基于物聯(lián)網(wǎng)的畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

郭映瀅，童長衛(wèi)

（古田干部學(xué)院，福建 龍巖 364000）

1 畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用監(jiān)管系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)

1.1 畜禽養(yǎng)殖管理信息化現(xiàn)狀

目前縣級管理部門對畜禽養(yǎng)殖場的管理基本處于人工階段。相關(guān)管理部門對政策的宣傳、執(zhí)行及檢查必須到達(dá)現(xiàn)場，養(yǎng)殖戶現(xiàn)場狀況無法實時監(jiān)管，更無法實現(xiàn)養(yǎng)殖廢棄物收集、運(yùn)輸及處理的全過程精細(xì)化管理[1]。現(xiàn)場執(zhí)法成本高昂。因此，近些年都開展畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用監(jiān)管系統(tǒng)的建設(shè)。

1.2 畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用監(jiān)管系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求

（1）養(yǎng)殖場信息管理需求。完整備案養(yǎng)殖場基礎(chǔ)信息，建立信息平臺，落實養(yǎng)殖檔案管理，落實養(yǎng)殖場飼養(yǎng)的品種、存欄、年出欄、消納地等基礎(chǔ)信息。

（2）監(jiān)管需求。

①對養(yǎng)殖場現(xiàn)場用水量、糞污處理情況進(jìn)行監(jiān)管，確保進(jìn)行無害化處理。②備案登記養(yǎng)殖場的資源化利用設(shè)施，對養(yǎng)殖場廢棄物的資源化利用模式、效應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計、分析和詳細(xì)監(jiān)管，對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)管，獲取設(shè)備運(yùn)行信息。③對第三方處理企業(yè)進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)管，視頻影像采集，對廢棄物運(yùn)輸車輛行駛路徑、數(shù)量的管理。④針對種養(yǎng)結(jié)合機(jī)制，對第三方廢棄物處理的種植企業(yè)的消納地、配肥池、儲液池進(jìn)行監(jiān)控，做好有機(jī)肥替代化肥的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

（3）數(shù)據(jù)分析需求。根據(jù)全域的資源化利用率，對畜禽廢棄物資源化設(shè)備裝備配套率、使用率等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，可以按日、月、年進(jìn)行考評分析。

1.3 畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用監(jiān)管系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)

項目總體目標(biāo)是依托互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)構(gòu)建統(tǒng)一的畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用監(jiān)管系統(tǒng)。依托系統(tǒng)一方面可以為養(yǎng)殖戶提供直達(dá)的宣傳通道與便捷的申報渠道，另一方面通過全過程記錄養(yǎng)殖廢棄物處理、運(yùn)輸和資源化利用等情況，降低執(zhí)法成本，規(guī)范執(zhí)法行為，實現(xiàn)精細(xì)化管理。

2 畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用處理模式主要有種養(yǎng)結(jié)合、清潔回用、達(dá)標(biāo)排放三種模式。流程如下：

①畜禽養(yǎng)殖廢棄物收集。對養(yǎng)殖場產(chǎn)生的糞便、糞水和污水集中收集。②初步處理。養(yǎng)殖企業(yè)一般采用干濕分離和固液分離，使分離出的固態(tài)糞污進(jìn)入發(fā)酵塔、發(fā)酵床或在堆肥區(qū)域進(jìn)行堆漚、拌輔料、烘干等處理。液態(tài)糞污可直接灌溉或進(jìn)行后續(xù)處理。③運(yùn)輸。④深化處理。

畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用監(jiān)管系統(tǒng)圍繞廢棄物的產(chǎn)生、收集、初步處置、運(yùn)輸、后續(xù)處理全過程進(jìn)行。

系統(tǒng)包括：前端數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、 監(jiān)管（指揮）中心、智能管理平臺等四大部分。

2.2 前端數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 養(yǎng)殖場數(shù)據(jù)采集

（1）采集設(shè)備。通過在養(yǎng)殖場加裝帶遠(yuǎn)傳能力的電表、水表及污水表，同時，在場內(nèi)生產(chǎn)區(qū)加裝帶遠(yuǎn)傳能力的沖洗用水表、養(yǎng)殖飲用水表和環(huán)保設(shè)備電表、發(fā)酵床電表，區(qū)分出生產(chǎn)性用水、用電情況，達(dá)到飲污分離，還可以及時掌握企業(yè)實際生產(chǎn)經(jīng)營情況。

①遠(yuǎn)傳電表：在環(huán)保處理設(shè)施、發(fā)酵床、抽污泵等用電口處加裝具有電力線載波、RS485或LoRa等通信能力的電表，實時監(jiān)測生產(chǎn)用電情況。②遠(yuǎn)傳水表：遠(yuǎn)傳水表與監(jiān)管中心之間可通過LoRa、M-BUS或RS-485等方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、采集。系統(tǒng)實時監(jiān)測每臺水表的瞬時流量、累積流量、日用水量，同時根據(jù)水表的用水類型及供水管網(wǎng)實際連通情況自動核算出生產(chǎn)用水?dāng)?shù)據(jù)。③污水口監(jiān)管點：在養(yǎng)殖場排污口前端加裝具有LoRa、M-BUS或RS-485數(shù)據(jù)通信能力的污水流量計對排污進(jìn)行實時監(jiān)測，同時，在糞污池安裝液位計以監(jiān)測糞污池水位。

在污水口同步加裝具有云臺功能的視頻監(jiān)控設(shè)備，該設(shè)備先接入本地NVR，再通過寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入后臺監(jiān)管中心。

圖1 前端數(shù)據(jù)采集

（2）固態(tài)糞污分離及發(fā)酵場的監(jiān)管。養(yǎng)殖企業(yè)一般采用干濕分離和固液分離裝置兩個過程分離出固態(tài)糞污。通過將糞污固液分離裝置的動力箱更換為具有LoRa或RS485連網(wǎng)能力的動力箱實現(xiàn)與監(jiān)管中心的數(shù)據(jù)交互，采集固液分離裝置的啟停時間。同時，在固液分離場、發(fā)酵場等區(qū)域加裝視頻監(jiān)控。

（3）液態(tài)糞污的監(jiān)管。液態(tài)糞污的處理方式主要包括。

①本地山林灌溉：適用于養(yǎng)殖場周邊具有山林農(nóng)作物的場景。②異地山林灌溉：利用專用轉(zhuǎn)運(yùn)車輛將液態(tài)糞污轉(zhuǎn)運(yùn)至異地山林灌溉點。③進(jìn)入環(huán)保處理設(shè)施后端環(huán)節(jié)繼續(xù)處理。

針對開展本地山林灌溉或利用轉(zhuǎn)運(yùn)車輛的場景，在液態(tài)取污口加裝具有LoRa或RS-485聯(lián)網(wǎng)能力的污水流量計，將液態(tài)糞污的流量數(shù)據(jù)實時采集至監(jiān)管中心，這些數(shù)據(jù)同時與山林灌溉監(jiān)管點及轉(zhuǎn)運(yùn)車輛監(jiān)管實現(xiàn)聯(lián)動。同時，在液態(tài)糞污抽取點加裝視頻監(jiān)控裝置。

（4）環(huán)保處理設(shè)備的監(jiān)管。對環(huán)保處理設(shè)施中涉及的提升架、曝氣機(jī)，紫外殺菌等設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)管。

（5）養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)管及自動化調(diào)控。在養(yǎng)殖場現(xiàn)場部署智能控制箱實時監(jiān)測養(yǎng)殖環(huán)境中的溫度、濕度、氨氣濃度等環(huán)境參數(shù)，不僅可根據(jù)事先制定的環(huán)境調(diào)控規(guī)則自動驅(qū)動養(yǎng)殖場中的風(fēng)機(jī)、水簾等設(shè)備進(jìn)行環(huán)境的自動調(diào)節(jié)，還可將這些數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)管中心，相關(guān)人員通過計算機(jī)、手機(jī)等可實現(xiàn)如下功能。

①遠(yuǎn)程監(jiān)視：實時監(jiān)測養(yǎng)殖各項環(huán)境指標(biāo)，水簾、風(fēng)機(jī)等工作狀態(tài)。②遠(yuǎn)程配置：調(diào)整環(huán)境控制規(guī)則或選用專家推薦的控制模型。③遠(yuǎn)程遙控：將現(xiàn)場切換為手控模式，遠(yuǎn)程開啟或關(guān)閉現(xiàn)場的相關(guān)設(shè)備。

2.2.2 視頻監(jiān)控

在各重要監(jiān)控點（如養(yǎng)殖場大門、儲糞棚、發(fā)酵床、儲液池）安裝視頻監(jiān)控裝置實現(xiàn)可視化管理。

2.3 傳輸子系統(tǒng)

由于電表、水表、流量、水位等數(shù)據(jù)量較小，而且要求實時傳輸，因此，采用4G卡的方式將采集數(shù)據(jù)直接傳送到智能監(jiān)管平臺。而視頻信息數(shù)據(jù)量較大，采用寬帶互聯(lián)網(wǎng)的方式實現(xiàn)傳輸。同時，由于互聯(lián)網(wǎng)的不可靠性，要求具備視頻的本地存儲及自動恢復(fù)上傳功能。

2.4 監(jiān)管（指揮）中心建設(shè)

（1）會議功能：具備顯示大屏及會議音響設(shè)備，能召開一般會議。

（2）顯示功能：通過與平臺的對接顯示養(yǎng)殖場、種植場、車輛軌跡等各種實時數(shù)據(jù)。

（3）日常監(jiān)管與指揮調(diào)度功能：同步實現(xiàn)巡查、監(jiān)督、管理、統(tǒng)計和調(diào)度指揮功能。

2.5 畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用智能管理平臺設(shè)計

2.5.1 可視化視頻管理系統(tǒng)

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層：包括彈性可伸縮的服務(wù)器、存儲設(shè)備、平臺軟件部署環(huán)境以及可按需擴(kuò)展的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

（2）數(shù)據(jù)服務(wù)層：整合前端產(chǎn)生的視頻數(shù)據(jù)以及基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，匯聚所有前端及后端智能分析產(chǎn)生的智能數(shù)據(jù)。

（3）平臺服務(wù)層：提供基礎(chǔ)服務(wù)能力、智能服務(wù)能力以及服務(wù)接口。

（4）應(yīng)用服務(wù)層：構(gòu)建面向不同場景的應(yīng)用，包括基礎(chǔ)應(yīng)用、智能應(yīng)用、運(yùn)維管理應(yīng)用。

2.5.2 畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用云智慧管理系統(tǒng)

2.5.2.1 系統(tǒng)主要功能

（1）養(yǎng)殖戶源頭管控。通過前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備與監(jiān)控設(shè)備，結(jié)合電子地圖直觀地反應(yīng)各區(qū)源頭點和消納點所在位置發(fā)生的實時狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)置預(yù)警規(guī)則，超出預(yù)警值實現(xiàn)分級信息提醒，如報警、提醒、警告、事件視頻證據(jù)留存。

（2）清運(yùn)單位管理。采用GIS定位技術(shù)對清運(yùn)線路、清運(yùn)車輛進(jìn)行管理。對需要清運(yùn)廢棄物的養(yǎng)殖戶及時安排清運(yùn)車輛，清運(yùn)車輛根據(jù)事件領(lǐng)取任務(wù)，按照管理規(guī)范執(zhí)行清運(yùn)任務(wù)，清運(yùn)路線留痕保存。在整個處置過程中，養(yǎng)殖戶、運(yùn)輸車輛、種植戶及有機(jī)肥場等各方按規(guī)程執(zhí)行多方信息聯(lián)動，實現(xiàn)全流程閉環(huán)管理。

（3）可視化管理－－信息集成“一張圖”。一張圖管理是可視化監(jiān)管平臺的重要組成部分。可視化不僅是設(shè)備狀態(tài)、監(jiān)控數(shù)據(jù)和監(jiān)控視頻的實時統(tǒng)計數(shù)據(jù)展示，而且可展示各場所、設(shè)備在空間地理位置上的分布情況。

①監(jiān)測設(shè)備信息及實時數(shù)據(jù)查看：一張圖針對實時監(jiān)控的各類型設(shè)備分層的數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息進(jìn)行匯總展示。

②圖層控制：通過圖層控制可分類別選擇查看養(yǎng)殖場、種植場、有機(jī)肥場、山林灌溉點、水表、電表、污水表、視頻監(jiān)控、固液分離裝置、環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、環(huán)保處理設(shè)備等的所有數(shù)據(jù)。

2.5.2.2 軟件體系架構(gòu)

圖2 軟件體系架構(gòu)圖

3 監(jiān)管系統(tǒng)的實現(xiàn)

福建連城縣農(nóng)村農(nóng)業(yè)局，為貫徹落實《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》（國辦發(fā)〔2017〕48號）[2]、《福建省人民政府辦公廳關(guān)于印發(fā)福建省畜禽糞污資源化利用整省推進(jìn)實施方案（2019—2020年）的通知》等文件精神，加快推進(jìn)畜禽糞污資源化利用工作，于2021年底投入366萬元，建設(shè)縣級“畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用智能管理系統(tǒng)”[3]。該系統(tǒng)在全縣40家養(yǎng)豬場、10家種植園、2家有機(jī)肥廠、6輛運(yùn)污車，通過4G網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)將前端數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)中心及監(jiān)管中心。在數(shù)據(jù)中心配備萬兆核心交換機(jī)、視頻應(yīng)用服務(wù)器、視頻流媒體服務(wù)器、視頻存儲設(shè)備、管理服務(wù)器搭建糞污資源化利用智能管理平臺。該平臺軟件主要包括資源化數(shù)據(jù)申報管理客戶端APP、養(yǎng)殖（種植）場信息管理模塊（含有機(jī)肥場）、畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化數(shù)據(jù)分析模塊、系統(tǒng)配置管理模塊、GIS地理信息管理模塊及智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理模塊等。該系統(tǒng)的建設(shè)對實現(xiàn)全縣畜禽養(yǎng)殖污染源全流程管控可視化管理、養(yǎng)殖規(guī)范管理、養(yǎng)殖規(guī)劃的科學(xué)管理以及提升農(nóng)業(yè)精細(xì)化管理水平具有重要意義。■