基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的畜禽智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

何敏欣 宋國柱

（山西農(nóng)業(yè)大學軟件學院 山西省太谷縣 030801）

我國現(xiàn)有的蛋雞養(yǎng)殖業(yè)存在疫病防控、環(huán)境污染、蛋品質(zhì)量等安全問題，嚴重制約了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，已成為亟待解決的難題。目前蛋雞養(yǎng)殖場已采用傳感器檢測雞舍的溫度、濕度、光照及有害氣體濃度等環(huán)境信息，并對其進行實時控制[1]。本文就當前蛋雞養(yǎng)殖場通過先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、高壓靜電場技術(shù)、高效光譜補光技術(shù)、智能控制技術(shù)、多媒體技術(shù)、云計算等技術(shù)，設(shè)計了一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的畜禽智能監(jiān)測系統(tǒng)，采用氣體環(huán)境自動采集裝置，智能控制裝置和視頻多媒體裝置，實現(xiàn)了對蛋雞養(yǎng)殖場進行補光、除異味、除灰塵和精準控溫，實現(xiàn)蛋雞養(yǎng)殖場遠程、實時展示、信息預(yù)警和智能控制，達到精細化養(yǎng)殖、智能化管理[2]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用閉環(huán)控制的畜禽環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)由畜禽舍多點氣體信息自動采集裝置系統(tǒng)、畜禽舍物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)以及應(yīng)用系統(tǒng)組成。應(yīng)用系統(tǒng)又可分為：蛋雞舍外圍護結(jié)構(gòu)建筑材料數(shù)據(jù)庫查詢系統(tǒng)、雞舍“[”型濕簾布置與均勻通風技術(shù)、畜禽舍空氣電凈化自動防疫機、雞舍燈光色調(diào)控制設(shè)備4部分。該閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫查詢將4個應(yīng)用系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)查詢出來，匯總到畜禽舍多點氣體信息自動采集裝置系統(tǒng)中，最后再匯總至蛋雞舍物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)中，形成一個完整的閉環(huán)運行系統(tǒng)。此外數(shù)據(jù)庫查詢部分還可提供遠程查詢服務(wù)，根據(jù)用戶的需求向其提供各種時間維度的報表、圖形顯示以及各種權(quán)限控制。

2 系統(tǒng)詳細設(shè)計

2.1 氣體環(huán)境自動采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用負壓設(shè)計，可對進氣的流量進行實時監(jiān)測，以檢查系統(tǒng)是否存在漏氣情況，并可將檢測結(jié)果進行實時的顯示。該系統(tǒng)具有6個通道，分別對舍內(nèi)的6個點進行氣體等環(huán)境信息進行實時采樣，以滿足對現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測的需求。測試時，5個測點布置在舍內(nèi)，另外1個采樣點布置在舍外，其可以對舍外的氣體信息進行采樣，形成對照組。并通過系統(tǒng)采樣泵將采樣點的氣體抽到采樣管中，調(diào)控電磁閥及系統(tǒng)管路的開關(guān)，將需要測試的氣體輸送到氣體分析儀器中。整個系統(tǒng)的部件全部采用特氟龍材料或者特氟龍覆膜材料，以防止金屬部件與氨氣產(chǎn)生反應(yīng)從而對部件造成損壞以及影響測試結(jié)果的準確性。此外，氨氣易溶于水，而冬天在采樣管內(nèi)容易產(chǎn)生水汽冷凝，從而影響氨氣濃度測試的誤差以及冷凝水進入分析儀損壞儀器。因此為了避免冷凝現(xiàn)象的發(fā)生，在采樣氣體進入氣體分析儀器之前，系統(tǒng)會利用采樣器的加熱性能對氣體進行加熱。

圖1：系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 智能控制系統(tǒng)

2.2.1 溫度控制模塊

蛋雞最適宜產(chǎn)蛋的溫度是15～22℃，超過25℃時便會產(chǎn)生熱應(yīng)激反應(yīng)，嚴重時可以致雞死亡，一般每年6月下旬到9月上旬約3個月時間氣候炎熱，蛋雞會有不同程度的熱應(yīng)激，會對雞蛋產(chǎn)量造成嚴重影響[1][2]。當氣溫升高，雞的采食量減少，腸道對鈣的吸收率降低，高溫使雞呼吸加快排出二氧化碳增多，使血液中碳酸濃度下降，導致蛋殼變薄，因此雞舍要采取冬季保溫、夏季降溫的措施。

溫度控制分為夏季模式和冬季模式，通過在不同模式下所需的不同溫度條件，系統(tǒng)進行智能學習，自主建立一套控制模型，實現(xiàn)智能化控制。

夏季模式：空氣溫度傳感器實時采集上傳雞舍內(nèi)空氣溫濕度參數(shù)，當溫度高于規(guī)定值時，系統(tǒng)會指示智能控溫模塊依次打開雞舍兩側(cè)的通風窗，通過控制通風窗開啟幅度，來控制室內(nèi)的溫濕度。

如果氣溫仍然上升，通風窗全部打開仍然不能降低雞舍內(nèi)溫度，系統(tǒng)會指示智能控溫模塊，開啟1-2臺風機，同時亦能通過控制變頻模塊來控制風機轉(zhuǎn)速，以達到降溫效果。

若溫度繼續(xù)攀高，系統(tǒng)將順次增加風機開啟數(shù)量，同時開啟水幕通風口，通過控制水幕通風口水閘閥門開啟的大小，來控制冷空氣通氣量，實現(xiàn)降溫的目的；反之，溫度下降后，傳感器測量值降低，系統(tǒng)將指令發(fā)送給智能控溫模塊，依次關(guān)閉水幕、風機、通風窗等，通過閉環(huán)反饋指令，以達到智能控制雞舍內(nèi)溫度經(jīng)常保持在正常范圍內(nèi)的效果。

冬季模式：保溫的同時也不能忽略了通風，因為雞如果一直在一個密封的環(huán)境中，換氣量少、潮濕，雞舍內(nèi)會產(chǎn)生大量的有害氣體，很有可能會誘發(fā)雞得慢性呼吸道病。所以在保溫的前提下，應(yīng)注意合理通風。

當冬季雞舍氣溫低于蛋雞正常生產(chǎn)溫度時，控溫系統(tǒng)通過智能控溫模塊來控制鍋爐電磁閥的開啟大小從而達到控制溫度的效果。同時還能根據(jù)二氧化碳、氨氣、硫化氫、PM2.5、PM10等傳感器上傳的傳感數(shù)據(jù)分析判斷，適時開啟排風扇，增加空氣流通，保持空氣新鮮。智能溫控模塊如圖2所示。

2.2.2 光照控制模塊

蛋殼的主要成分是碳酸鈣，含量約占83～85%，蛋雞產(chǎn)蛋期每天攝入的鈣主要是滿足產(chǎn)蛋需要，一只雞每天約需鈣3～3.5克，攝入鈣過低過高都會影響蛋殼質(zhì)量，在機體內(nèi)鈣、磷的吸收總是協(xié)同的，所以適宜的含磷量可以促進鈣的吸收[2][3]。在育雛、育成期鈣磷比例約在1.5～2.0時鈣磷的吸收利用率最高，而光照作用可使皮膚中的7～脫氫膽固醇轉(zhuǎn)變?yōu)榫S生素D，促進鈣磷的吸收[5]。

下午雞舍內(nèi)光線強度低于設(shè)定值時，系統(tǒng)會指示光照控制模塊打開補光燈進行補光，到晚上要求雞休息，不需要補光時，系統(tǒng)將自動切斷補光燈電源。本系統(tǒng)可以控制補光燈打開時間、亮度百分比、運行天數(shù)等，以便更加精細化、智能化的調(diào)節(jié)雞舍內(nèi)光照強度，來增加雞對鈣磷的吸收，以達到提高產(chǎn)蛋率的效果。

2.2.3 空氣清潔模塊

當雞舍內(nèi)空氣中的二氧化碳、氨氣、硫化氫、PM2.5、PM10等濃度高于正常范圍時，系統(tǒng)會指示空氣清潔模塊開啟高壓靜電場，進行除塵除臭操作系統(tǒng)會控制風機開啟，將有害氣體排送出去，直到空氣濃度達到正常范圍，該系統(tǒng)自動關(guān)停。在除塵除臭的同時該系統(tǒng)還會電離氧氣產(chǎn)生臭氧，因為臭氧具有消毒滅菌的作用，所以還可同時達到消毒防疫的效果。

圖2：溫度控制模塊

2.3 視頻多媒體系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的畜禽智能監(jiān)測系統(tǒng)通過球型攝像機實現(xiàn)對養(yǎng)雞場內(nèi)部全方位的視頻監(jiān)控錄像，并將養(yǎng)雞場內(nèi)的溫度、濕度、有害氣體濃度、光照強度等數(shù)據(jù)在監(jiān)控中心的計算機上進行實時顯示，定期存儲。用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)直接登錄管理系統(tǒng)對養(yǎng)雞場內(nèi)的情況進行監(jiān)督和遙控。

通過在現(xiàn)場部署視頻監(jiān)控攝像頭，實時采集現(xiàn)場畫面，還可以預(yù)約設(shè)置多個設(shè)備、多個預(yù)置點、多個時間點，進行拍照保存，以方便記錄蛋雞的生長過程，也利于提取素材做課題研究。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

由示范點的實際建設(shè)工作情況可知，整個的閉環(huán)智能感知操控體系，重點對雞舍內(nèi)蛋雞飼養(yǎng)環(huán)境進行監(jiān)測，包括溫濕度、光照度、風速、二氧化碳、氨氣、硫化氫、PM2.5、PM10等數(shù)據(jù)的收集，并通過智能控制模塊實時控制通風口、風機、水幕通風口、高壓靜電場、鍋爐電磁閥、補光燈等設(shè)備。創(chuàng)建感知數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對空氣質(zhì)量的自動控制，以及蛋雞飼養(yǎng)繁殖的相關(guān)綜合信息推送。實現(xiàn)了實時展示、信息預(yù)警和智能控制，達到精細化養(yǎng)殖、智能化管理的目標。同時,加強場區(qū)安全防控，展示物聯(lián)網(wǎng)智能管理成果，打造物聯(lián)網(wǎng)智慧養(yǎng)殖示范基地。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)利用先進的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)，對雞舍中各項環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)控與調(diào)整，可達到對養(yǎng)殖場精細化養(yǎng)殖，智能化管理的目的。進而保證畜禽的生長發(fā)育，有效解決了當前養(yǎng)殖業(yè)存在的疫病防控、環(huán)境污染、蛋品質(zhì)量等安全問題，從而帶動當?shù)仞B(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，促進農(nóng)民增收。