中小規模禽舍適用的無線環境監控系統設計*

楊東軒，張建偉，張剛剛，侯堃

(1.北京工商大學農產品質量安全追溯技術及應用國家工程實驗室，北京市，100048；2.北京市畜牧總站，北京市，100107；3.首都師范大學數字校園建設中心，北京市，100048)

0 引言

物聯網技術是現代農業走向精細化和信息化的重要手段，已廣泛應用于種植業、水產業以及畜牧業等領域。其中應用于禽舍環境的監控系統能夠有效提高肉禽或蛋禽的個體健康和生產效率[1]。盡管此類系統技術先進且功能完善，但因其普遍的高造價和復雜的部署方式對于中小規模禽舍而言投入大、風險高，因此較難廣泛地落地推廣。沈翠鳳[2]基于LoRa技術，提出了從感知層采集各項參數后傳輸給遠程后端系統的方案，但該方案需在現場環境中部署多個LoRa匯聚節點以及互聯網網關，且需租用云端服務器，一次性投入和長期維護成本均較高。張紅欣[3]采用多頻段無線模塊結合氣體傳感器的方案實現了禽舍環境的監控，但沒有說明其系統性能和成本。任玲[4]和徐光[5]等提出了一種利用ZigBee技術設計的禽舍環境監測系統，但是該方案在網絡部署方面需要額外部署轉換網關，提高了系統復雜度和成本。還有研究利用NB-IoT等窄帶技術實現監測方案，但該類方案需要長期支付窄帶通信費用[6]。陳羊陽等[7]設計的家禽管理系統具備完善的監測方案，但其僅從管理層面提高了生產效率，未使用環境數據對環控裝置進行管控。本文提出的環境監控系統利用低功耗Wi-Fi技術設計了禽舍環境監測器，使用子任務同時處理傳感器調零和網絡連接等耗時操作，提高了硬件運行效率。系統采用低成本的樹莓派單板電腦作為業務服務器，基于Spring Boot框架實現了用戶服務接口和自動控制策略，采用Pi4J硬件接口庫實現對環控設備的實時控制。通過在實際禽舍環境中的長期試驗運行，驗證了系統的有效性。

1 系統架構與原理

1.1 禽舍監控系統架構設計

本文提出的禽舍監控系統結構方案基于物聯網體系架構，包含感知層、網絡層和應用層[8]。系統的架構如圖1所示，虛線框體代表了系統的三個主要組成部分。其中，感知層由本文設計的若干個低功耗Wi-Fi環境監測器構成，負責對禽舍內的主要環境參數進行采集，是整個系統的關鍵部分。盡管目前大部分規模化運作的禽舍都具有環境監測器等相關設備，但是其僅具有環境數據采集和展示的功能[9]，不能直接應用于本文設計的監控系統。本文設計的監測器，作為系統中的底層設備，僅需要實現低功耗無線傳輸和精準的數據采集即可，無需實現數據的處理、運算和展示等額外功能，因此其具有低功耗和低成本的優勢。

圖1 系統架構圖

網絡層是系統中數據傳輸和信息交換的中樞部分，傳統的物聯網體系架構將網絡層的研究重點聚焦于范圍可擴展、傳輸距離遠和自組網等特點上[10]。而本系統針對中小規模禽舍的特定環境，提出了網絡層只要滿足低數據傳輸率、低功耗和易于組網等特性即可。因此在底層設備的網絡接入方面，采用了大部分養殖場已經具備且更加成熟的2.4 GHz頻段Wi-Fi無線路由器進行組網。在該網絡環境的基礎上，監測器和服務器之間采用MQTT消息傳輸協議的發布和訂閱機制，實現采集數據和控制參數的傳輸。

應用層位于系統的頂層，通過網絡層提供的MQTT服務與感知層的環境監測器進行信息交換。其中業務服務是核心部分，通過I/O接口控制禽舍內環控設備的運作，對禽舍外部通過以太網提供用戶接口服務，禽舍管理員在養殖場內部、外部均能查看和控制系統的運行。

1.2 系統部署及運行原理

為了降低養殖場的使用成本和不影響正常的生產流程，本系統不對禽舍內部現有的環境監控設備進行改造。如圖2所示，無線環境監測器懸掛于養殖架首尾端等靠近底部糞坑的位置，采集并上報該位置的氨氣濃度、硫化氫濃度、二氧化碳濃度以及溫濕度等環境數據。由于該監測器通過Wi-Fi進行通訊，因此兼容大部分使用IEEE802.11標準的無線路由器，無需采購或定制開發基于其他物聯網通訊協議(ZigBee、6LoWPAN等)的專用網關。使用基于ARM架構的樹莓派單板電腦作為系統的服務器，該設備可以運行基于Linux系統的Raspberry Pi OS操作系統[11]。該設備相比于高性能的通用服務器而言雖然在處理性能上有一定的限制，但其優點在于同時兼備一定的運算能力和硬件接口控制能力，且設備具有能耗極低、成本低廉的特點。系統使用該設備運行MQTT消息轉發服務器和監控系統業務服務器等應用層程序。將該單板電腦安裝部署于禽舍內部的電源箱旁邊，通過板載的RJ45以太網接口接入禽舍內部局域網實現網絡通信。應用層程序根據感知層采集的環境參數計算控制模式，最終由樹莓派的硬件I/O接口控制繼電器模塊對禽舍內的排風扇、水簾和暖風機等設備實施通斷電源的操作。由于整套系統可以實現PID閉環自動控制，因此用戶無需主動關注禽舍內的環境情況。當禽舍內的環境情況達到預設報警值時，服務器的接口服務會向禽舍管理員發送短信進行告警。表1給出了本系統中監測器所采用的主要傳感器硬件的相關性能參數。

圖2 系統部署示意圖

表1 傳感器性能參數

2 禽舍環境監測器設計

2.1 硬件電路設計

無線環境監測器是禽舍環境監控系統的關鍵組成部分，其中負責氣體濃度采集的信號處理電路和無線微控制器電路是硬件設計的重點。分別采用型號為ME3-NH3和ME3-H2S的傳感器采集氨氣和硫化氫濃度。二者同為3引腳結構的電化學(EC)傳感器，其內部通過與被測氣體發生氧化還原反應而產生微弱電流，因此需要設計信號處理電路將該微弱信號轉換成電壓信號。由于傳統設計方案使用獨立元器件構建信號處理電路的恒電位、I/V轉換和短路保護等模塊，因此電路的整體性能易受不同元器件的個體差異影響，對校準時的調零操作帶來不便。本文使用先進的AFE電路方案，選用型號為LMP91000的集成IC處理傳感器輸出的信號。通過其內部的可編程偏置電壓和跨組增益模塊，將微弱電流信號放大至可識別的電壓信號，電路原理圖如圖3所示。

圖3 LMP91000電路原理圖

采用型號為CC3200的微控制器(MCU)作為監測器的核心處理單元和無線收發單元。該控制器是基于SimpleLink技術實現的低功耗Wi-Fi微控制器，在具備ARM Cortex-M4內核的同時，還集成了負責無線通訊的2.4 GHz頻段收發器。相比獨立設計處理器和無線收發器的方案[12]，本監測器的核心電路可進一步精簡，從而增加電路的穩定性。

電路設計如圖4所示，除了用于射頻信號的帶通濾波電路，其優勢還在于無需使用額外的元器件便可以直接通過I2C總線接口與傳感器模塊進行通訊。其他用到的引腳還包括用于采集氣體濃度和電池電壓等模擬信號的A/D輸入、用于控制監測器換氣風扇的PWM輸出以及控制I2C芯片使能的數字I/O。二氧化碳傳感器和溫濕度傳感器的型號分別為SGP30和SHT31，均使用I2C總線與微控制器進行通訊，無需占用更多引腳。

圖4 微控制器電路原理圖

2.2 軟件程序設計

監測器的軟件開發基于FreeRTOS實時操作系統，如圖5所示。

(a)傳感器調零任務

為了提高運行效率，軟件創建了兩個子任務，分別執行MQTT客戶端任務和傳感器調零任務。傳感器調零任務耗時較長，因此在硬件上電后只運行一次，調零結束后將傳感器的相關調零參數存入Flash存儲器，以避免因意外重啟而造成的數據丟失。在運行調零任務的同時，MQTT客戶端任務并行處理網絡認證和服務器連接操作，待成功連接至服務器后便進入循環采集周期。至此監測器開始循環執行數據采集、消息發送及接收和系統休眠操作，在休眠期間大部分硬件電路停止運行，只保留運行微控制器的睡眠時鐘，因此可最大程度地降低硬件功耗。

3 服務器端設計

3.1 業務邏輯

服務器端的硬件載體為樹莓派單板電腦，在其系統中運行多個服務程序。首先為監控系統中監測器和業務服務之間的通訊提供MQTT消息轉發服務。考慮到單板電腦的處理能力有限，選用輕量級的開源軟件Mosquitto作為MQTT通訊協議中的轉發服務器(Broker)。

其次，作為MQTT通訊協議中的訂閱者(Subscriber)，該單板電腦中運行的業務服務需要接收來自消息發布者(Publisher)環境監測器的采集數據，并將數據寫入到MySQL數據庫。然后，業務服務根據歷史和實時的禽舍環境數據，使用多路PID控制模型分別將每種環境參數作為輸入變量，將計算得出的結果根據權重系數進行加權平均處理，最終做出是否開啟或關閉排風扇、水簾或暖風機等設備的決策。若計算結果超出用戶設置的閾值，則通過短信平臺接口發送報警短信給用戶。業務服務基于Spring Boot框架設計，使用跨平臺語言Java編寫。在定時執行傳感器數據存儲和PID控制等業務服務的同時，還通過RESTful風格API為用戶提供HTTP接口。服務器端的程序結構如圖6所示，用戶登錄及監控界面如圖7所示。

圖6 服務器端業務流程

(a)監測器節點列表界面

3.2 設備控制方法

為了對禽舍內現有設備的220 V交流電源進行開關控制，需要使用繼電器模塊來實現小電流驅動大電流。樹莓派單板電腦對外提供多種I/O引腳，可用于控制各種硬件模塊，從而節約傳統控制系統中需要額外設計的微控制器硬件的成本。服務器的業務邏輯采用Java語言編寫，因此選取Pi4J庫函數對GPIO引腳進行控制，該庫函數是針對樹莓派硬件以Java語言實現的，可直接由Spring Boot框架調用。排風扇控制示意圖如圖8所示，從樹莓派的擴展引腳分別引出5 V、GND以及I/O引腳至繼電器模塊的電源和信號輸入。再將繼電器的公共COM端接入排風扇電源的火線端，在繼電器的常開NO端和排風扇的電源零線接入端之間加入市電插頭并接至供電箱。使用Pi4J庫提供的GpioPinDigitalOutput類控制數字引腳輸出高低電平，從而實現排風扇的啟動和關閉。

圖8 排風扇控制示意圖

4 測試方法與分析

系統的測試運行包含實驗室環境中的監測器硬件調試和禽舍現場環境進行的實地長期測試，現場環境為位于北京市平谷區內的某一小規模蛋雞養殖場。環境監測器的性能決定系統感知層的可靠性，因此需要對系統中監測器的運行功耗和環境數據的采集準確性進行測試。首先在實驗室環境運行該設備，使用型號為RIGOL DM3058E的精密電流表實時記錄監測器在周期性數據采集過程中的運行電流，電流表可以將連續采集的電流值通過存儲設備導出為歷史記錄。如圖9所示，根據記錄繪制出監測器在一個氣體濃度采集周期下的電流曲線，可知監測器在睡眠模式時運行功耗最低，電流僅為330 uA；以120 s為周期出現的65 mA 波峰是溫濕度傳感器運行時的電流；氣體濃度的采集點出現在風扇運行結束之后，可明顯地看出在最高電流280 mA之后出現的68 mA波峰即為氣體濃度采集時的電流。試驗表明，該設備的平均運行電流為1.04 mA，通過延長監測器的睡眠時間，可進一步降低設備的平均運行電流。根據電荷量庫倫算法t=Q/I可知，其中I為平均運行電流，采用一塊電池容量為Q=22.4 Ah的鋰電池，可計算出監測器以電池供電時可以連續運行897 d。

圖9 采集周期電流曲線

為了驗證監測器采集數據的準確性，在本文試驗中使用了多種工業用途的手持檢測儀的檢測結果作為對照組，在實際環境中連續記錄環境數據并與監測器采集的結果進行對比。表2給出了同一試驗環境下，本監測器采集值與對照組的平均相對誤差，以及對照組手持檢測儀的具體型號。試驗結果表明，本文設計方案的監測結果符合《GB 12358—2006》國家標準中對于有毒氣體檢測誤差的要求。結合表1給出的該監測器所用傳感器的硬件相關參數，可見在采集性能接近的情況下本監測器的實現更具性價比。

表2 采集值與真實值平均相對誤差對比

通過對比兩組蛋雞舍的長期運行狀況來驗證本禽舍環境監控系統的總體運行效果。如圖10所示，選定的該養殖場具有兩棟同等規模的雞舍，該雞舍大致呈東西走向，寬度約為15 m，長度約為75 m。其內部布局也基本一致，分別具有4組養殖架、養殖架下面是裝有刮糞器的糞坑和5條過道。雞架西面盡頭的墻上裝有5組排風扇，東面則是4組水簾分別正對每組雞架，除此之外還具有暖風機、軌道式飼料喂撒器和藥水噴淋器等設備。

圖10 雞舍所在地衛星地圖

兩組試驗雞舍的飼養品種同為海蘭褐殼蛋雞，其中一組雞舍保持原有設備和人工操作方式不變，另一組雞舍部署本文設計的環境監控系統。部署方式為分別在養殖架的首尾端懸掛無線監測器，如圖2所示；對排風扇、水簾、暖風機等環境控制設備的供電箱加裝繼電器控制模塊，并由樹莓派服務器端的數字I/O引腳控制；服務器與監測器間通過雞舍內現有的Wi-Fi無線路由器實現數據通信。系統測試運行始于2019年6月，數據統計結束于2020年7月，共計378個自然日。該品種蛋雞飼養周期一般為500 d左右，因此試驗時間段覆蓋了飼養周期的大部分時間。表3給出了兩組試驗蛋雞舍的對比數據，分別對比了起始和結束時的總體耗電量以及雞只淘汰數量等參數。由耗電量對比可知，該養殖場在使用本環境監控系統的情況下，單一雞舍可節約用電2 656 kW·h，節電率約為7.71%。由雞只淘汰率對比可知，由于系統可及時地自動啟動減排和控制溫控裝置，提高了禽類的生存率。

表3 雞舍的耗電與雞只存活數量對比

5 結論

設計并實現的禽舍環境監控系統包含低功耗W-Fi環境監測器、低成本業務服務器以及相應的監控程序。

1)部署簡便，僅需要部署環境監測器、樹莓派單板電腦和對應環控設備的控制繼電器即可，禽舍內其他已有的環控設備可直接利舊。硬件成本低，系統中的無線監測器無需配置專用頻段和協議的網關，可接入以太網環境，且服務器端硬件運行于禽舍內部從而不需要在云端托管，對于中小規模的禽舍來說一次性投入成本少，無需支付服務器托管費。

2)高有效性，經過長時間的運行測試對比，由于禽舍的各種環境控制設備可以實現自動化運行，因此能夠在節約人力成本的同時節約更多電力成本，年節電率為7.71%。由于系統可以持續改善禽舍內的溫濕度和空氣質量等環境，提升了禽類的動物福利，使得淘汰率降低0.8%。