云服務在養(yǎng)殖行業(yè)中的應用研究

青島興儀電子設備有限責任公司

□ 鄭培寧

隨著養(yǎng)殖設備規(guī)模化發(fā)展，完全依靠管理者頻繁奔波于棟舍之間設置參數和查看信息，嚴重限制了工作服務效率，通過人工進行大數據分析對比也不現(xiàn)實。如何對生產數據進行二次分析利用，達到各設備間參數最佳狀態(tài)，實現(xiàn)理想的飼養(yǎng)效果，成為養(yǎng)殖行業(yè)的迫切需求。

現(xiàn)有環(huán)境控制系統(tǒng)除了環(huán)境控制器，還需要實時感知的環(huán)境數據、驅動終端執(zhí)行機構、遠程控制等各個子功能模塊配合在一起使用。整個環(huán)境控制系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 禽舍環(huán)境控制系統(tǒng)構成框圖

一、養(yǎng)殖云服務的實現(xiàn)方法

養(yǎng)殖云既是產品，更是服務。主要涵蓋傳感技術、數據采集技術、網絡通信技術、數據庫技術、自動控制理論、軟件工程技術等多學科相互交叉。

對于市場現(xiàn)有環(huán)境控制器而言，絕大多數是沒有物聯(lián)網技術背景下的產物，其在物聯(lián)網世界中沒有“身份”（識別號），這些設備想進入物聯(lián)網和養(yǎng)殖云世界，需要新增一些接入設備。在物聯(lián)網和云之后的環(huán)境控制器，若加入了該技術支持，則其本身即可接入物聯(lián)網和云。下面對這兩種類型的環(huán)境控制器的接入方式分別論述技術解決方案。

（一）沒有物聯(lián)識別號的環(huán)境控制器接入云的解決方案

大型養(yǎng)殖場中有數量較多的環(huán)境控制器，這些控制器要么運行于單機模式，要么通過串口通信與生產管理的PC機聯(lián)網，組成養(yǎng)殖場一級的專用監(jiān)控網絡。基于單機運行或場級聯(lián)網需要的環(huán)境控制器，其身份識別碼只是一個簡單的數字編號，一般情況下這個數字編號是8bit無符號整數，除去設備開發(fā)商保留的擴展用地址號，其有效范圍一般在1—250，在這種情況下，當環(huán)境控制器的數量超出250臺時，通常采用多臺PC機分片區(qū)管理。然而實際上由于串口通信的速率受可靠通信距離限制，當養(yǎng)殖場的規(guī)模較大，養(yǎng)殖舍數量多時，存在部分養(yǎng)殖舍離辦公監(jiān)控室太遠，此時串口通信的速率就要降低，通常情況下，2400波特率可以保證在1200 m距離內通信是穩(wěn)定可靠的。因此當環(huán)境控制器數量眾多時，通信的實時性就會明顯下降。一般的規(guī)模化養(yǎng)殖場都以20棟以下的數量為一個管理單元，這樣批量操作的時延可降到用合理的程度。由于全場的養(yǎng)殖舍控制器都已經連接到監(jiān)控PC上，因此只要把該集中監(jiān)控的PC機連接到云上就做到環(huán)境控制器的云接入。

（二）具有物聯(lián)識別號的環(huán)境控制器接入云的解決方案

這是一個體系化解決方案。從技術解決方案角度來說，涉及到ID的編碼、生產過程中的編碼管理、接入網絡后ID的識別與鑒權等一系列問題與解決。

1.ID的編碼

ID碼=產品碼+順序號，產品碼部分主要用于保證用盡量少的數據包含盡量多有關本機的信息；順序號主要作用是確定唯一性；二者結合后保證編碼數量能達到一定量級，既能滿足當下產品要求，又給未來使用留有一定余量。

2.ID的識別與鑒權

ID識別與鑒權是有兩個層面的含義。第一層含義是指環(huán)控器本身可以對自身進行識別自己是否是“正品原裝”產品，如果不是，則可以選擇強制停機、拒絕服務等活動；第二層含義是指云對接入自己的環(huán)控器進行識別是否登記造冊的“原裝”產品，若是則為其建立運行期數據檔案，否則拒絕其接入請求。

（1）正品自鑒別技術。環(huán)控器在生產時，分為兩個階段，第一階段首先為其燒寫B(tài)ootLoader引導加載程序。每生產一臺環(huán)控器，燒寫引導程序過程中，都自動在引導區(qū)中的特定位置寫入了符合前述規(guī)范的ID碼，ID碼可唯一標識該環(huán)境控制器，同時該ID碼被量產工具自動記錄，并可通過導入記錄的方式將生產過的ID碼錄入云服務平臺的ID數據庫；第二階段，將已經燒寫好BootLoader程序的主板上電，BootLoader程序得以執(zhí)行，讀取應用程序區(qū)和引導區(qū)的特定位置，將讀到的數據進行比對，如果相同，則說明是原裝正品，則Loader應用程序并執(zhí)行，如果不相同則說明應用程序是非法的，反復Boot等待更新應用程序，直到更新完畢并驗證為原裝正品后Loader用戶程序并執(zhí)行。

（2）正品云鑒別技術。在云上，專用服務軟件持續(xù)運行，在接收到環(huán)境控制器發(fā)來的數據報文后，從報文中解析出環(huán)境控制器的ID碼，在ID數據庫中檢索該ID是否存在，若是則說明是正品發(fā)來的數據，為其建立運行時數據檔案，并持續(xù)記錄該環(huán)境控制器后續(xù)發(fā)來的運行時數據；否則可能是非正品環(huán)控制器發(fā)來的數據，直接丟棄，拒絕為其建立數據檔案。

二、數據關聯(lián)與飼養(yǎng)環(huán)境復制技術

環(huán)境控制器的應用軟件中留出用戶名稱填寫位置，終端用戶需要接入養(yǎng)殖云服務時，在其中填寫用戶名稱，服務器收到后，即更新該ID號的環(huán)境控制器所屬用戶，用戶即可為該環(huán)境控制器對應的養(yǎng)殖舍填寫生產性能日志。至此已經將該ID號下的生產性能日志與運行數據建立關聯(lián)。通過這兩個方面的內容，云即可根據運行狀態(tài)數據與生產性能數據做出合理的關系判定，通過保證在雞舍中復制相同的環(huán)境以達到類同的生產性能。

在此基礎之上，還可以衍生出更為超前的環(huán)境控制器虛擬化的做法。在傳統(tǒng)數據采集探頭上加裝CPU與數據卡，在CPU的存儲器上采取前述ID編碼管理方案，將其改造成具備物聯(lián)網接入能力的智能探頭；繼電器板加裝CPU，在CPU的存儲器上采取前述ID編碼管理，將其改造成具備物聯(lián)網接入能力的智能執(zhí)行器；在云上建立智能探頭和智能執(zhí)行器的ID編碼檔案與在養(yǎng)殖舍中的分配對應關系數據庫；智能探頭只完成數據的采集與上傳工作，執(zhí)行器只完成云規(guī)定動作的執(zhí)行。至于探頭采集的數據的分析與如何輸入執(zhí)行動作的決策工作則完全在云上完成，也正是基于此，才能將環(huán)境控制器虛擬化，多個智能探頭與智能執(zhí)行器共享云上的計算和決策資源，提高了云資源的利用率，降低了用戶采購和維護實體環(huán)境控制器的成本。在這種模式下，IoT網絡鏈接的可靠性與數據雙向通道的穩(wěn)定性也是系統(tǒng)運行和安全生產成了方案成敗的關鍵所在。

三、環(huán)境控制器的OTA軟件升級

1.環(huán)境控制器的軟件生產

把目標代碼文件下載到嵌入式設備中通常有兩種編程方式，一種是在系統(tǒng)編程ISP（In System Programming），一種是在應用編程IAP（In Application Programming）。ISP和IAP都可以使用串行通信口（通常稱作COM口）完成目標代碼的下載，二者的本質都是將目標代碼下載并存儲到程序存儲器中以供復位后執(zhí)行，但是二者有著些許的不同。

一般來說，具有IAP能力的嵌入式設備，其程序存儲器內都含有引導和加載用戶程序的bootloader軟件。嵌入式設備需要至少要執(zhí)行一次ISP過程才能將bootloader軟件下載到程序存儲器中，然后才具有IAP的能力。有些單片機（如STC51系列）出廠時就有bootloader，而有些單片機（如AVR Mega系列）具有boot和loader的功能，但要使用者自行開發(fā)bootloader軟件并通過ISP下載到芯片中才能使用這一功能。IAP是實現(xiàn)環(huán)境控制器OTA升級軟件的基礎。

圖2展示了使用bootloader技術前提下，如何首次制造產品，加載初始固件，銷售以及稍后使用新版本的固件更新產品的示例。

圖2 bootloader應用示意圖

2.通過OTA升級軟件

環(huán)境控制器在正常工作時，運行的是用戶程序區(qū)的Application，是無法運行boot區(qū)的bootloader軟件的，此時云下發(fā)到環(huán)境控制器串口上的新Application，是無法被環(huán)境控制器所接受的。因此在Application中要留出接口，以便云下發(fā)新的Application時，環(huán)境控制器能知道云的意圖，轉而執(zhí)行bootloader程序，一旦bootloader程序得以執(zhí)行，其過程便和從本地計算機的COM口進行IAP過程完全一樣，可以方便接收和更新Application。Application和云的通信活動觸發(fā)環(huán)境控制器執(zhí)行bootloader程序，完成Application的更新過程，由于沒有本地計算機參與的過程（即便有作為網關角色的本地計算機，它本質是作為數據的通道而存在的，完全可以忽視其計算機的屬性），因此可以看作是以OTA方式升級軟件。

四、總結與展望

養(yǎng)殖云服務以用戶需求為導向，是集信息提供和交互的大數據平臺，其建設過程從集中監(jiān)控開始，向大數據收集、分析、建模形成專家?guī)欤聪蛑笇в脩粼O置養(yǎng)殖工藝參數。養(yǎng)殖云服務通過對環(huán)境控制器運行過程監(jiān)控，遠程設置運行參數，可以實現(xiàn)養(yǎng)殖生產全程監(jiān)控，其更重要的應用意義在于，將生產過程中數據與生產過程前后端連通，完成與食品安全追溯、客戶關系管理系統(tǒng)有機結合，實現(xiàn)全產業(yè)過程數字化服務平臺。

在這個應用場景中，禽舍中僅存在傳感設備與執(zhí)行設備，環(huán)境參數的調節(jié)決策將在云上完成，云就是環(huán)境控制的核心，所有傳感設備、執(zhí)行設備與養(yǎng)殖云將組成一個巨大的 “環(huán)境控制系統(tǒng)”，養(yǎng)殖環(huán)境控制就此步入云時代。