羊養(yǎng)殖智能化系統(tǒng)研究

李衛(wèi)衛(wèi)劉成忠

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學工學院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學信息科學技術(shù)學院，甘肅蘭州 730070）

羊養(yǎng)殖智能化系統(tǒng)研究

李衛(wèi)衛(wèi)1劉成忠2

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學工學院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學信息科學技術(shù)學院，甘肅蘭州 730070）

為了養(yǎng)殖場的智能化管理、羊肉安全提供可靠的數(shù)據(jù)及減少人工勞動力，開發(fā)出通過WEB界面、后臺數(shù)據(jù)設計、各種傳感器和執(zhí)行元件對養(yǎng)殖場的環(huán)境進行監(jiān)控和測量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過ZigBee技術(shù)進行組網(wǎng)通信上傳到WEB服務器中，用戶可以通過Web界面，對養(yǎng)殖廠的環(huán)境、羊只和辦公進行詳細的操作，實現(xiàn)采集與辦公一體化，可以提高羊養(yǎng)殖場的管理效率和生產(chǎn)能力，為以后發(fā)展和研究提供便利。

ZigBee；智能化養(yǎng)殖場；數(shù)據(jù)庫

隨著智能技術(shù)的發(fā)展，養(yǎng)殖場也逐漸向智能化、信息化和安全化的方向發(fā)展。肉羊的生長周期長達6個月，規(guī)模正在不斷擴大，這就使得智能化系統(tǒng)不僅要對養(yǎng)殖場的環(huán)境因素進行采集，還要與辦公平臺結(jié)合起來。國內(nèi)有許多學者在不斷研究智能化系統(tǒng)，如姜榮昌［1］研究了畜舍養(yǎng)殖廠環(huán)境的無線監(jiān)測和查詢；畢春光等［2］設計出了利用ZigBee技術(shù)測量兔舍溫度的設計；李浩［3］研究了利用RFID識別奶牛個體體征信息，并設計出奶牛精養(yǎng)飼料計劃；白忠賀［4］研究了使用FRID通過物聯(lián)網(wǎng)對肉品追溯的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)只是采集一些環(huán)境因素和個體因素，沒有和智能辦公平臺結(jié)合。故本文提出一種采集信息（主要是體重）和辦公平臺結(jié)合起來的系統(tǒng)。

1 采集系統(tǒng)的設計

采集系統(tǒng)是由五大部分組成，分別為數(shù)據(jù)采集節(jié)點，執(zhí)行節(jié)點、無線通信、數(shù)據(jù)庫和Web設計界面。數(shù)據(jù)采集節(jié)點是各種環(huán)境傳感器和個體識別節(jié)點組成。控制節(jié)點主要來控制羊養(yǎng)殖場各個可執(zhí)行的電磁閥開關和電動機。無線通信是通過ZigBee技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫是用來存放由采集節(jié)點采集的數(shù)據(jù)、生成羊只檔案和辦公數(shù)據(jù)，并通過Web服務器顯示到用戶界面上。智能化羊養(yǎng)殖廠系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

1.1 采集節(jié)點及執(zhí)行節(jié)點的設計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要由兩部分組成：環(huán)境監(jiān)測和個體監(jiān)測。環(huán)境監(jiān)測是監(jiān)測羊場中各個指標（溫濕度，氨氣，光照和二氧化碳）是否符合羊生長的環(huán)境，并通過CC2530節(jié)點傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)節(jié)點中進而傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中，并與用戶設定的數(shù)據(jù)比較；個體監(jiān)測主要監(jiān)測羊只每天的生長狀況，本文主要對個體體重做出說明。

圖1 整體框架圖

為了保證羊體的健康，對羊的個體監(jiān)測主要有羊的運動量、羊體表溫度、飼養(yǎng)量和每天體重增長量。RFID射頻識別技術(shù)，又稱RFID，通過利用射頻技術(shù)來識別目標信息并讀取，讀取過程中具有快速、準確且無需與目標接觸的特點［5］。把RFID的標簽打在羊耳中，RFID讀寫器連接到單片機，進行與單片機通信，作為單片機識別羊個體的電子標簽。羊的運動量傳感器和羊體表溫度固定到羊的頸部來測量羊的運動量和體溫，把數(shù)據(jù)到傳送到單片機節(jié)點中，實時監(jiān)測羊的運動量和體溫。在羊場特定的位置設定若干飼養(yǎng)裝置如圖2所示，當羊到達測量裝置的位置時，RFID自動識別電子耳標，如果識別到此羊已經(jīng)進過食且達到上限，自動門則不會打開，否則自動門打開。首先，第1個自動門打開，測量羊進入時的重量，進食前的體重記為X1；然后，第2個自動門打開，羊進入飼料點進食，等待羊采食完畢之后，出口的第2個自動門打開，測量出羊進食后的重量，記為X2；最后，出口的第1個自動門打開，羊完成采食的過程，當次采食量為X=X2-X1。羊在每天會多次進行采食，從而測得羊每天進食的總量和每天體重增長量，作為追溯數(shù)據(jù)和成本價的依據(jù)。

圖2 飼養(yǎng)裝置

執(zhí)行節(jié)點根據(jù)養(yǎng)殖實時的參數(shù)和用戶在數(shù)據(jù)庫中設定的參數(shù)，來進行詳細的調(diào)節(jié)。如用戶設定養(yǎng)殖場的溫度不大于30℃，當溫度大于30℃時，吹風機開始工作。執(zhí)行節(jié)點本系統(tǒng)主要控制吹風機、抽風機、窗簾電動機、水電子磁閥等。

1.2 采集數(shù)據(jù)傳輸設計

本系統(tǒng)以CC2530為主控芯片，把各個節(jié)點用樹型的方式組成ZigBee無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。在樹型無線網(wǎng)絡系統(tǒng)有3種節(jié)點，分別是終端節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)節(jié)點［6］。羊養(yǎng)殖場智能控制系統(tǒng)無線網(wǎng)連接結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

終端節(jié)點主要負責采集環(huán)境參數(shù)和羊體參數(shù)，在閑時可以進行休眠來降低功耗。終端節(jié)點首先把傳感器和終端節(jié)點初始化；其次，搜索可用網(wǎng)路并加入向路由節(jié)點發(fā)送本節(jié)點的物理地址，等待路由節(jié)點確定，路由節(jié)點確定完之后綁定節(jié)點成功；再者，節(jié)點接收到路由節(jié)點綁定成功信號之后，采集本節(jié)點測量的數(shù)據(jù)和進行誤差的初步處理并向路由節(jié)點發(fā)送處理好的數(shù)據(jù)，等待發(fā)送成功的回執(zhí)信號；最后，根據(jù)實際需要決定終端節(jié)點是否進入休眠狀態(tài)。

路由節(jié)點主要負責由終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)向協(xié)調(diào)節(jié)點過渡的作用，路由節(jié)點可以直接采集各類參數(shù)，本文路由節(jié)點不參與數(shù)據(jù)采集，不可以進入休眠狀態(tài)。路由節(jié)點的工作過程：首先，路由節(jié)點在初始化完成后，加入網(wǎng)絡并向協(xié)調(diào)節(jié)點發(fā)送本路由節(jié)點的物理地址并請求轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；其次，等協(xié)調(diào)節(jié)點允許給路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)之后，下達終端節(jié)點可以發(fā)送數(shù)據(jù)命令；最后，接收終端節(jié)點數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)，如果轉(zhuǎn)發(fā)成功則等待下次終端節(jié)點請求發(fā)送數(shù)據(jù)命令，否則等一段時間再次轉(zhuǎn)發(fā)。

協(xié)調(diào)節(jié)點是整個數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹行狞c，主要負責網(wǎng)絡的建立和轉(zhuǎn)發(fā)路由節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)節(jié)點沒有數(shù)據(jù)采集功能，也不可以進入休眠。協(xié)調(diào)器的工作過程：首先進行初始化，建立網(wǎng)絡群并監(jiān)聽是否有節(jié)點加入；其次，監(jiān)聽到路由節(jié)點請求入網(wǎng)指令，則下達入網(wǎng)允許并允許發(fā)送數(shù)據(jù)；再者，接收到路由節(jié)點數(shù)據(jù)，并檢驗數(shù)據(jù)的有效性；最后，將收到的路由節(jié)點的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到數(shù)據(jù)庫中。

2 智能辦公平臺的設計

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫使用的軟件是SQL Sever 2014，采用B/S模式（瀏覽器/服務器模式）的數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)，這種模式是由數(shù)據(jù)庫層、WEB服務器層和WEB瀏覽器3層組成的。相比C/S，有方便、開發(fā)簡單、維護簡單等優(yōu)點。

2.1 辦公平臺數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫主要為了生成羊只檔案和智能辦公數(shù)據(jù)，是網(wǎng)站的核心部分，本系統(tǒng)根據(jù)養(yǎng)殖廠養(yǎng)殖環(huán)節(jié)的辦公需要，主要分為羊只管理、羊舍管理、藥物管理、疾病預防、飼料管理，人事管理、通知管理和環(huán)境監(jiān)測等八部分，養(yǎng)殖場人員可分場主、飼養(yǎng)人員、技術(shù)人員和獸醫(yī)人員，故在數(shù)據(jù)庫中設計了五大類角色，并設定不同權(quán)限，實現(xiàn)辦公的智能化。

2.2 Web界面設計

Web界面是人機交互界面，本系統(tǒng)Web界面采用的是C#語言來進行編寫的，Web界面可分為登陸界面、信息管理界面和養(yǎng)殖場監(jiān)控界面。登陸界面不僅對養(yǎng)殖場信息安全有保障，還可以區(qū)分登陸人員的權(quán)限。信息管理界面分為人事管理界面和羊只信息管理界面，人事管理界面主要針對場主開放，主要管理養(yǎng)殖廠人員變動問題；羊只信息管理界面主要負責顯示羊的各種信息，并可以添加和修改羊只檔案信息。養(yǎng)殖監(jiān)控界面是收集養(yǎng)殖場環(huán)境信息和控制執(zhí)行節(jié)點的界面。同時，系統(tǒng)具有移動訪問辦公的功能，Web界面總體框架圖如圖4所示，部分界面如圖5所示。

圖4 WEB總體框架圖

圖5 WEB界面之羊異常登記界面

3 結(jié)語

本文系統(tǒng)設計的羊養(yǎng)殖場是以CC2530無線單片機為主控元件，使用多種傳感器采集養(yǎng)殖廠環(huán)境參數(shù)，利用無線通信組網(wǎng)技術(shù)對數(shù)據(jù)傳輸和控制節(jié)點，將這些數(shù)據(jù)和辦公平臺良好地結(jié)合在一起，在管理層使用B/S模式，同時可以實現(xiàn)移動辦公。本系統(tǒng)可以基本可以實現(xiàn)羊場管理的信息化，提高養(yǎng)殖場各項工作的效率和質(zhì)量，創(chuàng)造明顯的經(jīng)濟和社會效益，為追溯數(shù)據(jù)的研究提供依據(jù)。故本系統(tǒng)可以滿足智能一體化養(yǎng)殖場基本的要求，為規(guī)模化養(yǎng)殖的智能化提供良好的思路。

［1］姜榮昌.畜舍養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］.哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學，2013.

［2］畢春光，劉欣偉，任東波.基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡的兔舍無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學，2014（18）：4434-4436.

［3］李浩.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的奶牛飼喂策略研究［D］.上海：上海交通大學，2014.

［4］白忠賀.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的肉品追溯系統(tǒng)研究［D］.南京：南京郵電大學，2013.

［5］何杰.RFID在原生態(tài)養(yǎng)殖中的應用研究［J］.現(xiàn)代農(nóng)村科技，2015（6）：44-45.

［6］吳玉厚，姚金梅，陳士忠.基于ZigBee技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點研究［J］.沈陽建筑大學學報（自然科學版），2012（4）：735-741.

Research on Sheep Breeding Intelligent System

Li Weiwei1Liu Chengzhong2
（1.College of Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou Gansu 730070；2.College of Information Science and Technology，Gansu Agricultural University，Lanzhou Gansu 730070）

In order to realize intelligent management of livestock farms,provide reliable data for mutton safety,and reduce labor force,the intelligent system that can monitor and measure the environment of livestock farm through Web interface,backend data design,all kinds of sensors and actuators was developed.The measured and monitored environment parameters can be uploaded to the Web server through ZigBee-based networking.Thus,the users can manage the farm environment,sheep and office work through the Web interface.This system that integrates data collecting and office work was developed to improve management efficiency and productivity of sheep farms,so as to facilitate development of sheep farms and future research.

ZigBee；intelligent farm；database

TP393.09；S818.9

A

1003-5168（2017）04-0062-03

2017-03-11

李衛(wèi)衛(wèi)（1992-），男，碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)信息化。

劉成忠（1969-），男，博士，副教授，研究方向：智能決策支持系統(tǒng)。