基于物聯(lián)網(wǎng)的生豬養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

摘要 本文基于生豬養(yǎng)殖中存在的人工定期巡檢養(yǎng)殖管理造成的系列問題，如人力物力浪費(fèi)、難以實(shí)時(shí)監(jiān)測養(yǎng)殖環(huán)境和不能及時(shí)反饋養(yǎng)殖異常環(huán)境等，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的生豬養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過多種傳感器實(shí)時(shí)檢測豬舍環(huán)境中的溫濕度、光照強(qiáng)度及有害氣體濃度，數(shù)據(jù)處理后通過WiFi傳輸?shù)皆破脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確獲取養(yǎng)殖環(huán)境信息，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化環(huán)境調(diào)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控，為生豬生長提供適宜的環(huán)境，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞 生豬養(yǎng)殖；環(huán)境監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)；自動(dòng)控制

中圖分類號(hào) S818 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1007-7731（2024）03-0091-05

An environmental monitoring system for pig breeding based on Internet of Things

XIAO Ruichao

（Henan Industry and Trade Vocational College， Zhengzhou 451191， China）

Abstract This article was based on the problems of human and material resources waste， difficulty in real-time monitoring of breeding environment， and inability to provide timely feedback on abnormal breeding environment caused by management in traditional pig breeding farms. A pig breeding environment monitoring system based on the Internet of Things was designed， which detected the temperature， humidity， light intensity， and harmful gas concentration in the pigsty environment in real time through multiple sensors. After data processing， it was transmitted to the cloud platform via WiFi， implement remote monitoring. The results showed that the system could accurately obtain real-time information about the breeding environment， and achieved automated environmental regulation and remoted monitoring， providing a suitable environment for pig growth， which had certain application value.

Keywords pig breeding; environmental detection; Internet of Things; automatic control

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等領(lǐng)域逐漸應(yīng)用，衍生出農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)概念。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種傳感器來獲取養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)及農(nóng)產(chǎn)品等方面的信息，并將獲取的信息通過無線通信手段傳輸?shù)綉?yīng)用端，對(duì)信息進(jìn)行整合和展示，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的智能化，同時(shí)有效提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

隨著生活水平的提高，人們對(duì)肉類食品的消費(fèi)需求也快速增長，生豬養(yǎng)殖從傳統(tǒng)的散養(yǎng)模式逐漸轉(zhuǎn)向規(guī)?；B(yǎng)殖，而在規(guī)模化、工廠化養(yǎng)殖模式下，生豬活動(dòng)范圍受限，豬舍的衛(wèi)生環(huán)境問題有待改善。目前多數(shù)養(yǎng)殖場中的環(huán)境檢測大多是通過人工巡視方式進(jìn)行，對(duì)豬舍環(huán)境的管控不夠準(zhǔn)確及時(shí)，為改善養(yǎng)殖環(huán)境，本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的豬只養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以優(yōu)化養(yǎng)殖環(huán)境，促進(jìn)生豬生長，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與養(yǎng)殖業(yè)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)生豬養(yǎng)殖的智能化、精準(zhǔn)化。

1 系統(tǒng)需求分析

豬舍環(huán)境未達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)是誘發(fā)動(dòng)物疾病的主要因素之一，尤其在夏季和冬季時(shí)節(jié)，過冷或過熱的特殊氣候條件導(dǎo)致養(yǎng)殖環(huán)境的管理存在一定的難度。為達(dá)到安全養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn)，需要嚴(yán)格控制各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確且響應(yīng)速度快，同時(shí)還要具有一定的數(shù)據(jù)可視化和遠(yuǎn)程控制功能。

1.1 環(huán)境因素

適宜的環(huán)境是豬只健康生長的必要條件，也是提高豬肉品質(zhì)的重要保障。影響豬只生長的環(huán)境因素主要有溫度、濕度、光照強(qiáng)度和有害氣體等，這些環(huán)境因素對(duì)豬只的生長影響較大。適宜的環(huán)境有利于豬只的生長發(fā)育，不佳的環(huán)境將導(dǎo)致豬只生長緩慢甚至患病。

1.1.1 溫度? 豬舍溫度是生豬環(huán)境中最重要的因素之一，對(duì)其健康和生產(chǎn)性能有著重要影響。豬是恒溫哺乳動(dòng)物，可以通過自主產(chǎn)熱和散熱來調(diào)節(jié)體溫。適宜的養(yǎng)殖溫度可以促進(jìn)其生長發(fā)育，提高豬肉的產(chǎn)量和品質(zhì)。過高或過低的溫度都會(huì)對(duì)豬的健康狀況和生產(chǎn)性能產(chǎn)生負(fù)面影響，包括生長速度緩慢、消耗能量增加、食欲減退和患腸胃疾病等問題。因此，養(yǎng)殖環(huán)境中的溫度監(jiān)測及調(diào)控對(duì)豬只的生長發(fā)育非常重要。

1.1.2 濕度? 豬舍濕度是指在一個(gè)確定溫度下，豬舍內(nèi)單位體積空氣中水汽成分的含量。濕度主要由豬只飲水、排泄物蒸發(fā)和外界空氣所含水汽組成，與溫度協(xié)同作用，影響豬只的散熱能力。濕度會(huì)影響豬只體表的水分蒸發(fā)和體熱調(diào)節(jié)，在高溫環(huán)境下，濕度過高會(huì)導(dǎo)致微生物繁殖，增加豬只患病風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)溫度過低時(shí)，高濕度會(huì)使得豬只體感溫度降低，其消化食物產(chǎn)生的熱量將更多地用來維持體溫，食物轉(zhuǎn)化率和利用率降低，導(dǎo)致豬只生長緩慢。因此，需要嚴(yán)格控制豬舍的溫度和濕度，以保障生豬的健康、快速生長。

1.1.3 光照強(qiáng)度? 光照強(qiáng)度影響豬的生物鐘、視覺能力、免疫力和行動(dòng)能力等。適宜的光照強(qiáng)度可以提高豬的視覺敏感度和增強(qiáng)其免疫力，降低豬的壓力和焦慮感，提高豬只的舒適感和生活質(zhì)量，進(jìn)而影響豬只的肉質(zhì)。另外，適當(dāng)延長光照時(shí)間可以提高豬只生長后期的采食量和日增重，促進(jìn)肌肉與脂肪的沉積。光照時(shí)長與天氣、季節(jié)變化關(guān)聯(lián)較大，監(jiān)測光照強(qiáng)度和自動(dòng)控制補(bǔ)光能夠促進(jìn)豬只快速生長，縮短喂養(yǎng)周期。

1.1.4 有害氣體? 豬舍內(nèi)的有害氣體濃度高會(huì)影響豬只的健康生長與發(fā)育，增加其患病風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還會(huì)對(duì)喂養(yǎng)人員造成一定的傷害。豬舍中的飼料和糞便堆積若未及時(shí)清理，則容易產(chǎn)生有害氣體，如氨氣（NH）、二氧化碳（CO）和硫化氫（HS）等。其中，NH具有強(qiáng)烈的刺激性氣味，對(duì)呼吸道和眼睛都會(huì)造成一定的傷害。CO無色無味，但其含量過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致豬只呼吸困難，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成眩暈，影響豬只進(jìn)食。HS通常是在豬只進(jìn)食富含蛋白質(zhì)的飼料后出現(xiàn)消化不良的情況下產(chǎn)生，其從豬的腸道排出，集聚在地面附近，附著到豬只眼部，導(dǎo)致眼部疾病，還會(huì)進(jìn)入肺部，引發(fā)咳嗽、支氣管炎等。以上有害氣體濃度較高均不利于豬只的健康生長，因此需要監(jiān)測豬舍中的有害氣體濃度，及時(shí)進(jìn)行清理。

1.2 功能需求

養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)功能需求主要包括3個(gè)部分：一是數(shù)據(jù)采集模塊，通過傳感器實(shí)時(shí)或定時(shí)采集豬舍環(huán)境信息；二是數(shù)據(jù)處理模塊，選用單片機(jī)作為主控模塊，處理和判斷采集到的數(shù)據(jù)信息，并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，對(duì)豬舍環(huán)境進(jìn)行調(diào)控或預(yù)警等；三是遠(yuǎn)程監(jiān)測模塊，將采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理后通過無線通信技術(shù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化展示、歷史數(shù)據(jù)的查看等功能。

2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，嘗試建立一套能夠準(zhǔn)確監(jiān)測豬只養(yǎng)殖環(huán)境中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度及有害氣體等參數(shù)的智能系統(tǒng)，并根據(jù)檢測結(jié)果實(shí)施智能化控制，使養(yǎng)殖環(huán)境維持在適宜豬只健康生長的水平，提高喂養(yǎng)效率，減少喂養(yǎng)人員的工作量。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求是能夠監(jiān)控豬只的養(yǎng)殖環(huán)境，如溫濕度、光照強(qiáng)度、有害氣體濃度等環(huán)境指標(biāo)。當(dāng)環(huán)境因素達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，能夠自動(dòng)上報(bào)異常情況并進(jìn)行自動(dòng)化控制處理。此外，還需要選擇合適的通信模塊進(jìn)行無線傳輸，將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

本設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)為核心控制模塊，采用溫濕度傳感器、光敏傳感器和氣體傳感器，分別用于采集豬舍環(huán)境中的溫濕度、光照強(qiáng)度和有害氣體濃度。單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示，并通過無線通信模塊傳輸?shù)皆破脚_(tái)實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)豬舍的環(huán)境參數(shù)達(dá)到閾值時(shí)，控制模塊會(huì)根據(jù)設(shè)定好的程序控制設(shè)備開始工作。當(dāng)有害氣體濃度或溫度過高時(shí)，將開啟排風(fēng)扇通風(fēng)換氣；當(dāng)溫度較低時(shí)，將開啟暖風(fēng)機(jī)提高溫度；當(dāng)濕度低于設(shè)定的閾值范圍時(shí)，將開啟加濕器補(bǔ)充濕度；當(dāng)光照強(qiáng)度較弱時(shí)，將開啟補(bǔ)光燈補(bǔ)充照明。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 核心控制器

控制模塊選用STM32單片機(jī)作為核心控制器?？刂颇K作為數(shù)據(jù)處理和控制的中樞，可以通過多個(gè)模擬輸入通道采集傳感器獲取到的數(shù)據(jù)，并將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；可以根據(jù)設(shè)定的閾值來控制執(zhí)行模塊做出相應(yīng)指令，控制繼電器的開關(guān)，進(jìn)而控制設(shè)備的開啟或關(guān)閉，調(diào)控豬舍中的環(huán)境參數(shù)；將處理后的環(huán)境信息數(shù)據(jù)通過通信模塊傳輸?shù)皆破脚_(tái)進(jìn)行顯示。此外，STM32具有硬件保護(hù)功能，如過壓保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)等，能夠保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 傳感器檢測模塊

3.2.1 溫濕度檢測模塊? 豬只的正常生長需要適宜的溫度和相對(duì)濕度，研究表明，豬只適宜的生長溫度在15～25 ℃范圍內(nèi)，濕度在55%～70% RH范圍內(nèi)。雖然STM32自帶了溫度傳感器，但其芯片在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，導(dǎo)致實(shí)際測量的溫度與外部環(huán)境存在差異，因此本系統(tǒng)采用DHT11來采集豬舍中的溫濕度信息。DHT11具有成本較低、測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和精度較高等優(yōu)點(diǎn)，溫度測量范圍在0～50 ℃，濕度測量范圍在20%～95% RH，能夠滿足系統(tǒng)需要。與單片機(jī)連接時(shí)，DATA引腳完成單片機(jī)與DHT11傳感器之間的通信和數(shù)據(jù)同步，通信時(shí)間短。

3.2.2 光照強(qiáng)度檢測模塊? 采用GY-302傳感器采集豬舍中的光照強(qiáng)度，該傳感器內(nèi)部集成了光敏電阻和一個(gè)運(yùn)放電路，當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，光敏電阻的阻值變化會(huì)引起運(yùn)放電路輸出電壓的變化，通過測量輸出電壓的變化，間接獲取光照強(qiáng)度信息。同時(shí)，該傳感器自帶16位AD轉(zhuǎn)換器，無須進(jìn)行ADC采集就能直接獲取光照強(qiáng)度的數(shù)字信息，并通過50 Hz/60 Hz除光噪聲功能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測量，對(duì)光源依賴性弱，測量精度高。

3.2.3 有害氣體檢測模塊? 豬只養(yǎng)殖環(huán)境中常見的有害氣體有NH、HS和CO等，氣體濃度過高將影響豬只的健康生長。采用MQ137傳感器和MQ136傳感器分別采集豬舍中的NH濃度和HS濃度，這兩種傳感器均為半導(dǎo)體氣體傳感器，成本低，應(yīng)用范圍廣，抗干擾能力強(qiáng)。MQ系列傳感器的氣敏元件是SnO，其電導(dǎo)率隨著環(huán)境中氣體濃度的變化而變化，在氣體濃度改變時(shí)，其可以將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化為輸出信號(hào)，而采集到的模擬數(shù)據(jù)需要經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換為具體濃度數(shù)據(jù)。采用MG811傳感器來采集豬舍中的CO濃度，該傳感器按電解質(zhì)電池原理制成，在氣體環(huán)境中會(huì)發(fā)生電極反應(yīng)，使得敏感電極與參考電極間存在電勢(shì)差，在不同CO濃度下將輸出不同的電勢(shì)差，根據(jù)電勢(shì)差來測算CO濃度。

3.3 控制模塊

豬只養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要根據(jù)豬舍中不同的環(huán)境參數(shù)做出對(duì)應(yīng)的操作，以保證環(huán)境處于適宜豬只生長的條件下。單片機(jī)通過繼電器與控制設(shè)備相連，當(dāng)檢測到環(huán)境參數(shù)異常時(shí)，會(huì)通過繼電器來控制設(shè)備的開啟或關(guān)閉，并通過蜂鳴器進(jìn)行提醒。系統(tǒng)中的控制設(shè)備有加濕器、暖風(fēng)機(jī)、排風(fēng)扇和補(bǔ)光燈。在陰天等光照強(qiáng)度較低的情形下，將自動(dòng)開啟補(bǔ)光燈來補(bǔ)充光照；當(dāng)有害氣體濃度較高時(shí)，將開啟排風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)換氣，使氣體濃度維持在設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；當(dāng)溫濕度高于設(shè)定的上限閾值時(shí)，將開啟排風(fēng)扇以降低室內(nèi)溫濕度；當(dāng)溫度低于設(shè)定的下限閾值時(shí)，將開啟暖風(fēng)機(jī)給豬舍增溫；當(dāng)濕度低于設(shè)定的下限閾值時(shí)，將開啟加濕器給豬舍補(bǔ)充濕度。

3.4 報(bào)警模塊

當(dāng)傳感器監(jiān)測到異常數(shù)據(jù)時(shí)，主控模塊可以通過驅(qū)動(dòng)電路控制蜂鳴器發(fā)出聲音，提醒喂養(yǎng)人員及時(shí)查看豬舍情況。蜂鳴器由振蕩電路、驅(qū)動(dòng)電路和蜂鳴器3個(gè)部分組成。振蕩電路和驅(qū)動(dòng)電路用于產(chǎn)生高頻信號(hào)，使蜂鳴器發(fā)聲。驅(qū)動(dòng)電路可以將振蕩電路產(chǎn)生的高頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為適合蜂鳴器發(fā)聲的電壓信號(hào)，以控制蜂鳴器的音量和頻率。

3.5 顯示模塊

傳感器采集豬舍中的相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)，通過液晶顯示屏進(jìn)行顯示，以便養(yǎng)殖人員在巡視豬舍時(shí)能隨時(shí)查看具體數(shù)據(jù)，顯示的信息包括溫濕度、光照強(qiáng)度和有害氣體濃度等。

3.6 通信模塊

無線通信模塊采用ESP 8266，其內(nèi)部集成了MCU且與單片機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)串口通信，并在內(nèi)部封裝了WiFi協(xié)議棧，使用時(shí)通過發(fā)送AT指令對(duì)WiFi模塊進(jìn)行控制。養(yǎng)殖場中一般安裝有無線網(wǎng)絡(luò)，可以連接路由器或熱點(diǎn)，通過MQTT協(xié)議上傳到云平臺(tái)，通過云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4 軟件設(shè)計(jì)

該養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)將溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、有害氣體濃度和光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)采集后送到單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，判斷其是否在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)，如果不在所設(shè)定的范圍內(nèi)，將通過繼電器驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備對(duì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。采集到的數(shù)據(jù)通過顯示屏進(jìn)行顯示，并通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)進(jìn)行可視化顯示。軟件設(shè)計(jì)總流程如圖2所示。

5 系統(tǒng)測試

將系統(tǒng)在養(yǎng)殖場部署后進(jìn)行測試，測試前需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，設(shè)定各個(gè)環(huán)境參數(shù)的閾值，設(shè)定的溫度范圍為15～28 ℃，濕度范圍是50%～70% RH，NH濃度上限閾值為10 mg/m，CO濃度上限閾值為2 000 mg/m，HS濃度上限閾值為5 mg/m，光照強(qiáng)度下限閾值為130 Lux。

在測試過程中，由于豬只活動(dòng)、飲食、排便和對(duì)豬舍封閉管理等都會(huì)對(duì)豬舍環(huán)境參數(shù)產(chǎn)生一定的影響。在白天沒有開窗通風(fēng)的條件下，溫濕度將逐漸升高，達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)蜂鳴器報(bào)警，排風(fēng)扇開啟工作，當(dāng)溫度降至標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)設(shè)備停止工作。若沒有及時(shí)清理糞便和食槽，糞便或食物堆積的有害氣體濃度將逐漸升高，在其達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，排風(fēng)扇開啟工作，濃度降至閾值范圍內(nèi)后暫停工作。當(dāng)夜間豬舍溫度較低時(shí)，暖風(fēng)扇開啟工作。系統(tǒng)設(shè)定的豬只自由采食時(shí)間為6：00—20：00，在此時(shí)間段內(nèi)光照強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，補(bǔ)光燈開啟工作，以保證充足的光照時(shí)長。實(shí)踐表明，豬只養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)不僅能準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)，還能在環(huán)境因素異常時(shí)自動(dòng)開啟控制設(shè)備對(duì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，將養(yǎng)殖環(huán)境維持在合理、適宜的條件下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智慧化養(yǎng)殖。

6 結(jié)語

隨著規(guī)模化養(yǎng)殖的逐漸普及，養(yǎng)殖場內(nèi)生豬數(shù)量眾多，養(yǎng)殖人員的工作量巨大，且養(yǎng)殖過程煩瑣，若不能及時(shí)監(jiān)測養(yǎng)殖環(huán)境的異常情況，將導(dǎo)致生豬生長受到影響。本文基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)了生豬養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過單片機(jī)、傳感器和無線通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控。智能化養(yǎng)殖與傳統(tǒng)養(yǎng)殖相比，提高了養(yǎng)殖效率，提升了出欄的質(zhì)量，減低了患病風(fēng)險(xiǎn)，增加了養(yǎng)殖收益，促進(jìn)了養(yǎng)殖的智能化發(fā)展和傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)的轉(zhuǎn)型。

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（責(zé)編：楊 歡）

基金項(xiàng)目 河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目（232102210082）；河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目（212102210138）；河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院校級(jí)科研團(tuán)隊(duì)“大數(shù)據(jù)創(chuàng)新與應(yīng)用”項(xiàng)目（01）。

作者簡介 肖瑞超（1989—），男，河南鄭州人，碩士，助教，從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用、人工智能和自然語言處理等研究。

收稿日期 2023-12-13