了μC/OS-III 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，μC/OS-III 是基于優(yōu)先級(jí)的內(nèi)核，可升級(jí)，可固化，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代的實(shí)時(shí)內(nèi)核的大部分功能，例如資源管理、同步、任務(wù)間通信等。其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)功能，每個(gè)單獨(dú)的功能都可以封裝為一個(gè)任務(wù)，它的任務(wù)個(gè)數(shù)可以有多個(gè)，數(shù)量不受限制。任務(wù)間可以進(jìn)行通訊，并且互不干擾。在減少代碼的同時(shí)，更加的穩(wěn)定與高效，程序上也更加直觀，方便程序員的閱讀與移植。下位機(jī)軟件系統(tǒng)共建立了4 個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)及功能分別為：任務(wù)1：獲取環(huán)境數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、控制、存儲(chǔ)；任務(wù)2：獲取溫度數(shù)據(jù)并顯示；任務(wù)3：觸摸、頁面切換；任務(wù)4：獲取環(huán)境數(shù)據(jù)并上傳服務(wù)器。系統(tǒng)開機(jī)后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括單片機(jī)的定時(shí)器，IO 口以及一些外部芯片的初始化。其次通過RS485 接收外部傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)，單片機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，判斷產(chǎn)生控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)?？刂菩盘?hào)的主要的算法是，采集到的數(shù)據(jù)和用戶設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，如果數(shù)據(jù)大于設(shè)定值，單片機(jī)就會(huì)保存往后的兩組數(shù)據(jù)，這樣三組數(shù)據(jù)進(jìn)行取平均值再和設(shè)定值進(jìn)行比較，如果得出的平均值大于設(shè)定值，則對(duì)繼電器發(fā)起“開”信號(hào)，否則發(fā)送“關(guān)”信號(hào)。其中數(shù)據(jù)信號(hào)主要用于在LCD 上顯示，服務(wù)器的上傳和SD 卡內(nèi)的保存?？刂菩盘?hào)主要根據(jù)單片機(jī)對(duì)接收到環(huán)境數(shù)據(jù)分析的結(jié)果來控制繼電器的開/關(guān)，以此來達(dá)到控制風(fēng)機(jī)，水泵等設(shè)備的功能，系統(tǒng)流程圖如圖4 所示。

圖4 下位機(jī)系統(tǒng)流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信采用http 通信協(xié)議，下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過變換之后，采用json格式封裝并發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器端數(shù)據(jù)接收接口。上位機(jī)軟件系統(tǒng)采用C# 語言，ASP.NET MVC 開發(fā)模式實(shí)現(xiàn)，主要功能包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與展示、禽舍環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

4 應(yīng)用效果與討論

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性，本系統(tǒng)在無棣前胡生態(tài)觀光農(nóng)場肉雞養(yǎng)殖舍進(jìn)行了部署和實(shí)驗(yàn)。雞舍建筑面積1120m2，東西長80m，南北寬14m，可養(yǎng)殖肉雞2 萬只。舍內(nèi)養(yǎng)殖設(shè)施6 排，選取遠(yuǎn)離棚舍邊緣的中間2 排安裝環(huán)境感知傳感器，每排安裝3 個(gè)，均勻分布，6 個(gè)控制器分別控制9個(gè)風(fēng)機(jī)，可在下位機(jī)軟件設(shè)定好肉雞生長適宜的溫度，進(jìn)行自動(dòng)控制，下位機(jī)軟件界面如圖5 所示。

圖5 下位機(jī)軟件界面

通過上位機(jī)軟件系統(tǒng)，用戶可隨時(shí)查看雞舍環(huán)境并對(duì)其進(jìn)行調(diào)控，圖6 為上位機(jī)軟件系統(tǒng)查看的16日齡肉雞舍溫度變化曲線。16日齡時(shí)雞舍溫度設(shè)定為28℃，從曲線上可以看出舍內(nèi)最低溫度26.19，最高溫度28.96，偏離設(shè)定溫度最大值為1.81，最大誤差為6.5%。圖7 為開啟通風(fēng)系統(tǒng)后雞舍濕度曲線變化圖，最終濕度下降至65%左右，符合該日齡肉雞所需濕度范圍，說明該系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，能夠?qū)貪穸炔钪悼刂圃谳^小范圍內(nèi)變化。

圖6 雞舍溫度變化曲線

圖7 雞舍濕度變化曲線

5 結(jié)論

論文以肉雞養(yǎng)殖環(huán)境質(zhì)量為監(jiān)測(cè)對(duì)象，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了肉雞健康養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，由感知器、數(shù)據(jù)采集控制器、執(zhí)行器及遠(yuǎn)程服務(wù)器等部分組成。感知器將實(shí)時(shí)感知的雞舍環(huán)境數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器，便于用戶隨時(shí)查看雞舍環(huán)境并對(duì)其進(jìn)行調(diào)控；采集控制器和遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的通信可采用GPRS、WiFi、433MHz 及以太網(wǎng)等多種形式，可根據(jù)養(yǎng)殖場實(shí)際情況靈活選擇。通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了肉雞健康養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性，在保證禽舍所需溫度基本恒定的條件下，使舍內(nèi)可吸入顆粒物、氨氣濃度和相對(duì)濕度保持在適宜范圍內(nèi)。系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)于改善禽舍環(huán)境質(zhì)量，提高養(yǎng)殖效益具有重要意義。