基于物聯網的智慧豬舍養殖系統

鄭小南 楊凡 李富忠

摘 要：傳統的養豬業主要通過人工進行，養殖過程繁瑣，需要耗費大量的人力、物力、財力，且不易對整個豬舍的環境進行判斷，也無法實時監測養殖環境，因此提出一種基于物聯網的智慧豬舍養殖系統。該系統通過5G、互聯網、NB-IoT、ZigBee等技術實現了生豬養殖的環境監測、遠程調控和遠程監控。實驗表明，與傳統模式的養殖相比，所提系統提高了生豬養殖的質量和效率。

關鍵詞：物聯網;豬舍養殖;智能化;5G;NB-IoT;ZigBee

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）10-00-03

0 引 言

近年來，物聯網技術在農業的管理、生產和服務等方面迅速發展，由此衍生出農業物聯網的概念[1]。總的來說，農業物聯網就是通過各種傳感器來獲取養殖業、種植業、園藝業以及農產品物流等方面信息，然后將獲取的各類信息通過互聯網、ZigBee、5G、NB-IoT等技術傳輸到移動應用終端，使管理者能夠對各類信息整合，了解農業生產的產前、產中、產后的實時動態，并遠程完成參數控制，實現農業生產過程的智能化和高效化，同時有效地提高農業生產效率和農產品質量，以達到農業生產的高效、優質、安全目的[2]。

生豬的養殖過程中，品種差異、環境條件、飼料品質、疫病等都會對生豬健康和最終的豬肉品質產生一定程度的影響，其中環境因素所起的作用占20%～30%。生長環境影響因素主要有：空氣溫濕度、氣體濃度、光照強度和噪聲等[3]。已有許多的研究和生產實踐過程表明生長環境不佳會對養豬業生產的質量造成極大的影響。傳統的養殖方式無法對生長環境參數實時獲取，基于物聯網的智慧豬舍養殖很好地解決了上述問題，將物聯網技術的優勢與傳統養殖業相結合，實現了養豬業的智慧化、自動化和精準化，解放勞動力的同時，提高了品質和產量。

1 系統概述

1.1 系統設計原則

（1）該系統在設計時要運用模塊化設計，保證模塊的獨立性，各模塊之間彼此不受影響。同時，可以方便的增加新的應用系統。

（2）系統設計的目標就是給用戶帶來便捷和高效，所以需要保證在電腦、手機移動終端可以運行和操作。

（3）系統數據庫的設計在可以充分保證該系統數據安全的前提下，還需要對后期添增新的應用系統留有接口;同時，數據要建立冗余機制[4]。

（4）該系統具有靈活性，分為不同的權限，即管理員和用戶。管理員可以根據用戶性質分配給用戶不同權限，并且確保未分配給用戶的權限不可運用。

（5）統一應用框架要求。使用統一的應用程序支持平臺，使用統一的的用戶身份驗證、程序功能接口組件、管理組織和人員以及訪問權限控制功能。

（6）統一信息資源編目要求。該系統中有需要信息資源編目的部分，因此需要統一編寫一個可以進行信息獲取、整理、編排、查詢的組件。

（7）統一數據共享要求。主數據管理組件主要對該系統的的共享數據進行存儲和管理。要實現數據共享，首先需要對基本數據（如基本代碼）進行統一的管理以及的統一存儲。

（8）主數據管理組件進行數據共享時，主要通過數據共享視圖和共享接口來實現，該系統可以此來獲取共享的數據資源。

（9）統一數據交換要求。該系統在參數設置上要能夠與其他系統的參數進行交換[5]。為了實現各個應用統一部署節點和不同部署節點之間的數據交換，需要構建統一的數據交換平臺。

（10）統一使用公共組件要求。組件主要包含智能文檔組件、工作流管理組件、全文檢索組件以及內容管理組件等。

1.2 系統整體框架

智慧豬舍養殖系統的整體框架如圖1所示。感知層通過各類傳感器來獲取豬舍內的環境信息，主要包括空氣的溫濕度、粉塵、氣體濃度、光照參數、視頻監控參數等。網絡層主要是運用5G，TCP/IP，NB-IoT等物聯網技術，將從傳感器中獲取的環境參數，實時的傳輸到系統的客戶操作界面應用層，以此來完成客戶對豬舍的監測、遠程控制和視頻監控。當環境的某一參數超過客戶設定的界限時，該系統就會向客戶的移動終端發送提示短信并伴隨警報提示，客戶不需要返回養殖舍進行人為干預，只需要通過遠程控制系統即可完成對養殖舍環境的調節[6]。

1.3 系統功能

1.3.1 自動采集功能

本系統主要在豬舍安裝各類傳感器，通過傳感器實現環境因素的自動采集，主要包括空氣溫濕度、光照、氣體濃度等參數的采集。

（1）豬舍內空氣溫濕度調節

在夏季，通常會由于室內溫度過高，影響豬的生長發育，此時，傳感器可以用來對比室內外溫度差。當室內溫度過高時通過風機完成室內外的空氣交換，使室內達到一個適宜的溫度，空氣濕度調節與此原理相同[7]。在冬季，主要采用電熱爐、太陽能等設備保持豬舍的溫度，使得豬舍內能維持一個使豬感到適宜的溫度。

（2）豬舍內光照

豬在生長發育過程中可能會患有佝僂病和缺鈣癥，充足的陽光可以對該疾病起到預防作用，而且還可為豬舍消毒殺菌[8]。大量研究和生產實踐表明，對于不同用途的豬種，所需的光照時間也存在差異。商品豬舍所需的光照時間要低于種豬舍和仔豬舍[9]，這樣有利于其休息和肥育。自然光照不足時則需要通過人工補充光照，光照時間充足有利于豬的生長發育還可促進母豬的發情、配種和妊娠。

（3）豬舍通風換氣

豬舍內需要安裝風機進行通風換氣，保持豬舍內空氣清新。因為豬舍長時間不通風，會導致一些有害氣體（二氧化碳、氨氣）堆積，長期累積下來，便會對豬的健康造成危害，導致其免疫力低下，增加患病的風險[10]。對于通過豬舍內有害氣體的監測，可以通過傳感器來實現，當濃度達到一定限制時，便會提醒用戶進行管理，打開風機對豬舍通風。當然通風換氣也要考慮季節對舍內溫濕度的影響，如冬季選擇中午溫度較高時進行，夏季則正好相反。空氣流通過程如圖2所示。

1.3.2 遠程控制功能

遠程控制系統主要包括測控模塊、配電控制柜和安裝附件，再通過5G或NB-IoT等無線傳輸模塊完成與客戶應用層的對接，并且當豬舍內的一些環境指標（空氣溫濕度、氣體濃度、光照）[11]出現異常情況時，根據監測平臺的報警功能，用戶可通過計算機或手機遠程控制環境調節設備，使豬舍內環境適宜，有利于豬的生長和保障豬肉產品的質量。

1.3.3 環境監控功能

豬舍內安裝視頻監控，管理員和客戶通過視頻監控可以實時查看到豬舍內的各種情況，減少人工現場巡查，提高了監管和生產效率。安裝攝像頭的方式投入少回報大，現已成為智慧養殖的一個主要發展趨勢。

1.4 系統應用平臺

飼養者可以使用計算機，移動電話和其他信息終端來實時監測，從而為及時調整相關生產和制定新的計劃提供數據支持[12]，主要功能如下：

（1）實時獲取豬舍內空氣溫濕度、氣體濃度、光照時長等;

（2）記錄過去每一時段的數據，方便后續進行數據總結和查詢，防止緊急情況出現;

（3）數據制成歷史曲線視圖，過去時段的變化趨勢一目了然，方便總結經驗教訓;

（4）具備預警功能，當檢測出現異常時，能夠為相關人員預警，降低生產損傷;

（5）具備應對機制，根據突發狀況，實現遠程設備控制，達到一定智能化養殖[13];

（6）簡化設備操作，設備使用更加通俗易懂，易于推廣。

2 系統優勢

（1）系統功能較全面，可以實時對豬舍溫度、濕度、氨氣、二氧化碳、粉塵以及壓力監測和視頻追蹤，當參數超過限定值，系統自動報警確保豬舍環境適宜。

（2）系統從用戶角度出發，具有簡潔性，高效性，便于用戶學習和使用。

（3）系統具有實時性，每間隔10 min采集系統數據并上傳。

（4）該系統擁有多種無線方式上傳指令并可遠程實時監測，只要存在處于有網絡的情況下，用戶均可登錄系統遠程察看養殖場的監測畫面和信息，并且能夠遠程調整設備參數。

（5）基于物聯網的智慧豬舍養殖平臺將環境監測、遠程遙控、視頻觀察等多功能混合，具有智能化、數字化、網絡化的特性[14]。實現科學的養殖舍監控、毒害防治等環節，增加產能、提高規模、減少資源消耗和人力成本，推動現代畜牧業發展。

3 結 語

豬肉作為人們最受歡迎的肉類之一，需求量也在日益增長，促使生豬養殖業不斷擴大的同時，也導致管理人員的工作量加劇。傳統的養殖過程繁瑣，且養殖環境無法實時監測，基于物聯網智慧豬舍養殖系統智慧通過5G、互聯網、NB-IoT、ZigBee等技術，實現了生豬養殖的環境監測、遠程調控和遠程監控。與傳統模式的養殖相比，該系統提高了生豬養殖的質量和效率。以此來看，物聯網技術在養殖業方面具有很大的利用價值，未來的養殖業將朝著智慧化、自動化方向發展。

參考文獻

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