基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的養(yǎng)雞場智能監(jiān)控系統(tǒng)研究與開發(fā)

郭英軍 ，王 莉 ，尹全昭 ，任博恒 ，侯寶帥

（1.河北科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，石家莊 050018；2.河北桑能科技有限公司，石家莊 050090）

我國是禽肉和禽蛋生產(chǎn)與消費(fèi)大國，隨著人們生活水平的提高，對禽蛋產(chǎn)品的質(zhì)量要求也在提升，高質(zhì)量的禽蛋產(chǎn)品需要有高質(zhì)量的養(yǎng)殖環(huán)境和科學(xué)的飼養(yǎng)方法。我國的禽蛋產(chǎn)業(yè)正從散養(yǎng)模式逐漸向規(guī)?；涂茖W(xué)化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)智能化養(yǎng)殖是規(guī)模養(yǎng)殖場的發(fā)展趨勢，國內(nèi)學(xué)者在實(shí)現(xiàn)智能化養(yǎng)殖方面做了大量工作，沈華剛等[1]設(shè)計(jì)了一種適合小養(yǎng)殖場的低成本雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，便于養(yǎng)殖戶推廣應(yīng)用；張宏偉等[2]提出了一種以可編程邏輯控制器（PLC）為核心處理器的養(yǎng)雞場多參數(shù)智能化監(jiān)控系統(tǒng)，可使雞舍環(huán)境參數(shù)有效控制在適宜范圍內(nèi)；李帥等[3]提出了一種基于低功耗局域網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)（LoRa）的養(yǎng)雞場有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效監(jiān)控養(yǎng)殖場內(nèi)的溫濕度、氨氣、二氧化碳、PM2.5和PM10等參數(shù)；楊心茹等[4]利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款基于CC2530 單片機(jī)的智能養(yǎng)雞場控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能采集多種參數(shù)。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺技術(shù)具有遠(yuǎn)程組態(tài)監(jiān)控、多終端共享界面、數(shù)據(jù)云存儲和安全性好等優(yōu)勢，已在鵝孵化機(jī)[5]、母豬精細(xì)飼喂器[6]、溫室大棚[7]、漁業(yè)養(yǎng)殖[8]和玉米播種[9]等眾多農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了良好應(yīng)用，推動了智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。然而云平臺技術(shù)在畜禽養(yǎng)殖方面的應(yīng)用卻鮮有報(bào)道，因此，本文提出構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的畜禽智慧養(yǎng)殖系統(tǒng)，該系統(tǒng)除具有傳統(tǒng)的光照和溫濕度檢測外，還能檢測氨氣、硫化氫等惡臭氣體，并搭配窄光譜專用光源，通過輻射一定劑量的紫外線產(chǎn)生臭氧，從而達(dá)到殺滅雞場內(nèi)病毒病菌、降低惡臭氣體含量，以及改善雞場內(nèi)的空氣環(huán)境質(zhì)量的目的。

1 監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)智慧養(yǎng)殖是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化的重要組成部分，為構(gòu)建遠(yuǎn)程監(jiān)控、管養(yǎng)一體和安全健康的智慧養(yǎng)殖系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了如圖1 所示的智能監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 養(yǎng)雞場智能監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)本地監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控2 種功能，其中本地監(jiān)控利用PLC 的RS485 通信接口以Modbus 協(xié)議的方式采集養(yǎng)雞場內(nèi)的溫濕度、硫化氫含量、光照度、氨氣含量和紫外線輻照度，控制對象包括風(fēng)機(jī)、水簾、紫外燈、照明燈和暖風(fēng)機(jī)，本地采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控采用海為云平臺實(shí)現(xiàn)，通過設(shè)計(jì)開發(fā)云組態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)和PC 端對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，且其組態(tài)畫面與本地觸摸屏上的畫面是同步的。

系統(tǒng)中溫濕度傳感器用于監(jiān)測雞場內(nèi)的環(huán)境溫濕度，當(dāng)溫度超過一定閾值時(shí)啟動水簾降溫，當(dāng)?shù)陀谀硞€(gè)閾值時(shí)啟用暖風(fēng)機(jī)加溫；當(dāng)濕度低于某個(gè)閾值時(shí)也可啟動水簾加濕。光照度傳感器用于檢測雞場內(nèi)的光照強(qiáng)度，當(dāng)光照強(qiáng)度較低時(shí)用于補(bǔ)光，尤其是蛋雞，充足的光照時(shí)間能夠提高產(chǎn)蛋量。風(fēng)機(jī)主要用于雞場內(nèi)的通風(fēng)，當(dāng)場舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)不達(dá)標(biāo)時(shí)啟用。

2 場舍環(huán)境健康監(jiān)控

養(yǎng)雞場周圍總是散發(fā)著難聞的氣味，尤其是夏季更為嚴(yán)重，導(dǎo)致養(yǎng)雞場通常建在遠(yuǎn)離居民區(qū)的地方，難聞的氣味通常是由雞糞的部分物質(zhì)被分解為氨氣和硫化氫導(dǎo)致的，這2 種氣體都是易溶于水的有毒性物質(zhì)，常附著在雞的皮膚黏膜或吸入肺中，當(dāng)有害氣體含量超過一定數(shù)值時(shí)，長期暴露在該環(huán)境下，會引起雞的肺部疾病、食欲不振和產(chǎn)蛋降低等問題，因此養(yǎng)雞場內(nèi)的氨氣含量一般控制在20 ppm 以下，硫化氫的含量一般控制在8 ppm 以下。而控制有害氣體含量的前提是檢測，因此系統(tǒng)中加裝了KD21B30-NH3 型氨氣含量傳感器和VMS-3002-H2S-N01 型硫化氫含量傳感器。

已有文獻(xiàn)表明，紫外線照射可以促進(jìn)雞體內(nèi)維生素D3 的合成，從而增強(qiáng)肌體對鈣的吸收，提高產(chǎn)蛋率，并具有殺菌消毒的作用[10]。游小杰教授等[11]的研究表明，經(jīng)過紫外線照射不僅提高了產(chǎn)蛋率，而且增加了蛋殼厚度和平均蛋重，并降低了死亡率，其中蛋殼厚度的提高能夠降低蛋在運(yùn)輸過程中的破損率。本系統(tǒng)紫外燈采用窄光譜專用光源，該專用光源總輻射量較低且安全可靠，其通過輻射一定劑量的短波紫外線和真空紫外線產(chǎn)生臭氧，由此能夠殺滅雞場內(nèi)的病毒病菌，并能降低氨氣和硫化氫等惡臭氣體的含量，改善空氣質(zhì)量。紫外線傳感器能夠檢測紫外光源的輻射強(qiáng)度，系統(tǒng)能夠自動根據(jù)燈具安裝的高度和雞的日齡自動調(diào)節(jié)輻射量。在石家莊市鹿泉區(qū)某養(yǎng)雞場做的對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了紫外照射的有效性，能有效預(yù)防常見疾病，提高蛋品質(zhì)量。

3 云組態(tài)設(shè)計(jì)與遠(yuǎn)程監(jiān)控

要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，離不開物聯(lián)網(wǎng)云平臺與云組態(tài)，本系統(tǒng)利用海為云組態(tài)軟件（Haiwell Cloud SCADA）開發(fā)了云組態(tài)界面，這是一款基于.NET Framework 的工業(yè)自動化監(jiān)控管理平臺軟件，同時(shí)也是海為物聯(lián)網(wǎng)云HMI 的編程管理軟件。該系統(tǒng)的云組態(tài)具有狀態(tài)監(jiān)控、報(bào)警參數(shù)設(shè)置、紫外照射配方與云視頻監(jiān)控和歷史趨勢報(bào)表等功能，其中紫外照射配方設(shè)定了4個(gè)照射時(shí)間段，上午和下午各2 次，分別給定了開啟時(shí)間和照射時(shí)間。狀態(tài)監(jiān)控界面如圖2 所示，可以實(shí)現(xiàn)紫外輻射強(qiáng)度、溫濕度、光照度和惡臭氣體的遠(yuǎn)程顯示，可以對不同雞的品種和日齡進(jìn)行紫外照射配方選擇與設(shè)定，隨著日齡的增加，系統(tǒng)能自動地更新配方數(shù)據(jù)。場舍內(nèi)的水簾、暖風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光和風(fēng)機(jī)等設(shè)備既可以本地控制也可以遠(yuǎn)程控制，并帶有反饋顯示，即云端的控制指令是否完成了對設(shè)備的有效控制。

圖2 智慧養(yǎng)殖手機(jī)端數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)分時(shí)段的喂料配方設(shè)置與自動控制，這里設(shè)置了3個(gè)時(shí)段，如圖3 所示。系統(tǒng)還具有云地圖功能，云平臺中的云地圖功能可以定位設(shè)備所處的位置，并能在地圖上實(shí)時(shí)顯示。云地圖有利于養(yǎng)殖戶對分布在不同地區(qū)的養(yǎng)殖場進(jìn)行監(jiān)控，也有利于相關(guān)部門遠(yuǎn)程監(jiān)管。

圖3 配方及喂料控制界面

4 結(jié)束語

養(yǎng)雞屬于利潤率較低的行業(yè)，較高價(jià)格的智能化設(shè)備不易被養(yǎng)殖戶接受，降低整套系統(tǒng)的成本是能否推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。由于涉及網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此系統(tǒng)的信息安全也是需要考慮的一個(gè)問題。該系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行良好，尤其是帶有紫外照射功能，能有效預(yù)防常見疾病，提高蛋品質(zhì)量，具有重要的推廣應(yīng)用前景。