規模化養殖場智慧消毒防疫系統的設計

祁 釗，汪 振，岳振宇，宋祥軍

（1.安徽農業大學 信息與計算機學院，安徽 合肥 230036；2.安徽農業大學 動物科技學院，安徽 合肥 230036）

0 引言

消毒防疫與生物安全防控是獸醫公共衛生防疫體系的重要組成部分。生物安全管理中，消毒貫穿在人員進出管理、車輛管理、物料管理、生產區管理、生活區管理等生物安全體系的每個環節[1,2]。目前養殖場大多是以規模化養殖形式存在的，超大廠房導致消毒效果不佳，除了局部消毒，很多環節都沒有完整的消毒工作流程。鑒于當今動物疫病防控的實際需求，利用物聯網技術，建立高效、智慧的消毒工作方式，提高生物安全防控能力和水平，是十分必要的[3,4]。

鑒于此，本文提出一種基于納米TiO2抗菌特性的消殺設備和環控設備對畜禽的生活環境進行實時監控，從而精準判斷畜禽舍內部空氣情況，便于及時改善飼養環境，降低安全隱患，阻斷疫病發生與流行，對規模化養殖業的健康發展有著重要的實際意義。

1 系統總體設計

1.1 整體思路

基于物聯網技術[5,6]，采集規模化養殖場內部空氣溫濕度、氨氣含量、CO2含量等環境信息，應用Web 技術，構建準數據庫和系統框架，將畜禽生長環境的溫濕度、空氣質量等數據自動上傳，在數據庫的基礎上構建規模化養殖場消毒防疫的精準管理系統；將規模化養殖場內部通風設施、消毒設施、攝像頭和傳感器組網上云，實現養殖場消毒防疫環節的物聯網化。

1.2 系統架構

系統總體結構主要包括傳感器采集層、網絡通信層、數據層、反饋應用層。

（1）傳感器采集層包含氨氣傳感器、溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器和氧氣傳感器，實時采集畜禽生長環境的空氣質量。

（2）網絡通信層是由 ZigBee 智能節點和以微控制器為核心的智能網關組成。該智能網關通過2.4 GHz 無線通信和各個ZigBee 智能節點組網，再通過協議將數據上云，從而進行遠程監控。采用ZigBee、WiFi 等進行數據接入，讓傳感網和互聯網云端相互連接，可以多協議標準共同使用，最多可以支持1 000 多個節點的連接[7]。

（3）數據中心服務層是基于ThinkPHP 框架搭建的養殖場消毒防疫管理與數據處理的服務端程序。該程序將獲取的各個ZigBee 傳感器節點的數據進行處理與存儲，作為養殖過程的數據積累與挖掘的數據源；然后通過預設的自定義腳本對所得到的數據進行分析，自動化地調取各裝置進行消殺操作；最后將得到的實時數據進行展示，為管理人員對養殖場內部環境質量的把控提供精準的信息。

數據中心客戶端層包括Android、Web、PC 端。管理人員通過云數據庫查看規模化養殖場內部的環境質量，將實時環境質量數據與標準值進行自動比對，對反饋層進行下一步操作，從而達到遠程控制的目的；此外還可以實時查看采集的空氣質量數據，并且客戶可以手動控制通風裝置和消毒設備對空氣質量進行有效的管理。

（4）反饋應用層包括輸出設備，如通風裝置、消毒裝置等。當數據中心檢測到空氣質量高于標準值時或用戶客戶端手動控制時，打開通風裝置、消毒裝置進行通風消毒工作，并且按照設定時間及時進行例行消毒工作并記錄在案。

2 軟硬件設計

2.1 硬件設計

在規模化養殖場消毒防疫系統中，使用的是STM32F103系列智能電子測控系統[8-10]，擁有32 位內核、高性能ARM Cortex-M3 處理器，擁有144 引腳、112 個IO，大部分IO 口都能耐受5 V（模擬通道除外），支持調試SWD 和JTAG，其中SWD 只要2 根數據線。通信接口多達13 個，包含2個I2C 接口、5 個串口、3 個SPI 接口、1 個CAN2.0、1 個USB FS、1 個SDIO。智能網關采用三星ARM Cortex-A9 S5P4418四核處理器/ARM Cortex-A53 S5P6818八核處理器，S5P4418 和S5P6818 CPU 引腳全部兼容，共用一套核心板設計方案，不用更改底板設計便可以將FET4418-C 核心板升級為FET6818-C。總線接口資源豐富，支持6 路UART、3 路SPI、3 路I2C、1 路千兆以太網、3 路I2S、14 位地址總線、16 位數據總線、2 路SD/MMC/SDIO，多媒體功能強大，顯示接口豐富；支持3D 硬件圖形加速；支持OPENGL ES 1.1；支持硬件視頻編解碼、1080P 60@fps 硬件解碼、1080P 30@fps 硬件編碼，視頻支持h.263、h.264、mpeg1/2/4；支持雙屏顯示；支持最大分辨率2 048×1 280。

（1）CO2-4K-3M 二氧化碳傳感器模塊（CO2傳感器）：負責監測室內二氧化碳濃度。二氧化碳是目前國際國內通用的測量室內空氣通風狀態及空氣質量好壞的主要參數。采用目前先進的紅外自擴散NDIR 測量CO2的方法，反應快捷，穩定性和一致性高。

（2）MS1088 溫度傳感器：該模塊的工作電流是75 μA，溫度測量范圍為-40～120 ℃。MS1088 是一個經過全集成測試和校準的數字低功耗溫度傳感器，典型的溫度測量精度為±0.3 ℃。它提供數字SPI 或I2C 接口和電池報EOL 測試。MS1088 可以采用方形扁平無引腳封裝QFN 或內存芯片封裝CSP。

（3）NH3-B1 氨氣傳感器（NH3傳感器）：該模塊的響應時間要小于60 s；氨氣檢測范圍為0～100 ppm；靈敏度達到25～45 nA/ppm。氨氣傳感器NH3-B1 主要用于檢測大氣中氨氣的濃度，NH3-B1 傳感器是四電極電化學氨氣傳感器，線性電流輸出，信號易于處理，靈敏度高，適合應用于惡劣環境，如家禽養殖場、養豬場等環境。

（4）KE-50 氧氣傳感器（O2傳感器）：該模塊工作溫度為5～40 ℃，精度為±2%，顯著特點是使用壽命長、化學穩定性優良，而且不易受CO2的干擾與影響。KE 系列傳感器是為了滿足各種行業不斷增長的氧氣檢測的需求而開發的，譬如可燃氣體和住宅用燃氣器具檢測、生物技術運用、醫療器械運用等。

（5）納米TiO2抗菌特性的消殺設備：在寬光譜紫外線與多種親水稀有金屬催化劑的作用下，產生包括過氧化氫離子、羥基離子、超氧離子和純負離子在內的凈化因子。通過空氣流通設備的推動，凈化因子與空氣中的污染物主動結合，產生凈化反應。

2.2 軟件設計

軟件部分主要是系統初始化，包括外設接口化、存儲器初始化。主流程為先對規模化養殖場內部畜禽舍內的環境質量進行監測，將監測所得的數據發送到數據庫，數據中心將采集到的信息通過手機端或大屏呈現給管理層，管理層可以選擇自動運行或人工干預。在自動模式下，處理器將溫濕度傳感器、氨氣傳感器、二氧化碳傳感器、氧氣傳感器得到的數據與標準值進行比對，當實時值比標準值低時，環境質量不利于畜禽生活，且空氣中含有的病原微生物含量也會超標；通過節點數據傳輸來控制控制器，控制器控制通風裝置和消毒裝置對舍內環境進行凈化。在手動模式下管理人員手動操作設備運行。

本軟件主要具備監控規模化養殖場內環境質量的狀態并調節畜禽舍內的環境來保證防疫效果的功能，管理人員可以通過網絡連接查看實時數據進行模式的選擇。用戶可以通過可視化頁面查看畜禽舍內的環境，并選擇控制按鈕，控制通風設備和啟動消毒設備，改善舍內環境；還可以提前設置時間節點進行自動化消毒與通風，提高規模化養殖場消毒防疫工作的效率。

2.3 測試

對軟件系統進行了一系列的測試，主要的測試項目包括：測試各個傳感器的連接是否有問題；數據傳輸的速度與準確度；通風消毒設備的運行是否正常；規模化養殖場內部的網絡連接是否穩定；對整個系統做試運行，對發現的漏洞進行修復。

3 結語

本系統以STM32F103 系列控制器作為核心部件，電腦通過網關與傳感器、通風設備和消毒設備相連接，從而通過預設的指標控制養殖廠內部的空氣質量。這樣不僅可以實現系統自動運行，還可以人工干預實現精準把控，并且可以將每一次的消殺與通風情況都記錄在案，為后期實現更加節能的通風操作提供數據支持。與傳統人工操作通風設備相比，對養殖場內環境的調控更加科學；與人工消毒相比，本系統的消毒操作更加有跡可循，并且更加充分和徹底。對養殖場進行智能化改造，提高養殖場工作人員的工作強度，降低人員因素導致的防疫問題，實現養殖過程的數據積累與挖掘，為智慧農業的發展提供助力。