基于物聯網的豬舍環境參數遠程監控系統設計

李文華，高惠芳*，李小龍　(.杭州電子科技大學電子信息學院，浙江杭州 3008；.臺州市農場管理站，浙江臺州 37700)

?

基于物聯網的豬舍環境參數遠程監控系統設計

李文華1，高惠芳1*，李小龍2(1.杭州電子科技大學電子信息學院，浙江杭州 310018；2.臺州市農場管理站，浙江臺州 317700)

摘要針對豬舍環境的要求與監控需求，以物聯網框架為依托，設計了一種3層結構模型的豬舍環境參數遠程監控系統。系統由現場采集控制子系統、遠程監控子系統和數據庫3部分構成；采用STM32單片機現場采集環境參數和控制設備，實時將采集數據保存到數據庫；為提高遠程監控子系統的響應速度與交互性，采用JavaScript和Ajax的異步數據交互機制，將采集的數據實時地上傳到網頁顯示，控制設備能夠實時地接受下達的命令。測試結果表明，系統運行穩定，數據傳輸正確，可對環境進行有效控制，滿足豬舍環境監控的需求。

關鍵詞豬舍環境；遠程監控；物聯網

Design of Remote Monitoring System for Pigsty Environment Parameters Based on the Internet of Things

LI Wen-hua1, GAO Hui-fang1*, LI Xiao-long2

(1. College of Electronic and Information, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou, Zhejiang 310018; 2. Taizhou Farm Management Station, Taizhou, Zhejiang 317700)

AbstractAiming at the requirements of monitoring and management of piggery environment, a remote monitoring system of three layer structure model was designed rely on the internet of things. The system was built of data acquisition subsystem, remote monitoring system and database. The collection of local environment parameters and device control was based on STM32, the collected data was uploaded to the database in real-time. In order to improve the response speed and interactive of the remote monitoring subsystem, asynchronous data exchange mechanism using JavaScript and Ajax was adopted, the data were uploaded to the web display in real-time, and control the equipment. The experiment showed that the system can provide stable data communication and effective control, satisfying the monitoring of piggery environment parameter.

Key wordsPiggery environment; Remote monitoring; The internet of things

隨著現代農業和畜牧業的發展，也伴隨著生豬養殖規模的擴大和養殖數量的上升，2014年我國全年生豬出欄量達到了73 510萬頭，較2013年同比增長2.7%，我國生豬出欄量占世界的51%[1]。豬舍環境檢測與控制是提高生豬養殖數量、減少生豬養殖成本的關鍵技術。傳統的養殖模式難以精確地對豬舍環境進行監控，已經不能滿足現代化的養殖需求。

物聯網是集傳感器、互聯網和信息處理技術高度融合的新技術，在農業養殖中有廣泛的應用前景，全面感知、穩定傳輸和智能應用是以物聯網技術框架為依托的現代豬舍環境監控系統的3個重要方面[2]。筆者設計了一種基于物聯網的豬舍環境參數遠程監控系統，通過STM32單片機采集環境的溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度、氨氣濃度、硫化氫濃度上傳到網頁顯示，在顯示上述環境參數的同時還要能夠進行遠程控制，即能夠通過網頁向下位機傳達控制命令。控制分為手動控制和自動控制，手動控制是人為地點擊網頁上的控制按鈕實現對現場設備的控制，自動控制是通過比較當前參數和設定參數的上下限來自動下發控制命令，歷史數據以曲線圖的形式顯示在網頁上。數據采樣精度在3%以內，并且能夠長期保存在數據庫。

1系統總體框架

該系統主要由3部分組成，分別為遠程監控子系統、數據庫和現場監控子系統，如圖1所示。現場監控子系統采用嵌入式處理器STM32作為主控制器實現對現場參數的采集、發送和控制。數據庫采用MySQL對數據進行存儲。遠程監控子系統采用瀏覽器作為系統的終端，采用Apache作為Web服務器。各系統之間相互獨立，通過接口函數實現數據的傳輸，相互之間的耦合性較低，具有良好的可擴展性，利于后期的升級和維護。

圖1　基于物聯網的豬舍環境參數遠程監控系統總體框圖Fig.1　General block diagram of piggery environment parameters remote monitoring based on the internet of things

1.1現場監控子系統現場監控子系統為C/S架構，下位機與服務器通過以太網進行通信，考慮到豬舍環境的特殊性，下位機通過WiFi把采集到的數據發送到服務器，服務器中的后臺軟件接收到下位機發送的數據后把數據寫入數據庫保存。當服務器中的后臺軟件接收到Web前端發送的控制信號時，后臺軟件通過以太網把控制信號發送給下位機。下位機采用STM32單片機實現對豬舍環境參數的采集和控制，STM32單片機通過外接溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器、氨氣傳感器和硫化氫傳感器采集數據。當下位機接收到服務器發送來的控制信號時，STM32單片機根據控制命令來控制繼電器的開關，以此達到控制現場設備(通風設備、加濕設備、加熱設備等)的目的。由于現場設備可能是一些高電壓、強電流的情況，因此STM32處理器和繼電器之間需要加光耦隔離器件，防止大電流的沖擊。下位機結構框圖見圖2。

圖2　下位機結構框圖Fig.2　Lower machine structure block diagram

1.2遠程監控子系統遠程監控子系統為B/S架構，瀏覽器作為系統的顯示界面，Apach作為Web服務器，前端瀏覽器和后臺服務器之間通過HTTP協議進行通信，為了實現無刷新的動態數據交互，前端和后臺之間通過異步Ajax技術實現數據的交互，能夠做到無刷新的動態實時顯示和實時控制[3]。為了實現數據傳輸的安全性，網頁界面加入了用戶注冊、登錄驗證功能。前端數據采用POST方式提交，POST是一種安全的數據提交方式，通過作為函數參數進行發送，而不是以明文的形式發送數據，POST方式提交的數據對用戶是不可見的。網頁界面設計了實時環境信息查看、環境參數設定和歷史數據查詢功能，同時兼容4大主流瀏覽器(IE、Chrome、Firefox和Opera)，使遠離工作現場的管理人員可以方便地查看豬舍環境參數和發送控制信息。

1.3數據庫鑒于數據量不大和靈活操作的特性，該設計選用MySQL數據庫對數據進行存儲，數據庫中保存了用戶注冊、用戶登錄和用戶驗證的信息，環境參數和控制信息采用2個表分開記錄數據，供用戶進行歷史數據查詢和分析。可以設置數據的保存時間，數據庫能夠自動刪除過期的數據，不至于浪費計算機的存儲空間。服務器后臺軟件采用PHP語言對數據庫進行操作，PHP語言支持標準的SQL語句，可以方便靈活地實現對數據的增、刪、改、查等功能。

2系統實現

2.1豬舍環境參數實時采集與實時控制該系統的主要目標之一是對豬舍環境參數的采集和實時控制。對實時性的要求主要有兩方面，一是下位機STM32通過傳感器采集的數據能夠實時地顯示在前端網頁上，二是前端網頁的控制信號能夠實時的發送給下位機STM32實現對現場設備的控制。因此要求下位機STM32和服務器后臺軟件能夠同時實現數據的接收和發送。為了實現這種實時性的要求，STM32單片機移植uC/OS操作系統，uC/OS操作系統是一個可裁剪的實時性操作系統內核，通過在uC/OS操作系統上開啟2個任務，一個任務用于數據的采集和發送，另一個任務用于數據的接收和控制下位機外接設備的開關。由于該系統的對數據的采集是一直進行的，控制信號的接收只有在達到一定條件時才會發生，因此用于數據接收和控制任務的優先級高于數據采集和發送任務的優先級。uC/OS操作系統可以實現高優先級的任務打斷正在運行的低優先級的任務，所以下位機在實現數據采集和發送的同時還可以接收控制信號實現對現場設備的控制。下位機在開啟2個任務的同時，和下位機進行通信的服務器后臺軟件需要開啟兩個線程，一個線程用于接收下位機發送的數據并寫入數據庫保存，另一個線程用于向下位機發送控制信號。因此發送數據和接收數據能夠同時運行，滿足整個系統的實時性要求。下位機程序框圖見圖3。

圖3　下位機程序框圖Fig.3　Lower machine procedure block diagram

系統中設備的控制分為手動控制和自動控制，自動控制通過設定各個參數的上下限值和當前環境參數作比較，當前環境參數不在設定值的范圍內時系統會自動發送控制信號。手動控制是通過點擊Web網頁上的按鈕實現的。手動控制過程見圖4。網頁上的控制信號寫入數據庫，后臺軟件讀取數據庫中的控制信號發送給下位機，但不是采用定時發送，而是在后臺軟件中加入了判斷控制信號是否變化的行為，讀取到數據庫中的控制信號與上一次相比較，如果與上一次相同，說明控制信號沒有發生變化，不需要發送控制信號；否則發送控制信號。這樣做可減小下位機的CPU開銷。

圖4　手動控制流程Fig.4　Manual control flow

2.2基于Ajax技術的異步數據交互網頁需要在無手動刷新的情況下也要能夠實時顯示豬舍環境中的參數、控制設備和歷史數據查詢。為了使數據能夠實現無刷新的動態交互，該研究采用基于Ajax技術的異步數據交互方式實現數據的更新，不但能夠給用戶提供流暢的數據交互體驗，而且能夠降低服務器負擔，提高網絡傳輸效率[4-5]。

如圖5所示，遠程客戶端瀏覽器中通過調用定時器函數，每隔500 ms調用一次Ajax引擎，向Web服務器發出數據更新請求，服務器查詢數據庫中最新的環境數據以JSON格式回傳給前端頁面，從而實現豬舍環境參數的實時更新[6-9]。

圖5　Ajax請求過程Fig.5　Ajax request process

Ajax的執行分為以下4個步驟：

(1)通過調用函數XMLHttpRequest()創建Ajax引擎對象。

(2)通過open()函數打開請求，請求包括請求的方法、請求的方式和請求的連接地址。

(3)通過send()函數發送數據，當第二步中請求方法選擇get時，send()函數參數無需填寫，當請求方法選擇post時，數據作為send()函數的參數進行發送。

(4)通過onreadystatechange指定回調函數，當服務器完成請求之后調用該屬性指定的函數。

3系統測試

系統在浙江省臺州市百興畜禽有限公司進行測試，檢測的量包括溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度、氨氣濃度和硫化氫氣體濃度，要控制的量包括加熱器、加濕器、排風扇。通過設定各個參數上下限開啟自動控制模式。

圖6是遠程監控子系統的操作界面，包括當前環境參數、環境設定和歷史環境等內容，通過菜單欄可以實現頁面之間的切換，主界面即當前環境界面，歷史數據查詢以曲線圖的方式直觀顯示一天中環境參數變化趨勢。環境設定界面可以設定各個參數的上下限值，此值會保存到數據庫中，下次打開頁面時會自動讀取。

圖6　環境監控系統主界面Fig.6　Main interface of environment monitoring system

圖7、8是舍內外溫度和濕度的變化曲線，從圖中可以看出舍外溫度和濕度晝夜變化較大，在開啟該系統時舍內溫度最大為23 ℃，最小為18 ℃，溫度變化最大為5 ℃。舍內相對濕度的最大值為64%，最小值為59%，相對濕度變化為5%。溫度和濕度變化均在適宜的范圍內。

圖7　豬舍內外溫度變化曲線Fig.7　Change curve of indoor and outdoor temperature

圖8　豬舍內外濕度變化曲線Fig.8　Change curve of indoor and outdoor humidity

圖9是舍內的氨氣和硫化氫氣體濃度，在開啟該系統時舍內的氨氣平均濃度7.6 μL/L，硫化氫平均濃度為7.1 μL/L。圖10是舍內的二氧化碳濃度，在開啟該系統時二氧化碳平均濃度為385.0 μL/L。上述氣體濃度均在標準范圍內。

圖9　豬舍內氨氣和硫化氫氣體濃度Fig.9　Indoor and outdoor ammonia and hydrogen sulfide concentration

圖10　豬舍內二氧化碳濃度Fig.10　Indoor carbon dioxide concentration

系統在實際的運行過程中，各項功能都得到了有效的測試，且運行穩定，能夠實時獲取豬舍的環境參數信息，提供靈活有效的監控手段。

4結論

該研究結合豬舍管理需求，以物聯網技術框架為依托，設計并實現了豬舍環境參數遠程監控系統，系統由遠程監控子系統、現場采集控制子系統和數據庫3部分組成，各部分之間的獨立性，保證了該系統具有較高的擴展性、維護性和應用性。網頁部分采用Ajax異步數據交互技術實現環境數據顯示、歷史數據查詢以及設備控制等功能時，用戶無需刷新，無需等待服務器的響應。根據豬舍的實際管理需求，設計了自動控制模式和手動控制模式。自動控制模式只需要設定好各個參數的上下限值，系統會根據當前環境數據和設定值比較來控制設備的開關，能夠實現豬舍環境參數的全天候監控。

參考文獻

[1] 新農網.2014年生豬出存欄數據變化[EB/OL].(2011-10-04)[2015-12-27].http：//www.cajcd.edu.cn/pub/wml.txt/980810-2.html.

[2] 秦琳琳，陸林箭，石春，等.基于物聯網的溫室智能監控系統設計[J]．農業機械學報，2015，46(9)：261-266.

[3] 孫忠富，曹洪太，李洪亮.基于GPRS和WEB的溫室環境信息采集系統的實現[J]．農業工程學報，2012，22(6)：131-134.

[4] 李立峰，武佩，麻碩士.基于組態軟件和模糊控制的分娩豬舍環境監控系統[J]．農業工程學報，2011，27(6)：231-235.

[5] 何勇，聶鵬程，劉飛.農業物聯網與傳感器研究進展[J]．農業機械學報，2013，44(10)：216-226.

[6] 陸林箭，秦琳琳，石春，等.基于Web的現代溫室遠程監控系統的設計與實現[C]//第三十二屆中國控制會議論文集.中國自動化學會控制理論專業委員會、中國系統工程學會，2013：6660-6663.

[7] 孟慶瑞，天兆鋒，閻楚良.Ajax技術在農業裝備信息網中的應用[J]．農業機械學報，2014，39(12)：132-135.

[8] LYGEROS J，JOHANSSON K H，SIMIC S N.Dyanmical properties of hybrid automata[J].IEEE transactions on automatic control，2013，48(1)：2-17.

[9] HASNI A，TAIBI R，DRAOUI B.Optimization of greenhouse climate model paraments using particle swarm optimization and genetic algorithms [J].Energy procedia，2013，26(5)：168-187.

中圖分類號S 126；TP 3

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)06-296-04

收稿日期2016-02-01

作者簡介李文華(1990- )，男，河南漯河人，碩士研究生，研究方向：物聯網。*通訊作者，副教授，碩士，從事單片機控制技術、可編程控制技術及應用研究。

基金項目浙江省科技計劃項目(2014C32065)；浙江省臺州市科技計劃項目(131ky29)。