基于物聯網技術的生豬運輸環境控制系統設計

范毓升，楊正乘，施沁希

(南京農業大學 信息管理學院，江蘇 南京 210095)

0 引言

2022年中央一號文件指出大力推進智慧農業發展，促進信息技術與農業鄉村的融合。我國當今生豬養殖產業，也已初步實現了智慧化、規模化養殖。但是產業結構上呈現出省際和省內的供給與需求在地域上不匹配的現象[1]，衍生出生豬運輸這個生豬產業鏈上的重要一環。生豬運輸是指運輸活體豬，包括仔豬、種豬、出欄豬等的農牧運輸物流。生豬運輸構建了生豬產業鏈環節之間的系統銜接，向上對接生豬養殖端，向下溝通屠宰分銷，面向市場、消費者。

然而在其運輸過程中，豬所處的環境不可避免地與養殖環境發生了劇烈變化，引起生豬在運輸過程中的應激反應。運輸應激會使豬肉的pH和系水力發生顯著變化，從而產生PSE肉，降低豬肉品質[2]，同時也有可能導致生豬減重甚至死亡，還會損害動物福利[3]。這些會影響生豬銷售價格，增大了生豬運輸損耗成本，不利于生豬產業整體的可持續發展。在非洲豬瘟疫情常態化防控中，運輸過程實現生物安全的監控溯源是穩定生豬供給和保證生豬價格平穩的重要影響因素[4]。因此，如何有效地監控并控制生豬運輸過程中的環境，已成為以生豬運輸為代表的農牧物流中研究的熱點問題。

隨著物聯網、大數據、人工智能等一系列信息技術的廣泛應用和迅猛發展，“互聯網+”與各行各業的深度融合，針對上述運輸中環境引起的生豬應激問題，國內外學者應用物聯網技術對生豬運輸環境進行了以下研究。1998年國外學者Geers等[5]首次提出對運輸環境的在線監測這一概念，利用遙感和無線通信技術，實現了動物疾病預防及控制，并檢測運輸過程中的動物福利。李煒恒等[6]將ARM控制器和ZigBee網絡應用于接收牲畜電子標簽和體質監測傳感器，實現對生豬運輸環境的監控。

然而，目前對生豬運輸過程的調節依然主要依靠監控系統報警后的司機手動調節或管理人員遠程控制，缺乏及時性和專業性，還可能會影響駕駛員的注意力。因此，本文從先前研究基礎上提出了基于物聯網技術獲取生豬在運輸過程中的實時狀態，并通過空調、風機、濕簾等相關設備的自動開關來控制運輸環境，使運輸環境保持適宜穩定，以期減少生豬運輸中的應激損耗，提高動物福利，為生豬運輸管理智能化決策提供參考。

1 生豬運輸控制系統的構建

1.1 運輸應激環境因子分析

運輸過程有極其復雜的應激源，對于運輸環境中影響生豬應激以及豬肉品質的因素，田寒友等[7]從運輸的時間和溫度角度，研究了運輸時間小于6 h，運輸溫度為10～20 ℃，對防止生豬運輸應激及改善豬肉品質有顯著性作用。Harmon等[8]對斷奶仔豬在運輸車上不同位置和裝載密度下的死亡率的研究得出，季節和溫度對同一輛車上層和下層的豬應激狀況并不相同，有顯著性差異。Zhao等[9]研究發現運輸到達時的死亡率，會因生豬品種不同而受到影響，斷奶豬的死亡率往往高于育肥豬，更易受到運輸環境影響發生應激。同時溫度和相對濕度、二氧化碳、氨氣濃度等多種環境因素之間也存在耦合關系，共同作用危害生豬健康。此外，在運輸過程中，養殖基地較為偏遠，道路基礎設施不完善、流通性差，車輛顛簸、急剎，道路上的噪聲均是導致生豬運輸中應激的因素。

綜上所述，考慮到運輸車輛的環境限制和成本控制以及其動態性的特點，與養殖端的精細化智能環境控制系統相比需要縮小化和簡約化，筆者查閱相關文獻綜合生豬適宜的環境參數考慮，選擇溫度、濕度、氨氣、二氧化碳濃度作為環境因子對其進行控制調節，減少生豬運輸中的應激。

1.2 生豬運輸環境控制系統框架

基于物聯網技術的生豬運輸環境控制系統由感知層、網絡層、應用層3個部分所組成，實現了對運輸車輛環境的智能控制和遠距離管理[10]。系統的設計概念如圖1所示。

圖1 生豬運輸環境控制系統體系框架

感知層主要是由氣體傳感器、溫濕度傳感器、紅外攝像頭等感知智能化設備構成的傳感器網絡，通過收集運輸生豬的環境信息，并用網絡層將信息傳輸到ZigBee模塊，該模塊有低功率可休眠的優點并可以實現短距離無線組網，經過網關轉化后，傳遞到上位機系統。上位機系統通信采用的是基于TCP/IP協議中SOCKET套接字實現，并將運輸車中的信息存儲在SQL Server數據庫中；應用層通過調取數據庫中存儲的信息，實現車輛環境異常狀況自動蜂鳴報警功能、環境異常自動調整功能、環境狀況管理查詢功能。其中，查詢功能的網頁版采用JSP方式開發的Web界面來顯示狀態，移動版采用Android方式設計移動手機App提供給管理人員使用。

2 環境控制系統軟硬件設計

2.1 生豬運輸環境控制系統硬件設計

本研究設計的運輸調節系統硬件包括微處理器模塊、傳感器模塊、通信模塊、控制模塊、電源模塊等部分。選用STM32F103單片機為微處理器，是意法半導體公司生產搭載Cortex-M3內核的主流MCU，集低功率、低電壓和豐富的外設于一身。STM32將傳感器所采集的運輸車輛中溫度、濕度、有害氣體濃度等環境因子放大濾波處理及A/D轉換后匯集發送到ZigBee通信模塊，STM32同時可以通過控制是否開啟空調、風機、濕簾等設備實現運輸環境調節。

生豬運輸中的環境參數主要包括溫度、相對濕度、氨氣濃度和二氧化碳濃度等。選用SHT11溫濕度一體傳感器測量溫濕度，其特性為測溫精度為±0.4 ℃，測濕精度為±3%；測量氨氣選擇ME4-NH3，其量程0～200 ppm，分辨率0.1 ppm；測量二氧化碳選擇MG811，其量程0～10 000 ppm，分辨率1 ppm。

考慮到運輸車輛在使用開始和結束之后，為了保證生物安全和衛生環保需要經過充分的消洗，筆者選擇在傳感器設備上增加的防碰撞外殼和耐腐蝕性保護套。在視頻監控設備上選用FILR A615型紅外攝像頭，安裝在車廂前段，可以在運輸過程中呈現出豬只熱圖，實現對生豬體溫狀況的檢測。

2.2 生豬運輸環境控制系統軟件設計

系統軟件設計由采集端節點控制器和遠程管理信息平臺所共同組成。實現對傳感器網絡所獲得的數據進行實時保存、分析、預警和自動調整等功能。軟件與硬件之間的通信方式采用遠程無線通信模塊，數據報文的格式為字符串。

根據程序設置的采集周期，來驅動傳感器采集生豬運輸車環境數據。系統微處理器STM32經過初始化后，定時周期開始系統進入低功率休眠模式。當定時周期結束后，微處理器依次讀取各個傳感器的信息，經過匯總、校對、存儲并處理后上傳到上位機系統，并將傳感器網絡獲得的信息全部采用分布式儲存在數據庫中，可以加快數據查詢速度和信息存儲容量。

信息平臺從數據庫中讀取環境信息后，由于運輸環境狀況復雜，傳感器的測量過程往往伴隨干擾，隨之產生的誤差是不可避免的，并且是多傳感器數據信息。本文采用賦權平均法對多傳感器數據信息進行融合，簡單且直觀，同時適用于波動水平較小的運輸環境數據處理。根據總均方誤差(MSE)最小的原則，對每個測量值賦權進行調試，預測精度較高的傳感器數據賦以較大的權重，避免單一傳感器導致的局限性。隨后對超過閾值上下限的參數啟動風機、空調等對應設備進行調節，改善生豬運輸環境。采集環境數據并反饋調節的程序流程，如圖2所示。

3 結語

本文提出的基于物聯網技術的生豬運輸環境控制系統，可以有效地對生豬運輸過程中環境數據進行實時采集、處理和遠程監控管理。根據提前設定好的環境參數對應適宜的上下限進行自動調節，控制生豬運輸車內空調、風機、濕簾等相關設備開關，使生豬可以在運輸中處于較為適宜平穩的環境。綜上，此系統可以減少運輸過程中生豬應激所引起的減重損耗甚至死亡的問題，并保證了動物福利。對于稟賦更高生物安全需求的農牧物流企業可以實現降本增效，同時有利于生豬產業的整體發展，有良好的市場應用潛力。

圖2 采集環境數據并反饋調節的程序流程