基于Python和樹莓派的養殖環境監測系統開發

楊玉玲，陳永健，劉思雯，韋春波

（黑龍江八一農墾大學動物科技學院，黑龍江 大慶 163319）

隨著人工智能的發展與普及，智能化養殖模式也逐漸取代傳統養殖，全面的現代化養殖管理系統受到越來越多的養殖戶青睞。對于養殖業而言，除了動物的飼養條件，動物的生長環境與養殖戶管理方式同樣發揮著重要作用。良好的養殖環境不僅能保障動物的健康生長的環境，還為養殖場帶來更大的經濟效益。2020年，國外報道Python語言應用在生命科學畜牧養殖業中具有良好前景[1]。因此設計了基于Python和樹莓派的養殖環境監測系統，該系統利用Python語言攝取和采集相關數據，并傳入畜牧生產實時監測管理平臺，設置相應單元閾值，利用畜牧生產實時監測管理平臺進行參數對比。相應報警數據實時傳入監管者終端，實現數字化管理。該系統加強動物個體監護以及養殖生產的監測，解決了養殖現場生產狀態、動物個體實時數據以及養殖場壞境數據不能及時掌握等問題。通過畜牧生產實時監測管理平臺在“約養牧業”中的運用，可實現對畜舍環境的有效監控與運用，這不僅可以提高畜禽的生產性能，還可以減少資源浪費和降低勞動成 本，有力于推進畜牧業信息化發展進程，提高經濟效益。

1 養殖環境監測系統技術框架

采用Python語言樹莓派為控制單元的養殖場監測系統，該系統利用Python語言攝取和采集數據并傳入樹莓派，設置相應單元閾值，樹莓派進行對比參數并執行相關命令，通過物理、化學傳感器采集養殖場環境數據，耳環射頻紅外傳感識別動物個體并采集體溫數據[2]，音頻傳感器識別動物咳嗽頻率，并根據動物咳嗽頻率判斷是否發生呼吸系統疾病，若超過閾值，相應報警數據實時傳入監管者終端實現數字化管理[3]。通過改變養殖場既有條件，加強動物個體監護以及養殖場環境衛生監測，為更好的實現科學化、數字化、集約化養殖提供一個簡便科學的平臺。

2 養殖環境監測系統設計與實現

該養殖環境監測系統基于Python編程語言和樹莓派微型計算機為載體，整體由五個部分組成，即檢測部分，樹莓派處理控制部，效應器部以及Web服務器。如圖1所示是基于Python和 樹莓派的養殖環境監測系統開發的技術框架。

圖1 系統設計路線圖

2.1 檢測部分

該系統首先利用傳感器導入空氣溫濕度、光照、二氧化碳、氨氣等數據指標進入樹莓派并且直接在樹莓派中做出指令，其結果反饋到養殖戶管理者終端。其中視頻圖像部分的錄入可以讓養殖場的關鍵部位處于實時監測位置，養殖戶可以在手機或者移動顯示終端實時地觀看養殖場情況以及動物狀況。體重測量傳感器放置在養殖場關鍵部位[4]，可以是每個動物所必經的場所，例如水槽處，通道處等等。每只動物耳環上安裝一個的小型射頻ID卡芯片，如以牛為例，當牛經過體重測量處時，牛耳上的ID卡片就和附近的采集器感應，識別牛的編號并且觸發體重傳感器測量數據進入樹莓派并且上傳到樹莓派數據庫，當有許多只牛在一起影響體重測量時，感應器會自動終止測量，等待所測量處只有一只牛時再采集數據，這種命令在后期的Python編程中可以實現。飲水量采集可以通過飲水槽中水量的變化數據進行采集，所采集到的數據會及時的存入樹莓派數據庫，用戶可以后期自行導出數據生成統計圖。音頻分析傳感器可以采集動物聲音進行實時分析，這些都可以由樹莓派進行分析數據。傳感器將聲音信號轉化為電信號，臨床實驗發現動物發生呼吸道感染時咳嗽持續時間以及頻率高于其他動物，利用實時監測頻率信號對動物是否發生呼吸系統疾病進行預警，同樣采集器與接收器安裝在同一個地方，既可以識別出病畜編號也可以即使采集到數據上傳到樹莓派以及管理者終端。

2.2 樹莓派處理控制部

樹莓派作為搭載了ARM處理器的微型電腦主板，大小類似于一張公交卡[5]，它的硬盤內存為SD卡，周圍有三種版本的接口，即ModelA、ModelB、ModelB+，它具備了文檔處理、視頻播放等PC的基本功能，可連接鼠標、鍵盤和顯示器，便能在樹莓派上實現[6]。光感通過樹莓派處理部監測養殖場環境，同時樹莓派加載單元將傳感器測量的數據與編程設置的閾值對比，利用if語言編寫各項目的最大值最小值，一旦攝取的數據超出或低于設定值，將自動發出指令使效應器運行[7]。

2.3 效應器部

主要包括風機、濕簾、噴淋等控制以及遠程或定時加入飼料，水量等。通過實時數據的反饋，效應器部執行相應命令[8]。例如養殖場內部溫度過高時，效應器打開風機、濕簾和噴淋等控制系統，直至檢測部分爬取的環境參數至正常范圍內關閉。這些操作可以通過樹莓派發送紅外信號執行命令也可以扦插網線進行數據命令傳送，類似于遙控器。

2.4 Web服務器

Web服務器部由于樹莓派擁有網絡交互功能，整套系統可以進行網絡聯機并且網絡局域網共享數據。通過信息終端，可遠程實時地查看養殖場內的環境監測參數，通過該平臺實現自動控制和各類報警預警功能[9]。比如在手機安裝iTerminal軟件，在APP中輸入相應的IP地址以及密碼進行登錄并操作控制樹莓派。真正實現了人-樹莓派-養殖場實時一體化的目標，使各個養殖場的管理更加適合自身特點，探索出各具特色的精準化管理模式[10]。

2.5 系統實現

同現有的基于Labview、ZigBee等養殖環境監測系統相比，該系統最大的優勢在于投入成本低，易于操作。樹莓派是一種價格實惠，體積小的迷你計算機，其中樹莓派4代被譽為世上最流行最便宜的小型電腦[11]。同時，樹莓派所運用的Python語言具有清晰的語法、良好的可靠性和易用性，兩者的結合使其在各行業領域發揮著重要作用，目前基于Python和樹莓派擴展的系統已在安防門禁[12]、交通紅路燈[13]、人體隨動測溫[2]等實際應用中取得良好效果。

3 小結

利用基于Python和樹莓派的畜牧生產實時監測管理平臺在畜牧業中的運用，首先能解決養殖場生產的可視化問題，實現個體養殖場的數字化，智能化和可視化；二是通過該系統為動物生產科研等途徑提供了直觀的數據采集方法；三是通過該改良的系統處理終端大大地降低了養殖場的監測成本同時提高了養殖場的信息采集效率以及提供危險預警等途徑；四是將監測管理平臺收集的數據實時、準確的輸送至養殖戶端，具有高效，安全等優勢。

高效、智能、實時的養殖模式在畜牧生產實踐中得到越來越多的運用，基于Python和樹莓派的養殖環境監測系統對養殖場的環境和動物的基本情況進行遠程精準監測，將數據實時輸送到養殖戶手中，從而構建了實時的智能化環境監測管理平臺，解決了養殖場現在環境監測條件差的問題，加強了動物個體監護，實現了對養殖環境的智能化監測與控制。