基于物聯(lián)網(wǎng)的育肥豬舍環(huán)境適宜性評價系統(tǒng)研究與設(shè)計

王松奇，趙駿馳，陳 沖，顧春雷，徐顧偉

（鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城，224051）

0 引言

育肥豬是仔豬保育結(jié)束后進入生長舍飼養(yǎng)直至出欄這一生長發(fā)育最快的階段。適宜優(yōu)良的豬舍環(huán)境能保證豬群健康成長達到生產(chǎn)要求，有效提高生豬養(yǎng)殖的豬肉產(chǎn)量和經(jīng)濟效益。隨著高密度集約化方式下的生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，豬舍環(huán)境問題對豬生長繁殖的重要性愈發(fā)受到重視，關(guān)注生豬養(yǎng)殖環(huán)境對國內(nèi)生豬養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)高效發(fā)展意義重大［1］。由于豬舍環(huán)境存在多種環(huán)境因子的復(fù)雜非線性時變系統(tǒng)，各環(huán)境因素相互耦合形成的環(huán)境適應(yīng)度是在規(guī)律范圍內(nèi)的模糊概念，依靠常規(guī)控制方法難以建立準確的數(shù)學(xué)模型和取得精確的靜態(tài)、動態(tài)性能參數(shù)［2］。針對傳統(tǒng)生豬養(yǎng)殖需要大量人力現(xiàn)場看護、成本較高的問題，本文設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的育肥豬舍環(huán)境適宜性評價系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程自動化監(jiān)測和控制豬舍環(huán)境，高效利用環(huán)境采集數(shù)據(jù)，降低資源消耗與人工成本，提升養(yǎng)殖經(jīng)濟效益［3］。

1 豬舍環(huán)境適宜性模糊綜合評價

1.1 指標體系與評價流程

模糊層次分析法（Fuzzy Analytic Hierarchy Process，F(xiàn)AHP）是基于層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）的改進，在層次分析法基礎(chǔ)上引入模糊一致性矩陣，既將復(fù)雜系統(tǒng)的決策思維實行數(shù)量化，又解決了判斷矩陣一致性難以達到和存在差異的問題。模糊綜合評價流程如圖1 所示。利用模糊層次分析法模型比較各環(huán)境因素對環(huán)境適宜性的重要性，以此構(gòu)建判斷矩陣F，改造模糊一致性矩陣B，計算得到評價權(quán)重向量W。依據(jù)相關(guān)文獻資料和實際豬舍情況，制定豬舍環(huán)境適宜性評價指標體系［4］，如表1所示。

Fig.1 Fuzzy comprehensive evaluation flow圖1 模糊綜合評價流程

1.1.1 確定權(quán)重評價因素

由于指標體系中的各指標間的重要性程度與復(fù)雜程度存在差異，對每個指標分別賦予相應(yīng)的權(quán)值。為更客觀計算豬舍環(huán)境的各個影響因素權(quán)重，在初步排序各影響因素權(quán)重重要性程度的基礎(chǔ)上，運用改進多維度層次分析方法，計算育肥豬舍的環(huán)境適宜性評價權(quán)重W，并將評價結(jié)果適宜性等級劃分為3級（適宜）、2級（較適宜）和1級（不適宜）。

Table 1 Piggery environmental suitability evaluation index system表1 豬舍環(huán)境適宜性評價指標體系

1.1.2 建立層次分析模型

將豬舍環(huán)境質(zhì)量評價級別劃分為適宜、不適宜、較適宜，選取的主要環(huán)境因素包括溫度、濕度、光照度、CO2和氨氣濃度。

1.1.3 構(gòu)造判斷矩陣

在建立權(quán)重層次分析的模型后，比較模型中每層次元素相較于上層某個元素的重要性，通過兩兩比較構(gòu)造出一個可判斷的矩陣。確定豬舍環(huán)境影響因素的主要影響程度包括溫度、濕度、光照度、CO2濃度、氨氣濃度。基于三標度方法將測量溫度（T），濕度（H），光照度（I），CO2濃度（C）和氨氣濃度（N）對5 個主要影響因素進行兩兩綜合比較。建立模糊判斷矩陣，即模糊優(yōu)先關(guān)系矩陣F，F(xiàn)=(fij)n×n，fij的具體公式為：

其中，s(i)、s(j)分別表示不同環(huán)境參數(shù)ai、aj兩兩比較的相對重要性程度。本文中以溫度為a1、相對濕度為a2、光照度為a3、二氧化碳濃度為a4、氨氣濃度為a5建立模糊判斷矩陣F。

對模糊優(yōu)先關(guān)系F=(fij)n×n按行求和，并根據(jù)式（3）進行數(shù)學(xué)變換，對應(yīng)的模糊一致性矩陣B=(aij)n×n如式（4）所示，ri為行求和。

1.1.4 計算權(quán)重向量

計算矩陣按照行求和歸一化計算的排序即權(quán)重值wi。

其中，i=1，2，…，n，向量W=［0.28，0.24，0.12，0.16，0.2］。因此，豬舍環(huán)境溫度、濕度、光照度、CO2和氨氣濃度對應(yīng)的權(quán)重分別為0.28、0.24、0.12、0.16、0.2。

1.2 評價方法

1.2.1 建立評價集

設(shè)定評判指標因素集合U={u1，u2，u3，u4，u5}。其中，u1、u2、u3、u4、u5分別代表溫度、濕度、光照度、CO2濃度、氨氣濃度。建立評語集V={v1，v2，v3}。其中，v1、v2、v3分別表示適宜、較適宜、不適宜。

1.2.2 建立隸屬度函數(shù)

對于集合U中的每個評價元素，在集合V中必須具備與之相關(guān)和適應(yīng)的模糊邏輯關(guān)系。綜合定義舍內(nèi)溫度、濕度、光照度、CO2濃度和氨氣濃度等重要環(huán)境因素綜合評價隸屬程度，以環(huán)境因素函數(shù)集合U={u1，u2，u3，u4，u5}對豬舍構(gòu)造評價等級函數(shù)集合V={v1，v2，v3}中不同評價等級的隸屬程度建立綜合隸屬度函數(shù)。具體的，溫度、濕度、光照度、CO2和氨氣濃度所對應(yīng)的隸屬度函數(shù)為：

其中，評價因素ui的表征指標值為x，區(qū)間端點記作xi、xi+1，各評價等級的隸屬度記為μ(x)。通過參考文獻資料與專家意見能得到以a、b、c、d、e、f為各環(huán)境因素隸屬度對評價等級的臨界點。對于評語因素群集合U的每個評語元素，依據(jù)評語因素群集合U的每個指標及其層次關(guān)系對其建立模糊化的關(guān)系矩陣式，如（9）所示。

式中，rij=μR(u1，v1)，μR(u1，v1)為uij對vij的隸屬度值。

1.2.3 建立模糊綜合評價模型

建立豬舍環(huán)境適宜性綜合評價矩陣B=W×R=(b1，b2，b3)。其中，模糊綜合評價結(jié)果B=(b1，b2，b3)，各環(huán)境因子的權(quán)重向量W={w1，w2，.....，w5}，R為以因素集合U中各元素對評語集合V的指標等級隸屬度矩陣。利用矩陣加權(quán)平均的計算處理方法，綜合評價模型的運算與結(jié)果向量分析，根據(jù)式（10）計算評價值矩陣B。根據(jù)式（11）歸一化處理評價矩陣B；根據(jù)最大的隸屬度結(jié)果得到矩陣中的中最大隸屬向量，即max[b'j]，依據(jù)j值可知實際適宜性評價等級。

計算豬舍環(huán)境因素U對于評價集V的隸屬度：當溫度為23.9℃時，隸屬度r11=μ(ud)=0.548 8；r12=μ(ua)=0.451 2；r13=μ(uu)=0；當相對濕度為67%時，隸屬度r21=μ(ud)=0.92；r22=μ(ua)=0.08；r23=μ(uu)=0；當光照度值為520lx 時，隸屬度r31=μ(ud)=0.18；r32=μ(ua)=0.82；r33=μ(uu)=0；當CO2質(zhì)量濃度值為960mg/m3時，隸屬度r41=μ(ud)=0.68；r42=μ(ua)=0.32；r43=μ(uu)=0；當氨氣濃度值為5.4mg/m3時，隸屬度r51=μ(ud)=0；r52=μ(ua)=1；r53=μ(uu)=0。

通過實際傳感器監(jiān)測育肥豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)處理結(jié)果，分別計算得到模糊評價隸屬度，建立因素集合U與評語集合V間的模糊關(guān)系矩陣R，以豬舍環(huán)境評價指標體系與隸屬度函數(shù)的式（6）—式（8）和式（5）為基礎(chǔ)進行上述計算，并根據(jù)式（12）計算模糊評價結(jié)果。

根據(jù)國家相應(yīng)標準，育肥豬舍標準適合溫度為15～25℃，相對濕度為50%～70%，光照度為150～500lx，二氧化碳和氨氣濃度分別不宜超過1 000mg/m3和2mg/m3，相應(yīng)參數(shù)隸屬度函數(shù)曲線如圖2所示。

Fig.2 Curve of each membership function圖2 各隸屬度函數(shù)曲線

2 育肥豬舍環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的系統(tǒng)包括3 層架構(gòu)；①感知層以PLC 為主控制器，PLC 運行后周期性向百葉箱傳感器發(fā)送環(huán)境數(shù)據(jù)采集指令，并接收上位機服務(wù)器和安卓手機客戶端的控制命令，實現(xiàn)用戶手動控制現(xiàn)場設(shè)備。百葉箱傳感器監(jiān)測豬舍內(nèi)部環(huán)境參數(shù)包括溫度、濕度、光照度、二氧化碳和氨氣濃度，與PLC 通過RS-485 通訊協(xié)議連接的觸摸屏界面實時顯示數(shù)據(jù)；②傳輸層采用GPRS-DTU 實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸，GPRS-DTU 采用RS485 通訊協(xié)議與PLC 的port 端口連接，將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至計算機上位機與安卓手機客戶端；③應(yīng)用層采用Visual Studio 開發(fā)的上位機服務(wù)器和Android 系統(tǒng)的手機客戶端，實現(xiàn)豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)的遠程實時顯示和發(fā)送控制命令。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 環(huán)境感知層

環(huán)境感知層設(shè)計PLC 環(huán)境參數(shù)采集和控制系統(tǒng)，硬件主要包括S7200PLC、百葉箱傳感器、風(fēng)機變頻電機、水泵變頻電機、觸摸屏、220V-24V 電源箱及繼電器擴展部分［5］。系統(tǒng)在監(jiān)測環(huán)境參數(shù)時，通過百葉箱傳感器檢測環(huán)境數(shù)據(jù)，采集具有重要影響的環(huán)境要素信息。傳感器與PLC 的port0 通訊端口連接，通過PLC 的RS485 協(xié)議與傳感器進行通訊。氣象百葉箱觀測的參數(shù)包含溫度、濕度、光照度、二氧化碳和氨氣濃度等環(huán)境要素［6-7］。PLC 與PC 組態(tài)連接編寫和下載程序，將環(huán)境采集數(shù)據(jù)發(fā)送至GPRSDTU 和觸摸屏進行顯示。感知層監(jiān)控節(jié)點的硬件以AMX-200 224XP-E 型PLC 可編程控器為核心控制器，利用PLC 自帶的RS485 串口連接百葉箱傳感器完成數(shù)據(jù)采集［8］。PLC 主要負責(zé)環(huán)境采集數(shù)據(jù)的傳輸與對上位機發(fā)出控制命令的接收和處理，輸出控制指令發(fā)送到現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)，運行風(fēng)機和水機調(diào)節(jié)豬舍環(huán)境，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制部分。為了應(yīng)對現(xiàn)場環(huán)境惡劣的豬舍內(nèi)部，所使用的電子電氣器件必須具有較高的可靠性，PLC 具有抗干擾能力強的優(yōu)勢，能在很大程度上提升整體系統(tǒng)穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)長期運行［9］。PLC 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

由圖4 可見，系統(tǒng)啟動后調(diào)用初始化程序，周期地向百葉箱傳感器發(fā)送采集指令，判斷是否正常接收。PLC 接收信號判斷接收數(shù)據(jù)來自上位機服務(wù)器軟件還是百葉箱傳感器，接收傳感器返回環(huán)境參數(shù)采集信息，調(diào)用子程序處理采集數(shù)據(jù)格式和精度，并將采集的數(shù)據(jù)通過觸摸屏顯示。系統(tǒng)通過調(diào)用對應(yīng)環(huán)境參數(shù)的異常情況判斷子程序，PLC 根據(jù)處理后環(huán)境數(shù)據(jù)結(jié)果，將實際測量值與設(shè)定溫濕度閾值進行比較，分別執(zhí)行模糊控制分析程序，如果判定環(huán)境異常或接收到來自上位機用戶的控制命令，將得到最終值并輸出，控制風(fēng)機與水機調(diào)節(jié)異常，實現(xiàn)自動化豬舍環(huán)境控制。

2.2 信息傳輸層

信息傳輸層主要通過GPRS-DTU 實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)在環(huán)境感知層的PLC 控制器和數(shù)據(jù)應(yīng)用層的上位機監(jiān)測服務(wù)器間的雙向傳輸。GPRS-DTU、PLC 的port0 端口通過RS485 協(xié)議連接，周期設(shè)定為自由口通訊模式的PLC 緩沖區(qū)環(huán)境采集參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機服務(wù)器。GPRS-DTU作為客戶端，預(yù)先配置服務(wù)器的IP 地址與端口號，與阿里云服務(wù)器部署的上位機監(jiān)測服務(wù)器IP 地址與端口號保持一致。DTU 與上位機服務(wù)器間采用Socket 方式通信，由GPRS-DTU 端（客戶端）發(fā)起請求，服務(wù)器端發(fā)送接受信號或反饋命令對GPRS-DTU 端作出響應(yīng)，進而實現(xiàn)用戶對現(xiàn)場設(shè)備的控制。

Fig.3 Overall structure of the system圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

Fig.4 PLC data acquisition system flow圖4 PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程

2.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用層

上位機服務(wù)器是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用層的核心，負責(zé)整個監(jiān)測評價系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，也是下位機硬件設(shè)備與Android 手機客戶端進行數(shù)據(jù)交互的紐帶［10］。因此，本文開發(fā)了基于Visual Studio 的上位機軟件作為服務(wù)器端與基于Android 系統(tǒng)的安卓手機客戶端軟件。服務(wù)器接收來自GPRS-DTU 客戶端的環(huán)境采集數(shù)據(jù)并實時顯示，向手機客戶端發(fā)送，保證手機移動端豬舍環(huán)境信息同步。設(shè)計數(shù)據(jù)界面顯示環(huán)境感知層采集的準確參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過用戶手動發(fā)送控制命令，經(jīng)由GPRS-DTU 遠程發(fā)送給下位機PLC控制器的方式進一步控制現(xiàn)場設(shè)備，實現(xiàn)豬舍環(huán)境質(zhì)量調(diào)節(jié)的智能化控制［11］。GPRS-DTU 模塊、Android 客戶端與上位機間通過建立Socket 連接進行數(shù)據(jù)通信。上位機服務(wù)器監(jiān)控程序部署在固定IP 地址的云服務(wù)器中，可長期不間斷接收、處理現(xiàn)場采集的環(huán)境數(shù)據(jù)和Android 手機等多客戶端的服務(wù)請求［12-13］。

3 育肥豬舍環(huán)境適宜性模糊綜合評價結(jié)果

根據(jù)式（12）可知，結(jié)合5 個評價因素的權(quán)重向量對豬舍環(huán)境適宜性進行模糊綜合評價，可得綜合評價矩陣B，如式（13）所示。本文實驗所得權(quán)重向量W=［0.28，0.24，0.12，0.16，0.2］，隸屬度矩陣R=［0.5488，0.4512，0；0.92，0.08，0；0.18，0.82，0；0.68，0.32，0；0，1，0］。

由此可知，評價結(jié)果3 個隸屬度數(shù)值中b1最大。根據(jù)最大隸屬度原則，以所選參數(shù)進行的豬舍環(huán)境綜合評價最終評價結(jié)果為評價集合V的第1 個等級v1，因此豬舍環(huán)境適宜性評價結(jié)果為“適宜”。從實驗評價結(jié)果可知，某一時刻豬舍內(nèi)的環(huán)境條件是由多個因素綜合決定。雖然，多次實際測量計算與文獻資料顯示，豬舍內(nèi)的濕度和溫度是最主要的兩個影響因素，但不結(jié)合實際只考慮個別環(huán)境因素得到的結(jié)果通常不具有普遍性和合理性［15］。因此，綜合考慮實際重要性程度較大的多個環(huán)境因素才能對豬舍環(huán)境適宜性作出正確評價。

利用MATLAB 的GUI 工具創(chuàng)建簡易的系統(tǒng)客戶端，設(shè)計豬舍環(huán)境適宜性評判系統(tǒng)界面，連接模糊綜合評價算法程序，輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)，運行顯示評價結(jié)果如圖5 所示［16］。用戶輸入實際采集的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，點擊“數(shù)據(jù)處理”按鈕，GUI 程序運行回調(diào)函數(shù)，調(diào)用模糊綜合評價函數(shù)得出此時環(huán)境評價結(jié)果適宜等級。用戶可依據(jù)評價結(jié)果采取相應(yīng)措施，啟動或停止現(xiàn)場風(fēng)機與水機，調(diào)節(jié)豬舍環(huán)境。為檢驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和處理的準確性，比較上位機監(jiān)控界面與Android 客戶端顯示界面同一時刻數(shù)據(jù)，如圖6 所示。結(jié)果表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸基本準確，無錯誤情況出現(xiàn)。

Fig.5 MATLAB GUI evaluation system圖5 MATLAB GUI 評價系統(tǒng)

Fig.6 Server and Android client monitor results圖6 服務(wù)器和Android客戶端監(jiān)控結(jié)果

4 結(jié)語

本文結(jié)合生豬養(yǎng)殖文獻資料，構(gòu)造育肥豬舍模糊綜合評價系統(tǒng)，建立了育肥豬舍環(huán)境適宜性的模糊綜合評價指標體系，采用模糊層次分析法決定豬舍溫度、濕度、光照度、二氧化碳和氨氣等關(guān)鍵環(huán)境因子的評價權(quán)重，與π型隸屬度函數(shù)計算得到的豬舍多因子的隸屬度矩陣相結(jié)合，進行模糊綜合評判。同時，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的育肥豬舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，開發(fā)了上位機服務(wù)器與Android 手機客戶端遠程監(jiān)控App，實現(xiàn)對豬舍溫度、濕度、光照度、二氧化碳和氨氣等有害氣體的多環(huán)境因素信息采集和遠程評價。

通過長時間的調(diào)試和運行結(jié)果表明，本文所提系統(tǒng)能實現(xiàn)對育肥豬舍養(yǎng)殖環(huán)境的遠程監(jiān)控。基于MATLAB 的GUI 客戶端開發(fā)豬舍環(huán)境適宜性評價系統(tǒng)，根據(jù)實際采集數(shù)據(jù)模糊綜合評判豬舍環(huán)境適宜性，最終評判結(jié)果為“適宜”，評判結(jié)果可為豬舍環(huán)境預(yù)警和控制提供科學(xué)依據(jù)［17］。