基于Web技術(shù)現(xiàn)代生豬養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)分析

胡翔宇 董屹晨

（1.江蘇大學(xué)卓越學(xué)院 江蘇省鎮(zhèn)江市 212000 2.江蘇大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院 江蘇省鎮(zhèn)江市 212000）

基于我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，生豬養(yǎng)殖呈現(xiàn)出規(guī)?；?，集約化產(chǎn)業(yè)將會(huì)耗費(fèi)大量的人力和財(cái)力，為有效的改善這一現(xiàn)象，可以采用Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)科學(xué)化養(yǎng)殖管理，提升生豬養(yǎng)殖效益。

1 生豬養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 高性能STM32感知態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)采集裝置

在生豬養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)研究中使用到高性能嵌入式芯片進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)信息采集，并配合高精準(zhǔn)度環(huán)境信息采集傳感器，實(shí)現(xiàn)農(nóng)場(chǎng)閉環(huán)環(huán)境信息采集通道的建立，與市面上普通傳感器相比，STM32感知態(tài)勢(shì)傳感裝置呈現(xiàn)出高精準(zhǔn)度的特點(diǎn)，同時(shí)使用壽命是其他傳感器的2倍，耐久性較強(qiáng)，這不僅可以降低后期設(shè)備的檢修費(fèi)用和維護(hù)成本?；跓o(wú)線(xiàn)通信的感知態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，使得感知態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)可直接通過(guò)電源進(jìn)行供電，在監(jiān)控頻率要求不高的場(chǎng)所可以使用電池供電，提升了裝置的便捷性，如圖1所示感知態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)采集樣機(jī)。

圖1：感知態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)采集樣機(jī)

1.2 Zigbee的自組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

在生豬養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)中運(yùn)用到了Zigbee的自組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，通過(guò)Zigbee通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)與控制器間進(jìn)行信息交換，為避免多控制器Zigbee組網(wǎng)出現(xiàn)沖突，在本項(xiàng)目中研發(fā)了多信道Zigbee組網(wǎng)防碰撞方法，確保最終信息傳輸質(zhì)量。多信道Zigbee網(wǎng)絡(luò)組建分為兩步，首先需要啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)初始化。

1.3 AI控制算法

在本次監(jiān)控系統(tǒng)中使用到了AI控制算法，其主要是用于監(jiān)測(cè)周?chē)h(huán)境變化和生豬生豬周期，針對(duì)生豬狀態(tài)機(jī)和特征參數(shù)進(jìn)行控制，提供決策，如圖2所示AI控制算法狀態(tài)圖。

圖2：AI控制算法狀態(tài)圖

1.4 生豬養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

基于生豬養(yǎng)殖現(xiàn)實(shí)需求，本次監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是為了解決生豬養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)難、養(yǎng)殖人員體力消耗加大等缺陷，將信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感技術(shù)應(yīng)用到生豬養(yǎng)殖領(lǐng)域，該監(jiān)控系統(tǒng)呈現(xiàn)出實(shí)用性、可靠性和易維護(hù)等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)緊緊圍繞市場(chǎng)需求和養(yǎng)殖環(huán)境，采用Web云平臺(tái)技術(shù)提供生豬養(yǎng)殖監(jiān)控，盡可能的滿(mǎn)足生豬養(yǎng)殖需要，減少養(yǎng)殖廠成本投入。為了有效地克服養(yǎng)殖期間存在的諸多問(wèn)題，需要增加多種創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以此來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、高容錯(cuò)性以及數(shù)據(jù)處理能力等，確保系統(tǒng)可以不間斷運(yùn)行，確保局部出錯(cuò)不影響整體、確?？焖夙憫?yīng)。項(xiàng)目具有高可管理性特點(diǎn)，系統(tǒng)管理員和運(yùn)行維護(hù)人員的管理簡(jiǎn)便快捷，可降低運(yùn)維成本。

2 生豬養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

生豬養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，具體內(nèi)容包括對(duì)生豬養(yǎng)殖環(huán)境信息采集，所采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee自組網(wǎng)進(jìn)行傳輸，并由智能AI控制算法對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析和處理，該過(guò)程是支持遠(yuǎn)程查閱和管理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)豬舍內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)、精細(xì)飼養(yǎng)、節(jié)能減排、疾病檢防等功能，同時(shí)養(yǎng)殖場(chǎng)管理人員可以及時(shí)準(zhǔn)確了解養(yǎng)殖場(chǎng)地的狀況，有效提高養(yǎng)殖管理和現(xiàn)場(chǎng)管理的效率。系統(tǒng)技術(shù)路線(xiàn)圖如圖3所示。

圖3：系統(tǒng)技術(shù)路線(xiàn)圖

2.1 生豬養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

生豬養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)主要以為遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為主，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要解決豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，傳統(tǒng)系統(tǒng)只是機(jī)械地將傳感器所采集到的數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)，未考慮生豬生長(zhǎng)狀況的監(jiān)測(cè)，同時(shí)無(wú)法將錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，這樣無(wú)法達(dá)到精準(zhǔn)監(jiān)控的目的，不利于控制生豬豬舍環(huán)境；其次就是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)多數(shù)都為半自動(dòng)化形式，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、報(bào)警以及控制等各個(gè)方面時(shí)效性相對(duì)較差，嚴(yán)重的限制了智能養(yǎng)殖技術(shù)的發(fā)展。為此在本設(shè)計(jì)中不僅克服了上述問(wèn)題，還新增了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，以此來(lái)提升生豬養(yǎng)殖的科學(xué)化和智能化。

本項(xiàng)目在生豬養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)中分為環(huán)境監(jiān)測(cè)、牲畜定位系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制器以及生豬養(yǎng)殖監(jiān)控APP等部分，具體內(nèi)容如下。

2.1.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)中使用到了Zigbee自組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸裝置，以為終端模塊作為物聯(lián)網(wǎng)感知層，用于采集豬舍內(nèi)空氣溫度、濕度、氨氣以及二氧化碳等參數(shù)，并由攝像頭來(lái)實(shí)時(shí)查看生豬生長(zhǎng)情況，在整個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)中為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是作為物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層，實(shí)現(xiàn)將環(huán)境參數(shù)傳遞為管理軟件平臺(tái)為核心的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層，最終達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

在本次設(shè)計(jì)中為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)篩選的最優(yōu)融合集，需要獲取到比較精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，以此來(lái)提升二級(jí)融合期間的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度，在正常工作期間傳感器會(huì)出現(xiàn)使用故障，影響到監(jiān)測(cè)效果，為了避免這一現(xiàn)象，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)會(huì)根據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)值來(lái)判斷傳感器的有效性，具體依據(jù)在T=|ta-tb|（a，b∈[1，n]）范圍內(nèi)，傳感器所采集到數(shù)據(jù)的絕對(duì)值差需要滿(mǎn)足Dt=|Si(ta)-Si(tb)|，生豬養(yǎng)殖環(huán)境下采集絕對(duì)數(shù)值處于正常范圍內(nèi)即可，如溫度數(shù)值應(yīng)當(dāng)在0℃-0.5℃間；濕度在0%-0.5%間等。

在環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)中主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，將傳感器收集到的數(shù)據(jù)上傳到主機(jī)計(jì)算機(jī)，可以在計(jì)算機(jī)上呈現(xiàn)出不同的參數(shù)變化曲線(xiàn)，以此來(lái)了解不同豬舍的環(huán)境變化，相應(yīng)的話(huà)更為直觀；其次就是數(shù)據(jù)可以直接上傳備份，這樣養(yǎng)殖人員可以根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)打印并進(jìn)行歸檔整理；并且當(dāng)參數(shù)超過(guò)規(guī)定數(shù)值以后，就會(huì)表現(xiàn)出數(shù)據(jù)異常，并進(jìn)行報(bào)警，在本次設(shè)計(jì)中采用的報(bào)警形式為短信報(bào)警，設(shè)計(jì)短信群發(fā)，以此來(lái)通知該豬場(chǎng)所有的值班人員。

2.1.2 牲畜定位子系統(tǒng)

在本次設(shè)計(jì)中特別增加了牲畜定位管理系統(tǒng)，根據(jù)對(duì)生豬所在的位置進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)考勤，確保其可以在圍欄內(nèi)，若是發(fā)現(xiàn)有豬不在圍欄內(nèi)則會(huì)立即通知飼養(yǎng)人員，避免豬丟失。

2.1.3 遠(yuǎn)程控制器

在養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)中需要借助于遠(yuǎn)程控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)豬舍狀態(tài)監(jiān)控，服務(wù)器會(huì)直接與瀏覽器相連接，養(yǎng)殖人員不僅可以通過(guò)瀏覽器界面實(shí)現(xiàn)對(duì)生豬環(huán)境的監(jiān)控還可以通過(guò)收集客戶(hù)端直接查看，實(shí)時(shí)了解數(shù)據(jù)變化，同時(shí)可以查閱歷史數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程控制設(shè)備等。

開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程控制器與感知態(tài)勢(shì)的協(xié)同系統(tǒng)升級(jí)程序，通過(guò)云平臺(tái)服務(wù)器自動(dòng)完成相關(guān)軟件的升級(jí)與維護(hù)。

2.1.4 生豬養(yǎng)殖監(jiān)控APP

在Web端監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)生豬養(yǎng)殖監(jiān)控APP，主要功能包括：圈舍實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、圈舍智能控制器、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)上報(bào)和預(yù)警等功能。管理員可以隨時(shí)隨地用手機(jī)對(duì)圈舍進(jìn)行監(jiān)控，方便管理。

2.2 基于Web技術(shù)生豬養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)軟件分析

在生豬養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要包括瀏覽器設(shè)計(jì)、手機(jī)客戶(hù)端APP設(shè)計(jì)、上、下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

2.2.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

在監(jiān)控系統(tǒng)中下位機(jī)包括信息采集控制節(jié)點(diǎn)以及匯聚節(jié)點(diǎn)程序等，信息采集控制節(jié)點(diǎn)程序組要是強(qiáng)調(diào)了對(duì)于生豬豬舍環(huán)境信息監(jiān)測(cè)，將所檢測(cè)到的信息內(nèi)容進(jìn)行傳遞，同時(shí)接收來(lái)自于服務(wù)器所發(fā)出的指令從而對(duì)相應(yīng)的設(shè)備或者是參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。

2.2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中上位機(jī)主要是實(shí)現(xiàn)豬舍環(huán)境參數(shù)、數(shù)據(jù)表格以及參數(shù)曲線(xiàn)圖和報(bào)警模塊等功能，在面如此多的功能數(shù)據(jù)庫(kù)下，需要設(shè)計(jì)極高的安全網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目前在通信方式的選擇上有兩種即將終端設(shè)備與遠(yuǎn)程服務(wù)器使用Internet進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，其次就是將上位機(jī)直接與數(shù)據(jù)庫(kù)相連，最終達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。為了有效的監(jiān)控到不同豬舍的環(huán)境狀態(tài)，監(jiān)控管理系統(tǒng)就顯得非常重要了，服務(wù)器端可以獲取下位機(jī)相關(guān)參數(shù)，將其與收集APP相連接實(shí)現(xiàn)信息互通，可以根據(jù)功能需求展開(kāi)參數(shù)調(diào)節(jié)，以此來(lái)增強(qiáng)監(jiān)控管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。

但是需要注意的是為了確保系統(tǒng)的安全性，需要增加維護(hù)模塊，其主要是篩選并記錄異常數(shù)據(jù)信息，其次就是對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和處理，由于系統(tǒng)在運(yùn)行期間難免會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)故障問(wèn)題如斷電或者是數(shù)據(jù)收集異常等，這些異?，F(xiàn)象很容易導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰，為此十分有必要采取一些科學(xué)的方式來(lái)處理這些異?，F(xiàn)象。

2.2.3 瀏覽器平臺(tái)設(shè)計(jì)

在豬舍遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中需要為養(yǎng)殖人員提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，在本次設(shè)計(jì)中采用Web網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)，將視圖、控制器以及模型三者分離實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低耦合，高內(nèi)聚的而特點(diǎn)，視圖負(fù)責(zé)網(wǎng)頁(yè)界面，控制器主要是用于存儲(chǔ)有關(guān)于豬舍數(shù)據(jù)代碼信息，模型則是存放歷史數(shù)據(jù)等，在不改變UI界面的時(shí)候，技術(shù)人員可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)來(lái)瀏覽有關(guān)于生豬養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，達(dá)到對(duì)豬舍環(huán)境的調(diào)節(jié)，以此來(lái)為生豬提供更好的成長(zhǎng)空間。在瀏覽器的設(shè)計(jì)中需要強(qiáng)調(diào)安全性，并由登錄權(quán)限設(shè)置，以此來(lái)區(qū)分管理人員和技術(shù)人員；同時(shí)瀏覽器是為用戶(hù)提供所需要的數(shù)據(jù)信息，用戶(hù)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)曲線(xiàn)來(lái)了解當(dāng)前豬舍變化情況。若是在這期間出現(xiàn)異常，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警，并以短信的方式進(jìn)行告知。

3 結(jié)束語(yǔ)

在本次設(shè)計(jì)中主要是基于生豬養(yǎng)殖需求，基于Web技術(shù)設(shè)計(jì)出一套生豬養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)控生豬豬舍環(huán)境，通過(guò)收集環(huán)境參數(shù)，為養(yǎng)殖戶(hù)提供科學(xué)的參考依據(jù)，便于了解當(dāng)前豬舍的具體生活狀況，因而具有非常重要的實(shí)際價(jià)值，為未來(lái)科學(xué)養(yǎng)殖提供參考。