豬舍環(huán)境無線多點(diǎn)多源遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

曾志雄 董 冰 呂恩利 夏晶晶 吳 鵬 沈 昊

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 廣州 510642)

0 引言

近年來，我國生豬養(yǎng)殖業(yè)呈現(xiàn)集約化、規(guī)模化發(fā)展態(tài)勢(shì)。隨著豬只飼養(yǎng)密度的不斷提高，舍內(nèi)各種環(huán)境問題也逐漸顯露出來。豬只疫病的暴發(fā)及傳播與養(yǎng)殖環(huán)境密切相關(guān)[1]。適宜的養(yǎng)殖環(huán)境可以增強(qiáng)豬只抵抗力，發(fā)揮種豬生產(chǎn)潛能，繼而提高生產(chǎn)效益[2]。良好的飼養(yǎng)環(huán)境也符合動(dòng)物福利的基本要求[3]。畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)測(cè)和有效控制越來越受到相關(guān)專家的重視[4]。設(shè)施環(huán)境監(jiān)測(cè)也是我國實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化和高效化的重要環(huán)節(jié)之一[5]。

我國農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域研究起步較晚，但發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。文獻(xiàn)[6]研究了基于RS-485總線的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室內(nèi)各類環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)查詢。文獻(xiàn)[7]研究了基于CAN總線和WSNs的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高速率、遠(yuǎn)距離的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)。應(yīng)用有線通信技術(shù)普遍存在布線難、維護(hù)復(fù)雜、成本高等問題，因此將具有低成本、低功耗和強(qiáng)大組網(wǎng)能力的ZigBee技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)是國內(nèi)的研究熱點(diǎn)[8]。基于ZigBee的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖[9]、溫室[10-13]、荔枝果園[14-15]、礦山安防[16]、畜禽舍[17-20]等場(chǎng)景。目前，基于ZigBee的環(huán)境監(jiān)測(cè)方案已較為成熟[21-24]，后續(xù)研究將主要集中在更低功耗、更高精度、更可靠、更智能等方面。

本文利用ZigBee技術(shù)開發(fā)更適用于豬舍環(huán)境的無線多點(diǎn)多源遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。將多臺(tái)節(jié)點(diǎn)設(shè)備布置在舍內(nèi)指定高度和位置，對(duì)溫度、相對(duì)濕度、氨氣濃度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。分析舍內(nèi)主要環(huán)境信息的時(shí)空分布特性，并對(duì)系統(tǒng)丟包情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

豬舍環(huán)境無線多點(diǎn)多源遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一套可獨(dú)立應(yīng)用于豬舍內(nèi)的軟硬件信息平臺(tái)[25]。針對(duì)現(xiàn)有規(guī)模化豬舍的集群式飼養(yǎng)特征，系統(tǒng)前端利用ZigBee無線通信技術(shù)在舍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布式組網(wǎng)。憑借該技術(shù)優(yōu)勢(shì)，所有節(jié)點(diǎn)設(shè)備可靈活布置在舍內(nèi)任意高度和位置，上電后的ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)隨之調(diào)整至最優(yōu)狀態(tài)。系統(tǒng)中的每一臺(tái)節(jié)點(diǎn)設(shè)備均可搭載多種傳感器用于采集各類數(shù)據(jù)源信息，全面客觀反映豬舍內(nèi)復(fù)雜的溫濕度及氣體環(huán)境分布規(guī)律。系統(tǒng)末端借助遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)將實(shí)時(shí)環(huán)境信息打包上傳至服務(wù)器，跨平臺(tái)的Web端應(yīng)用最終將各類數(shù)據(jù)分條展示出來。Web端應(yīng)用界面具備數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備定位、環(huán)境參數(shù)閾值設(shè)定及短信報(bào)警等功能。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同時(shí)是一套完備的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，其3層架構(gòu)組成包括：豬舍環(huán)境感知層、無線傳輸服務(wù)層、多客戶端應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

豬舍環(huán)境感知層是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最底層，借助“一主多從”的ZigBee網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[26]將底層硬件分為ZigBee從節(jié)點(diǎn)及ZigBee主節(jié)點(diǎn)兩種設(shè)備類型。從節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，可離散分布于豬舍內(nèi)任意高度和位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。主節(jié)點(diǎn)僅有一臺(tái)，用于收集匯總?cè)繌墓?jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息并打包上傳至服務(wù)層。主從節(jié)點(diǎn)密切配合共同完成感知層采集及上傳數(shù)據(jù)的任務(wù)。

無線傳輸服務(wù)層接收來自主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，依托無線分組交換技術(shù)(GPRS)，按照約定的IP地址及端口號(hào)與服務(wù)器建立連接，利用DTU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的透明傳輸。服務(wù)器將接收到的報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一解析，同時(shí)將歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在軟件數(shù)據(jù)庫中。多客戶端應(yīng)用層采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)模式，將數(shù)據(jù)庫連接至瀏覽器，借助網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的功能。基于瀏覽器的應(yīng)用可滿足計(jì)算機(jī)端或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端的跨平臺(tái)需求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無線傳感器從節(jié)點(diǎn)

作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)感知層硬件之一，無線傳感器從節(jié)點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理搭配和功能劃分對(duì)豬舍環(huán)境監(jiān)測(cè)起到至關(guān)重要的作用。無線傳感器從節(jié)點(diǎn)一般包括傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊及供電模塊4部分。

本系統(tǒng)無線傳感器從節(jié)點(diǎn)包括多傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理單元、通信調(diào)試接口、ZigBee發(fā)送終端、電池及供電模塊5部分，見圖2。其中，多傳感器模塊可同時(shí)檢測(cè)7種類型環(huán)境參數(shù)，包含溫度、相對(duì)濕度、氨氣(NH3)濃度、二氧化碳(CO2)濃度、硫化氫(H2S)濃度、甲醛(HCHO)濃度、可吸入顆粒物(PM2.5/PM10)濃度。溫度與相對(duì)濕度采用數(shù)字溫濕一體型傳感器，二氧化碳濃度則選用內(nèi)置溫度補(bǔ)償?shù)募t外傳感器，可吸入顆粒物濃度利用激光檢測(cè)原理的激光傳感器，其余類型傳感器均為電化學(xué)氣體傳感器。多數(shù)傳感器本身已將探頭與信號(hào)處理電路集成一體，使其具備串口輸出功能，可直接連接數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元是傳感器節(jié)點(diǎn)的核心組成部分，選用32位Cortex內(nèi)核100引腳STM32F103VET6作為主芯片，將傳感器信息分類匯總后傳輸至ZigBee發(fā)送終端。

圖2 從節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)組成框圖

無線通信模塊選用ZigBee[27]，在“一主多從”的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，1臺(tái)主節(jié)點(diǎn)最多可搭配254臺(tái)從節(jié)點(diǎn)，單點(diǎn)覆蓋面積達(dá)100 m2。通信調(diào)試接口為數(shù)據(jù)處理單元的外圍拓展電路，添加USB轉(zhuǎn)TTL芯片便于上位機(jī)對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試及配置操作。電池及供電模塊選用容量為10 000 mA·h的12 V可充電式鋰電池，一次充電可供節(jié)點(diǎn)設(shè)備持續(xù)工作170 h，主板變壓芯片滿足各類5 V傳感器、處理單元及ZigBee發(fā)送終端的正常供電。無線傳感器從節(jié)點(diǎn)各單元分工明確，共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)底層的數(shù)據(jù)采集功能。無線傳感器從節(jié)點(diǎn)在實(shí)地豬場(chǎng)試驗(yàn)中所選配的傳感器類型包括溫濕度、氨氣濃度及二氧化碳濃度傳感器。其中，溫濕度傳感器型號(hào)為DHT21，溫度量程為-40.0～80.0℃，分辨率為0.1℃，精度為±0.5℃；相對(duì)濕度量程為0～100%，分辨率為0.1%，精度為±3%。氨氣濃度傳感器型號(hào)為ZE03，量程為0～0.005%，分辨率為1×10-8，精度為±5%。二氧化碳濃度傳感器型號(hào)為MH-Z19B，量程為0～0.01，分辨率為0.000 1%，精度為±5%。

2.2 無線網(wǎng)關(guān)主節(jié)點(diǎn)

作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)感知層的另一種硬件設(shè)備，主節(jié)點(diǎn)充當(dāng)了ZigBee中繼及網(wǎng)關(guān)的作用。ZigBee負(fù)責(zé)接收所有傳感器從節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)信息以報(bào)文格式打包后傳至DTU，無線網(wǎng)關(guān)主節(jié)點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)組成框圖

區(qū)別于無線傳感器從節(jié)點(diǎn)，該無線網(wǎng)關(guān)主節(jié)點(diǎn)包括ZigBee接收終端、數(shù)據(jù)處理單元、通信調(diào)試接口、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸單元(DTU)、電池及供電模塊5部分。其中，ZigBee接收終端作為協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)收集單元，匯總來自全部從節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)信息。主節(jié)點(diǎn)與所有從節(jié)點(diǎn)共同組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)，依托ZigBee協(xié)議棧內(nèi)多跳及自組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，從節(jié)點(diǎn)間可自主探索最優(yōu)路徑并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)“接力式”傳遞[28]。主節(jié)點(diǎn)不搭載任何傳感器模塊，所以數(shù)據(jù)處理單元選用32位Cortex-m內(nèi)核48引腳的STM32F103C8T6作為主芯片，只負(fù)責(zé)匯總數(shù)據(jù)并以HTTP報(bào)文數(shù)據(jù)格式進(jìn)行打包上傳。通信調(diào)試接口的設(shè)置與從節(jié)點(diǎn)一致，在外圍拓展電路上添加USB轉(zhuǎn)TTL芯片便于上位機(jī)對(duì)主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)試及配置操作。按指定格式打包完成的報(bào)文數(shù)據(jù)通過串口傳至DTU，DTU最后按照指定IP地址及端口號(hào)將報(bào)文透明傳輸至服務(wù)器。供電與無線傳感器從節(jié)點(diǎn)一致，采用容量為10 000 mA·h的12 V鋰電池及配套變壓芯片實(shí)現(xiàn)。

2.3 主從節(jié)點(diǎn)樣機(jī)

根據(jù)無線主、從節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝配方法，進(jìn)行主、從節(jié)點(diǎn)的樣機(jī)制作。以“M”標(biāo)志表示主節(jié)點(diǎn)(Master)，“S”標(biāo)志代表從節(jié)點(diǎn)(Slave)，主節(jié)點(diǎn)外置天線共包含ZigBee、DTU及GPS 3種，從節(jié)點(diǎn)只包含ZigBee天線。主、從節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖及從節(jié)點(diǎn)電路主板如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 自組網(wǎng)通信過程

系統(tǒng)的組網(wǎng)通信過程依托ZigBee協(xié)議棧及主從節(jié)點(diǎn)間的程序設(shè)計(jì)[29]。在“一主多從”的工作模式下，為便于試驗(yàn)，系統(tǒng)應(yīng)按照提前設(shè)定的自組網(wǎng)通信過程執(zhí)行各項(xiàng)操作命令，以確保所有節(jié)點(diǎn)通信正常，各從節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳的時(shí)間點(diǎn)一致。以從節(jié)點(diǎn)單次數(shù)據(jù)上傳過程為例，本系統(tǒng)的自組網(wǎng)通信過程如圖5所示。

圖4 主、從節(jié)點(diǎn)及從節(jié)點(diǎn)電路主板

圖5 自組網(wǎng)通信過程

系統(tǒng)開始將所有從節(jié)點(diǎn)逐一上電，從節(jié)點(diǎn)相繼開啟之后先進(jìn)行傳感器預(yù)熱的初始化過程，并等待主節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)建立。此時(shí)從節(jié)點(diǎn)均處于待機(jī)狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)間無連接，數(shù)據(jù)不采集。直到主節(jié)點(diǎn)上電并初始化后，開始按照約定信道、天線方式、傳輸模式及波特率等設(shè)置內(nèi)容建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)。如果網(wǎng)絡(luò)建立成功，主節(jié)點(diǎn)將向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播接入命令，從節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)獲取該命令，并以提前設(shè)定的靜態(tài)ID號(hào)作為唯一通信地址加入該網(wǎng)絡(luò)。如果網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建不成功，主節(jié)點(diǎn)將重新初始化并創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)連接。若存在部分從節(jié)點(diǎn)未收到接入網(wǎng)絡(luò)命令，則等待下一輪數(shù)據(jù)上傳過程再次加入。

主從節(jié)點(diǎn)間基于ZigBee的分布式網(wǎng)絡(luò)建立成功后，從節(jié)點(diǎn)隨即開始按照設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與上傳。主節(jié)點(diǎn)在規(guī)定的時(shí)間窗口內(nèi)匯總接收每一條來自不同從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，并及時(shí)以HTTP報(bào)文格式打包傳至DTU。DTU在主節(jié)點(diǎn)上電初始化過程中已完成與服務(wù)器的連接，當(dāng)主從節(jié)點(diǎn)間的傳輸鏈路建立之后即可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程透明傳輸。服務(wù)器接收到相應(yīng)報(bào)文后，其內(nèi)容一經(jīng)解析即可實(shí)時(shí)顯示在Web端。若本輪數(shù)據(jù)在主從節(jié)點(diǎn)間或DTU傳輸服務(wù)器過程中出現(xiàn)遺失，則視為丟包。

3.2 Web端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

Web端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)采用Tomcat作為Web應(yīng)用服務(wù)器，以Mysql作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，以Java作為編程語言，在J2EE系統(tǒng)架構(gòu)的解決方案下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)平臺(tái)的搭建。其中，Tomcat和Mysql均為開源且較為成熟的Web系統(tǒng)解決方案，Java語言同時(shí)具有功能完善、可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，以上相關(guān)工具和解決方案為Web系統(tǒng)的搭建提供技術(shù)支持。

用戶利用注冊(cè)手機(jī)號(hào)及設(shè)定密碼登錄進(jìn)入Web端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)頁面，主界面包含“查看環(huán)境參數(shù)”、“查看設(shè)備位置”、“設(shè)置報(bào)警閾值”、“手機(jī)短信報(bào)警”等功能選項(xiàng)。點(diǎn)擊“查看環(huán)境參數(shù)”選項(xiàng)后即可進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面，如圖6所示。在界面左上角輸入節(jié)點(diǎn)ID號(hào)可查詢?cè)搹墓?jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊右上角“數(shù)據(jù)下載”可獲取對(duì)應(yīng)從節(jié)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)記錄。界面下側(cè)輸入頁數(shù)可在線查詢?nèi)繗v史數(shù)據(jù)記錄。Web端的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)跨平臺(tái)功能，用戶只需借助上網(wǎng)設(shè)備即可實(shí)時(shí)查看當(dāng)前及歷史環(huán)境信息。

圖6 系統(tǒng)Web端數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面

4 試驗(yàn)方法與參考指標(biāo)

試驗(yàn)選取廣東省云浮市某規(guī)模化種豬場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，該場(chǎng)區(qū)豬舍均屬于美式通風(fēng)結(jié)構(gòu)建筑，配備降溫濕簾、屋頂小窗及側(cè)墻負(fù)壓風(fēng)機(jī)等環(huán)控設(shè)施。試驗(yàn)時(shí)間為2018年7月15—25日，除去設(shè)備布置、更換豬舍、清理節(jié)點(diǎn)、電池充電等耗時(shí)，總有效測(cè)試時(shí)長約212 h。試驗(yàn)測(cè)試豬舍類型包括配懷舍(46 h)、分娩舍(72 h)、保育舍(49 h)及生長舍(45 h)。每次試驗(yàn)開始前，提前進(jìn)入對(duì)應(yīng)豬舍內(nèi)進(jìn)行勘察踩點(diǎn)，詳細(xì)記錄每種豬舍的豬只類型和數(shù)量、建筑尺寸、通風(fēng)方式、環(huán)控原理等。繪制豬舍平面布局圖并進(jìn)行監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分，為節(jié)點(diǎn)設(shè)備的合理布置提供參考。試驗(yàn)完成后，下載試驗(yàn)數(shù)據(jù)并分類編排整理，對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除異常數(shù)據(jù)包，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析并繪制圖像。

種豬場(chǎng)分娩舍的設(shè)計(jì)是確保其經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)成功的最重要因素[30]。為此，本文以分娩舍為例，介紹試驗(yàn)設(shè)備的選點(diǎn)布置、區(qū)域劃分、評(píng)價(jià)依據(jù)及數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容。最終利用獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)各環(huán)境參數(shù)的時(shí)空分布特性進(jìn)行探究，統(tǒng)計(jì)各類型豬舍測(cè)試周期內(nèi)的丟包率。

4.1 節(jié)點(diǎn)布置方法

為避免產(chǎn)后母豬的應(yīng)激反應(yīng)對(duì)哺乳仔豬造成影響，在豬場(chǎng)管理人員許可下進(jìn)行了產(chǎn)前分娩舍的試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)分娩舍內(nèi)存有妊娠期107 d(產(chǎn)前7 d)的待產(chǎn)母豬共30頭。建筑外墻一側(cè)設(shè)置有降溫濕簾，舍內(nèi)通風(fēng)采用屋頂小窗進(jìn)風(fēng)，側(cè)墻負(fù)壓風(fēng)機(jī)排風(fēng)方式。屋頂小窗為橫向排列，每列5個(gè)共2排。側(cè)墻負(fù)壓風(fēng)機(jī)為縱向排列，風(fēng)機(jī)包括1臺(tái)變頻風(fēng)機(jī)(80 cm)，3臺(tái)恒速風(fēng)機(jī)(100 cm)。試驗(yàn)舍長1 990 cm，舍寬1 100 cm，高度260 cm，過道寬度104 cm，每個(gè)哺乳母豬欄單格長240 cm，寬182 cm，總計(jì)30格。單格內(nèi)限位欄寬度70 cm，僅容納一頭哺乳母豬。豬舍地面下方為水泡糞地溝，溝內(nèi)設(shè)有地溝風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)。

試驗(yàn)分娩舍內(nèi)部空間適中，待產(chǎn)母豬的限位欄間隔較寬，3排欄體單格均為縱向排列。豬只頭對(duì)頭，尾對(duì)尾分布，待產(chǎn)母豬腹部一側(cè)留有仔豬活動(dòng)空間。根據(jù)實(shí)地勘察結(jié)果，結(jié)合豬只分布及舍內(nèi)通風(fēng)特點(diǎn)，選取部分限位欄單格內(nèi)的母豬及仔豬豬頭區(qū)域作為節(jié)點(diǎn)設(shè)備的主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并選取舍內(nèi)出風(fēng)口區(qū)域及舍外區(qū)域作為試驗(yàn)對(duì)照組。

對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行合理布置劃分，以研究試驗(yàn)分娩舍內(nèi)各環(huán)境因素的分布特性。為此，將舍內(nèi)監(jiān)測(cè)區(qū)域詳細(xì)劃分為母豬呼吸區(qū)域高度平面(0.7 m)、仔豬呼吸區(qū)域高度平面(0.35 m)、出風(fēng)口區(qū)域高度平面(0.7 m)及舍外區(qū)域，分別掛設(shè)15、9、3、2臺(tái)從節(jié)點(diǎn)設(shè)備，設(shè)置每10 min采集一次數(shù)據(jù)。主節(jié)點(diǎn)放置于入口信號(hào)較好區(qū)域，確認(rèn)主從節(jié)點(diǎn)位置編號(hào)并開啟電源進(jìn)行72 h不間斷監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)過程中通過后臺(tái)定時(shí)查看各節(jié)點(diǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)上傳記錄。試驗(yàn)分娩舍平面結(jié)構(gòu)的側(cè)、俯視圖及監(jiān)測(cè)區(qū)域主從節(jié)點(diǎn)分布如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)分娩舍側(cè)、俯視圖及各區(qū)域節(jié)點(diǎn)分布

4.2 環(huán)境參考指標(biāo)

為探究試驗(yàn)分娩舍在現(xiàn)有環(huán)控基礎(chǔ)上各類環(huán)境信息的分布情況，數(shù)據(jù)分析前明確豬舍內(nèi)各環(huán)境參數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義。本文參考《規(guī)模豬場(chǎng)環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理》(GB/T 17 824.3—2008)的各項(xiàng)指標(biāo)要求，明確不同豬舍空氣內(nèi)溫度和相對(duì)濕度的舒適范圍，高、低臨界值。除舍內(nèi)溫度和相對(duì)濕度的指標(biāo)要求外，標(biāo)準(zhǔn)還涉及各類型豬舍空氣中的3項(xiàng)有關(guān)衛(wèi)生指標(biāo)，包括氨(NH3)、硫化氫(H2S)、二氧化碳(CO2)在內(nèi)的空氣污染物濃度應(yīng)小于指標(biāo)要求，如表1所示。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 時(shí)間變化特性

取試驗(yàn)分娩舍完整24 h時(shí)間周期內(nèi)4個(gè)區(qū)域的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間變化特性分析。利用Excel繪制曲線，分別對(duì)應(yīng)舍外、出風(fēng)口、仔豬區(qū)域及母豬區(qū)域監(jiān)測(cè)到的溫度、相對(duì)濕度、氨氣濃度及二氧化碳濃度平均值變化。根據(jù)24 h內(nèi)這4種環(huán)境參數(shù)變化趨勢(shì)初步得到其時(shí)間分布特性，如圖8所示。

將采集到數(shù)據(jù)利用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。采用單因素ANOVA兩兩比較方式中的S-N-K(S)分析方法，計(jì)算得出舍外、出風(fēng)口、仔豬區(qū)域及母豬區(qū)域內(nèi)各環(huán)境因素組間差異極顯著(P<0.01)，各環(huán)境因素α=0.05的子集間顯著性差異情況如表2所示。

表1 豬舍內(nèi)溫度、相對(duì)濕度及其他衛(wèi)生指標(biāo)

注：表中數(shù)值均指豬床上0.7 m處的溫度和相對(duì)濕度。表中高、低臨界值指生產(chǎn)臨界范圍，過高或過低都會(huì)影響豬只的生產(chǎn)性能和健康狀況。

圖8 分娩舍4種環(huán)境參數(shù)24 h內(nèi)各區(qū)域變化曲線

表2 分娩舍不同區(qū)域內(nèi)各環(huán)境參數(shù)子集間顯著性差異

注：表中調(diào)和平均值的樣本數(shù)為145，顯示在齊性子集中各組的平均值省略到小數(shù)點(diǎn)后兩位。

參考表1中的相關(guān)環(huán)境指標(biāo)，結(jié)合曲線及統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果對(duì)試驗(yàn)分娩舍4種環(huán)境參數(shù)隨時(shí)間的變化特性進(jìn)行分析。

舍外與舍內(nèi)各區(qū)域溫差明顯，舍內(nèi)外溫度差異極顯著(P<0.01)。豬只活體散熱導(dǎo)致舍內(nèi)溫度普遍高于舍外1～2℃，舍內(nèi)不同位置區(qū)域的溫度變化趨向一致(P=0.05)。在中午至夜間的較長時(shí)間內(nèi)空氣溫度均超過高臨界值(27℃)，并于13:00左右達(dá)到當(dāng)日峰值(30℃)。綜合溫度變化曲線分析得出，舍內(nèi)存在一定時(shí)間段的持續(xù)性高溫問題。

舍外傳感器節(jié)點(diǎn)因早、晚的凝露現(xiàn)象使其在09:00及夜間相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)值接近99.9%。舍內(nèi)外相對(duì)濕度差異極顯著(P<0.01)，在第一子集中，舍外、出風(fēng)口及仔豬呼吸區(qū)域相對(duì)濕度平均值間的差異性并不顯著(P=0.08)。舍內(nèi)空氣相對(duì)濕度均超過高臨界值(80%)，從變化曲線看，相對(duì)濕度與溫度變化呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān)性。

因試驗(yàn)分娩舍采用美式機(jī)械強(qiáng)制通風(fēng)方案，舍內(nèi)4臺(tái)側(cè)墻風(fēng)機(jī)的橫向通風(fēng)能力較強(qiáng)，大通風(fēng)量的設(shè)置下使有害氣體得以快速排除。測(cè)試結(jié)果顯示，舍內(nèi)各區(qū)域氨氣質(zhì)量濃度均遠(yuǎn)低于指標(biāo)值(20 mg/m3)，舍內(nèi)外氨氣質(zhì)量濃度差異極顯著(P<0.01)。從24 h內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化曲線上看，在出風(fēng)口區(qū)域存在氨氣積聚現(xiàn)象，并于20:00左右到達(dá)當(dāng)日峰值(0.9 mg/m3)。分娩舍測(cè)試期間均為產(chǎn)前母豬無仔豬，所以只在母豬區(qū)域有微量氨氣檢出。

作為對(duì)照組的舍外傳感器節(jié)點(diǎn)布置在濕簾前端，承接臨近豬舍的排氣口下游區(qū)域，二氧化碳質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)值略高于一般室外環(huán)境(26℃，101.325 kPa)的范圍(628～807 mg/m3)。舍內(nèi)外二氧化碳質(zhì)量濃度差異極顯著(P<0.01)，舍內(nèi)不同區(qū)域的質(zhì)量濃度變化幅度較大，平均值差異明顯。在待產(chǎn)母豬較強(qiáng)的呼吸作用下，母豬區(qū)域的平均二氧化碳質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)值最高，并于21:00左右達(dá)到當(dāng)日峰值(2 600 mg/m3)。其他舍內(nèi)區(qū)域的二氧化碳質(zhì)量濃度變化幅度相對(duì)較小，夜間普遍高于白天。

5.2 空間分布特性

圖9 不同時(shí)間點(diǎn)分娩舍0.7 m高度平面各環(huán)境參數(shù)云圖

基于上文介紹的不同區(qū)域內(nèi)4種環(huán)境參數(shù)的時(shí)間變化特性，以試驗(yàn)分娩舍0.7 m高度(國標(biāo)數(shù)據(jù)采集高度)的母豬呼吸區(qū)域作為研究對(duì)象。取各環(huán)境參數(shù)在24 h內(nèi)峰值時(shí)間點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分布特性分析，重點(diǎn)表現(xiàn)試驗(yàn)分娩舍同一高度平面的環(huán)境分布差異性。根據(jù)各環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)值的實(shí)際分布情況，最終為環(huán)境控制優(yōu)化提供參考。

在時(shí)間變化曲線圖中，母豬區(qū)域0.7 m高度平面內(nèi)的溫度、相對(duì)濕度、氨氣質(zhì)量濃度及二氧化碳質(zhì)量濃度峰值時(shí)間點(diǎn)依次出現(xiàn)在13:00、09:00、20:00及21:00前后。選取這4個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)所有母豬區(qū)域采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖分析，利用Matlab繪制各環(huán)境參數(shù)的三維(舍長、舍寬、指標(biāo))曲面及二維(舍長、舍寬)平面分布云圖，從多角度圖像信息中獲取試驗(yàn)分娩舍在國標(biāo)檢測(cè)平面內(nèi)各環(huán)境參數(shù)的空間分布特性，如圖9所示。

參考表1相關(guān)環(huán)境指標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)分娩舍4種環(huán)境參數(shù)在母豬呼吸區(qū)域的0.7 m高度平面上，進(jìn)行峰值時(shí)間點(diǎn)的空間分布特性分析。

試驗(yàn)分娩舍在13:00左右出現(xiàn)持續(xù)性高溫現(xiàn)象(≥30℃)，高溫區(qū)域重點(diǎn)集中于分娩舍中部，并向四周呈現(xiàn)放射性溫度遞減。舍內(nèi)溫度整體分布規(guī)律表現(xiàn)為中間高，四周低。

分娩舍內(nèi)在09:00左右首次出現(xiàn)高濕度峰值情況(≥95%)，在該時(shí)間點(diǎn)前后，舍內(nèi)整體濕度水平均遠(yuǎn)超表1中的高臨界值(80%)。分布云圖中，相對(duì)濕度在靠近濕簾側(cè)的屋頂小窗下方最高，靠近出風(fēng)口區(qū)域最低。

分娩舍內(nèi)以氨氣為主的有害氣體會(huì)導(dǎo)致豬只發(fā)病率升高，而機(jī)械強(qiáng)制橫向通風(fēng)方式則有利于有害氣體排除。從氨氣的時(shí)空分布情況來看，分娩舍0.7 m高度平面區(qū)域內(nèi)整體氨氣質(zhì)量濃度偏低，并在20:00左右到達(dá)較小的峰值濃度。空間分布規(guī)律呈現(xiàn)出邊角高、中間低。在遠(yuǎn)離濕簾一側(cè)的墻邊及出風(fēng)口角落附近，氨氣積聚現(xiàn)象顯著。

分娩舍母豬區(qū)域的二氧化碳質(zhì)量濃度于21:00左右到達(dá)峰值(2 600 mg/m3)。在峰值時(shí)間點(diǎn)的空間平面內(nèi)，高濃度二氧化碳呈離散式分布于兩側(cè)舍長的墻邊附近。中間屋頂小窗下至出風(fēng)口的排風(fēng)通道附近二氧化碳濃度較低，可以推斷是由于新鮮空氣補(bǔ)充產(chǎn)生的結(jié)果。根據(jù)氨氣及二氧化碳這兩類有害氣體的空間分布情況，可得該豬舍內(nèi)有害氣體多積聚于建筑墻體及邊角區(qū)域，進(jìn)一步說明試驗(yàn)豬舍現(xiàn)有環(huán)控水平有待提高。

基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)分娩舍內(nèi)時(shí)間變化特性及空間分布特性的探究，分析得出該試驗(yàn)分娩舍存在一定時(shí)間周期內(nèi)的高溫、高濕問題，溫濕度變化呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān)性。對(duì)氨氣、二氧化碳這類有害氣體的監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)舍內(nèi)存在“高濃度死角”問題，間接反映出試驗(yàn)豬舍建筑通風(fēng)方式及環(huán)境控制邏輯缺乏一定科學(xué)性。本文豬舍環(huán)境無線多點(diǎn)多源遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)較為全面地反映出4種環(huán)境參數(shù)的時(shí)空分布特性，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可視化分析，直觀診斷出豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)的潛在問題。

5.3 丟包統(tǒng)計(jì)

在試驗(yàn)全部完成后，針對(duì)后臺(tái)記錄的數(shù)據(jù)包接收情況進(jìn)行丟包統(tǒng)計(jì)。參與統(tǒng)計(jì)對(duì)比的豬舍種類包括配懷舍、分娩舍、保育舍及生長舍，每種豬舍的有效測(cè)試時(shí)長、應(yīng)收數(shù)據(jù)包數(shù)量、實(shí)際收包數(shù)量及丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量等試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，由表可知，平均丟包率為2.39%。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出不同類型豬舍丟包情況略有差異。分析測(cè)試過程發(fā)生丟包的主要環(huán)節(jié)包括：①主從節(jié)點(diǎn)通信間距過近或過遠(yuǎn)，距離過近(≤1 m)會(huì)導(dǎo)致ZigBee信號(hào)呈現(xiàn)飽和狀態(tài)使通信受阻發(fā)生丟包。距離稍遠(yuǎn)(≥50 m)則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰弱，數(shù)據(jù)傳輸鏈路斷開后主從節(jié)點(diǎn)無法通信。②主從節(jié)點(diǎn)之間有隔墻或有金屬阻擋物產(chǎn)生的電離屏蔽現(xiàn)象對(duì)信號(hào)的削弱作用。③測(cè)試豬場(chǎng)附近的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較差，使基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的DTU設(shè)備偶爾出現(xiàn)無服務(wù)的情況也會(huì)形成丟包。真實(shí)測(cè)試過程中丟包原因?yàn)楹髢煞N的可能性較大，從監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一般要求及用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)完整性分析的角度考慮，本系統(tǒng)的丟包試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。

表3 丟包情況統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)論

(1)分娩舍時(shí)間變化特性表明，豬舍內(nèi)外各環(huán)境參數(shù)變化差異性顯著，各區(qū)域溫濕度變化呈負(fù)相關(guān)性。豬舍內(nèi)午時(shí)前后有持續(xù)性高溫現(xiàn)象，全天內(nèi)相對(duì)濕度遠(yuǎn)超國標(biāo)高臨界值，反映出豬舍內(nèi)環(huán)控設(shè)施未能起到良好的降溫除濕作用。氨氣與二氧化碳有害氣體從下午開始呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，均于夜間達(dá)到峰值。

(2)分娩舍空間分布特性表明，在指定高度平面內(nèi)，溫度分布表現(xiàn)為中間高、四周低。相對(duì)濕度分布表現(xiàn)為靠近濕簾側(cè)高、接近出風(fēng)口附近低。氨氣及二氧化碳有害氣體多積聚于豬舍建筑墻體的邊角區(qū)域，進(jìn)一步說明試驗(yàn)豬舍內(nèi)存在“環(huán)控死角”。

(3)系統(tǒng)整體測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，試驗(yàn)設(shè)備布點(diǎn)方便、快捷，平均丟包率2.39%，一次充電后設(shè)備持續(xù)工作時(shí)間可達(dá)170 h。各環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)量準(zhǔn)確可靠，區(qū)域性差別顯著，診斷效果好。所得時(shí)空分布特性對(duì)豬舍環(huán)境控制優(yōu)化具有一定參考意義。