基于物聯(lián)網(wǎng)的種雞生產(chǎn)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

于群 柳平增 張艷

摘要 為實(shí)現(xiàn)種雞的信息化和標(biāo)準(zhǔn)化管理，提高規(guī)模化養(yǎng)殖效率，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了種雞生產(chǎn)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)3級(jí)架構(gòu)，采用C/S開(kāi)發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)了種雞雞群引入、日常管理、孵化免疫等生產(chǎn)管理功能，并能進(jìn)行環(huán)境精測(cè)和溯源跟蹤，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)生產(chǎn)階段的指標(biāo)直觀量化，可為種雞養(yǎng)殖和品種改良提供數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng)；農(nóng)業(yè)信息化；種雞生產(chǎn)；溯源

中圖分類(lèi)號(hào) S818.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）04-0211-04

Design and Implementation of Breeding Hens Production and Management System Based on Internet of Things

YU Qun，LIU Ping-zeng，ZHANG Yan

（College of Information Science and Engineering，Shandong Agricultural University， Taian， Shandong 271018）

Abstract In order to achieve the informatization and standardization management of breeding hens， improve the efficiency of large-scale farming， a production and management system of breeding hens was designed and implemented. Based on three-level architecture of Internet of things， adopting the development model of Client/Server（C/S）， the functions of breeding hens production and management were implemented such as the introduction of breeding hens， management， hatching and immunization. The accurate measurement of environment and traceability tracking could be completed. The visual quantization of indicators in every stage of the production was achieved， and this system could provide data basis for the breeding hens culture and breed improvement.

Key words Internet of things；Agricultural informatization；Production of breeding hens；Traceability

傳統(tǒng)家禽養(yǎng)殖生產(chǎn)過(guò)程管理信息化水平低，且生產(chǎn)過(guò)程中的管理數(shù)據(jù)大多為手工紙質(zhì)記錄[1]，信息化程度低，造成養(yǎng)殖成本高、人力資源浪費(fèi)、投入產(chǎn)出比低等問(wèn)題。此外，傳統(tǒng)養(yǎng)殖管理效率低下，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量安全等問(wèn)題也開(kāi)始顯現(xiàn)[2]。隨著養(yǎng)禽業(yè)規(guī)模化和集約化的不斷發(fā)展，信息化管理變得日益重要[3]。20世紀(jì)70年代，通過(guò)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)并將其應(yīng)用于家禽遺傳育種[4]。美國(guó)Timmons等開(kāi)發(fā)了家禽管理專(zhuān)家系統(tǒng)，將家禽生物學(xué)模型和雞舍環(huán)境控制模型結(jié)合到專(zhuān)家系統(tǒng)中；Thorne等[5]研制了蛋雞高濕度日糧飼喂自動(dòng)化系統(tǒng)。我國(guó)雞蛋產(chǎn)量在世界上位居前列，源于其祖代、父母代和商品代產(chǎn)能的支持[6]。如何有效實(shí)現(xiàn)種雞的信息化、標(biāo)準(zhǔn)化管理是亟待解決的問(wèn)題。

物聯(lián)網(wǎng)因其能透徹感知可靠傳輸及智能處理等強(qiáng)大功能逐步在各個(gè)行業(yè)中得到應(yīng)用。將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中，形成了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是運(yùn)用各類(lèi)傳感器，廣泛采集大田種植、設(shè)施園藝、畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品物流等相關(guān)信息，利用GPRS無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等，通過(guò)智能化操作終端實(shí)現(xiàn)信息化管理[7]。基于物聯(lián)網(wǎng)的種雞生產(chǎn)管理系統(tǒng)主要針對(duì)種雞進(jìn)行育種[8]、飼養(yǎng)、雞群生產(chǎn)管理[9-10]、質(zhì)量追溯[11]等信息化建設(shè)及相關(guān)模式的探索，將農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到種雞生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)產(chǎn)業(yè)信息的采集、傳輸、反饋、控制，加快優(yōu)質(zhì)種群選育，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息化管理。為實(shí)現(xiàn)種雞的信息化、標(biāo)準(zhǔn)化管理，提高規(guī)模化養(yǎng)殖效率，筆者設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了種雞生產(chǎn)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)3級(jí)架構(gòu)，采用C/S開(kāi)發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)了種雞雞群引入、日常管理、孵化免疫等生產(chǎn)管理功能，并能進(jìn)行環(huán)境精測(cè)和溯源跟蹤。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)的3層經(jīng)典架構(gòu)模型，分別由感知層、傳輸層和應(yīng)用層構(gòu)成。感知層的主要任務(wù)是信息采集，包括對(duì)信息進(jìn)行標(biāo)記，并通過(guò)傳感等手段轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，以便處理。傳輸層的主要任務(wù)是將采集層采集到的信息通過(guò)各種有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匯總，將信息整合在一起處理。應(yīng)用層的主要任務(wù)是將匯總的信息進(jìn)行分析和處理，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

種雞整個(gè)生產(chǎn)流程包括引入、育雛、育成、產(chǎn)蛋、孵化、淘汰等階段，基于物聯(lián)網(wǎng)的種雞生產(chǎn)管理系統(tǒng)涵蓋種雞生產(chǎn)的各個(gè)流程，實(shí)現(xiàn)以下生產(chǎn)管理目標(biāo)：

①生產(chǎn)管理的數(shù)字化。將目前種雞生產(chǎn)過(guò)程中涉及到的所有信息及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)借助信息化手段進(jìn)行數(shù)字化管理。

②數(shù)據(jù)分析的快速化。數(shù)字化的管理可以將生產(chǎn)各個(gè)階段的生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)行量化并直觀地進(jìn)行展示，方便企業(yè)分析并解決生產(chǎn)中存在的問(wèn)題、控制并提高飼養(yǎng)質(zhì)量。

③輔助決策的智能化。系統(tǒng)內(nèi)置一系列的生產(chǎn)流程信息以及規(guī)范化生產(chǎn)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)所統(tǒng)計(jì)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)與內(nèi)置指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，系統(tǒng)能夠自動(dòng)化識(shí)別當(dāng)前生產(chǎn)過(guò)程中存在的一些問(wèn)題，而無(wú)需人為干預(yù)。

④生產(chǎn)預(yù)警的自動(dòng)化。當(dāng)系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置的判斷邏輯發(fā)現(xiàn)當(dāng)前生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生重大問(wèn)題時(shí)，將自動(dòng)啟動(dòng)預(yù)警機(jī)制，將相關(guān)信息直接通過(guò)手機(jī)短息等方式發(fā)送給相關(guān)人員，以提醒相關(guān)人員做出決策，及時(shí)控制生產(chǎn)中發(fā)生的問(wèn)題，減小生產(chǎn)問(wèn)題所帶來(lái)的損失。種雞生產(chǎn)管理系統(tǒng)功能如圖2所示。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)包括軟件部分和硬件部分，硬件部分主要是雞舍環(huán)境信息的獲取和控制。軟件部分的核心為數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、用戶(hù)授權(quán)信息在內(nèi)的所有數(shù)據(jù)均保存在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，基于數(shù)據(jù)庫(kù)的用戶(hù)可以通過(guò)不同途徑進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)與處理。

2.1 硬件系統(tǒng)

在種雞的養(yǎng)殖過(guò)程中，雞舍環(huán)境對(duì)于種雞的生長(zhǎng)有重要影響，直接影響種雞的體重和產(chǎn)蛋量等指標(biāo)[12]。養(yǎng)殖階段對(duì)于雞舍重要的感知信息包括雞舍的大小、空氣的溫度及濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度、氨氣濃度等信息。可以通過(guò)傳感器獲取相應(yīng)的信息，用于對(duì)雞舍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控及預(yù)警。感知核心板是終端的核心，選用MSP430F5438微處理器，它將多個(gè)不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在1個(gè)芯片上，以提供“單片”解決方案，并且低功耗、運(yùn)算速度快，適合作為環(huán)境監(jiān)測(cè)的主控芯片。環(huán)境信息感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 軟件系統(tǒng)

軟件部分的核心是數(shù)據(jù)，核心數(shù)據(jù)的獲取如圖4所示。在日常的種雞生產(chǎn)管理中參與最多的是棟舍飼養(yǎng)員，他們可以通過(guò)專(zhuān)門(mén)的手持終端進(jìn)行系統(tǒng)訪問(wèn)，手持終端對(duì)應(yīng)于服務(wù)器上的手持終端服務(wù)端程序，此程序?qū)τ脩?hù)的權(quán)限進(jìn)行適當(dāng)限制，以防止越權(quán)訪問(wèn)等安全問(wèn)題。然而，物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備則通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)連接至服務(wù)器上相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)采集服務(wù)器端程序，直接將終端所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)處理后存入數(shù)據(jù)，以便其他系統(tǒng)的訪問(wèn)。

利用物聯(lián)網(wǎng)透徹感知技術(shù)，建立種雞的生產(chǎn)信息采集、溯源標(biāo)簽生成、溯源信息追溯智能溯源系統(tǒng)。服務(wù)器端運(yùn)行的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、溯源信息采集系統(tǒng)、生產(chǎn)環(huán)境信息傳感采集系統(tǒng)、溯源服務(wù)查詢(xún)系統(tǒng)以PHP語(yǔ)言編寫(xiě)，并使用專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)（包括但不限于MySQL、PostgreSQL、Oracle等）及緩存層（包括但不限于Memcached及Redis等），各系統(tǒng)共用數(shù)據(jù)庫(kù)及緩存數(shù)據(jù)，但其程序文件相互獨(dú)立，采用專(zhuān)有的API進(jìn)行交互通信，同時(shí)各個(gè)系統(tǒng)的接口獨(dú)立，使其可以隨時(shí)更換至C/C++語(yǔ)言編寫(xiě)，以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的處理能力及系統(tǒng)的性能。各系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 應(yīng)用實(shí)例

以山東泰安海藍(lán)種雞養(yǎng)殖公司的種雞養(yǎng)殖需求為例，種雞從雞群引入開(kāi)始記錄詳細(xì)信息。從出生至0～6周齡為育雛期，7～18齡周為育成期，19～72周為產(chǎn)蛋期，此后視具體情況進(jìn)行淘汰處理。孵化則隨著種蛋的生產(chǎn)不斷進(jìn)行，主要分為上孵和出孵2個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行管理。在種雞生產(chǎn)的每個(gè)階段，管理人員均需對(duì)雞群進(jìn)行飼喂、免疫、舍棟消毒、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、疾病防控等工作，其中還穿插有種蛋的收集、分揀、儲(chǔ)存以及孵化、出孵統(tǒng)計(jì)、雞苗免疫等多項(xiàng)工作，涉及的工作步驟和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)較多，對(duì)此以雞群為管理單位，采取按流程、按工作相結(jié)合的系統(tǒng)構(gòu)建方式，以保證數(shù)據(jù)流的合理走向，同時(shí)方便整個(gè)系統(tǒng)的使用。基于物聯(lián)網(wǎng)的種雞生產(chǎn)管理系統(tǒng)生產(chǎn)管理模塊如圖6所示。

系統(tǒng)每天生成當(dāng)天的生產(chǎn)數(shù)據(jù)日?qǐng)?bào)，同時(shí)借助曲線圖等手段將一段時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)情況的連續(xù)變化，并根據(jù)系統(tǒng)中存在的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)指定雞群的生產(chǎn)性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括產(chǎn)蛋率和蛋料比等指標(biāo)。圖7為產(chǎn)蛋量的統(tǒng)計(jì)折線圖，可以將數(shù)據(jù)及時(shí)匯總，產(chǎn)生相應(yīng)的日?qǐng)?bào)、月報(bào)、年報(bào)等。

通過(guò)信息感知核心板，獲取部分環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（表1）。以低日齡雛雞為例，初生雛雞絨毛保溫性差，體溫調(diào)節(jié)能力差，對(duì)環(huán)境溫度變化的適應(yīng)能力差，溫度高低直接影響雛雞的生理機(jī)能，易誘發(fā)各種疾病。因此，保持適宜的溫度是提高雛雞質(zhì)量的關(guān)鍵。第1周的前3 d 37 ℃，后3 d 35 ℃，此后每周降溫 2 ℃，直至21 ℃脫溫。濕度保持在40%～60%，當(dāng)氨氣濃度達(dá)到10 mg/m3時(shí)會(huì)影響肺表面結(jié)構(gòu)，當(dāng)氨氣濃度為20 mg/m3時(shí)易感疾病，當(dāng)氨氣濃度為50 mg/m3時(shí)會(huì)影響生長(zhǎng)；當(dāng)二氧化碳濃度達(dá)到100 mg/m3時(shí)會(huì)引起缺氧等。管理者可以接收到相應(yīng)的閾值預(yù)警提示信息，采用GSM 模塊將數(shù)據(jù)以短信形式自動(dòng)發(fā)送預(yù)警短信至用戶(hù)手機(jī)或監(jiān)控中心，根據(jù)雞群日齡及時(shí)進(jìn)行通風(fēng)、降溫、加濕等處理。

為確保特色種雞個(gè)體追溯過(guò)程中信息不缺失，溯源信息鏈的完整性是種雞可追溯系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)，采用11 位數(shù)字組成的編碼規(guī)則，以翅標(biāo)號(hào)的形式跟蹤種雞個(gè)體：翅標(biāo)號(hào)=世代號(hào)（2位）+家系號(hào)（2位）+個(gè)體編號(hào)（4位）+蛋號(hào)（4位）。

借助二維碼信息掃描不僅可以對(duì)種蛋進(jìn)行溯源信息查詢(xún)（圖8），而且能通過(guò)對(duì)雞只個(gè)體受精、產(chǎn)蛋、體重、體尺等信息的記錄，根據(jù)世代、家系等的選擇進(jìn)行雞只的系譜分析（圖9），加速優(yōu)質(zhì)種群的選育。

4 結(jié)語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)的種雞生產(chǎn)管理系統(tǒng)針對(duì)種雞生產(chǎn)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套現(xiàn)代化程度高的種雞生產(chǎn)信息化解決方案。通過(guò)山東泰安海藍(lán)種禽養(yǎng)殖公司試用，不僅解決了生產(chǎn)管理中雞群引入（從父母代1日齡開(kāi)始引入）、變動(dòng)（從育雛、育成到產(chǎn)蛋期之間的準(zhǔn)群）、生長(zhǎng)（從育雛、育成、產(chǎn)蛋期到最終淘汰的各種數(shù)據(jù)記錄）、產(chǎn)蛋（對(duì)種蛋的記錄）等生產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理，還可以通過(guò)Web和手機(jī)查詢(xún)各種相關(guān)數(shù)據(jù)，并提供相應(yīng)的閾值預(yù)警信息；溯源系統(tǒng)不僅能進(jìn)行種蛋的溯源跟蹤，而且能夠進(jìn)行父母代的查詢(xún)，既加速了品種的選育又有助于品牌的提升。基于物聯(lián)網(wǎng)的種雞生產(chǎn)管理系統(tǒng)可為種雞生產(chǎn)企業(yè)及整個(gè)種雞生產(chǎn)的信息化提供發(fā)展動(dòng)力。

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