基于物聯網的養種循環智慧一體化監測系統設計

摘" 要：提升養種過程管理的智能化水平，能夠為推廣綠色農業和控制面源污染提供科學依據。研究結合養種基地的實際需求和環境條件，構建一個集數據采集、傳輸、處理與展示于一體的智慧化監測平臺，完成對養種循環利用各環節理化指標的實時監測，保障養種過程的科學合理和消納污水灌溉的污染防控。另外，物聯網平臺和數據可視化平臺的建設讓設備的管理更便捷、數據展示更直觀。經過測試，系統滿足設計要求，通過優化該系統的性能與功能，加強與其他信息化系統的集成與協同，可進一步推動農業生產向智能化、綠色化、高效化方向發展。

關鍵詞：物聯網；養殖環境；糞污消納；土壤墑情；數據可視化

中圖分類號：S126" " " 文獻標志碼：A" " " " " A文章編號：2096-9902（2025）07-0005-04

Abstract： Enhancing the intelligence of planting and breeding process management offers a scientific foundation for advancing green agriculture and mitigating non-point source pollution. This research integrates the practical requirements and environmental contexts of the planting and breeding base to develop a smart monitoring platform encompassing data acquisition， transmission， processing， and visualization. It achieves real-time monitoring of critical indicators across each phase of the planting and breeding cycle， thereby ensuring a scientifically sound and rational planting and breeding process， as well as effective pollution prevention and control in sewage irrigation. Furthermore， the establishment of Internet of Things（IoT） and data visualization platforms facilitates more streamlined device management and intuitive data presentation. Through testing， the system meets the design requirements. By optimizing the performance and functions of the system and strengthening integration and collaboration with other information systems， agricultural production can be further promoted in an intelligent， green and efficient direction.

隨著現代畜牧業的發展，生豬規模化、集約化的大型養殖場建設成為趨勢[1]，大型養殖場的新建和原有養殖場經轉型升級后，在成本控制和疫病防治方面有明顯的優勢，但產能增加的同時伴隨大量糞污的產生，如果處理不當極易造成農業的面源污染[2]。如何科學地、綠色地實施畜禽糞污消納和利用，是破解養殖業糞污處理和資源化利用難題的關鍵。

目前關于農業智慧監測系統的設計和建設，主要集中在單一模塊的實現，例如，在生豬健康監測方面，有研究者通過耳標完成豬只心率的監測[1]和豬溫、心率等基本體征監測[3]，或者通過前腿捆綁傳感器監測豬只體溫和心率[4]，也有研究者通過紅外成像儀對豬只體溫監測[5]，但以上研究存在傳感器易受污染和實時性不足的問題。在圈舍環境監測方面，有研究者通過物聯網技術實現對生豬養殖環境的實時監測，包括溫度、濕度、氣體濃度等關鍵參數的測量。還有研究者設計了基于云平臺的生豬規模養殖有害空氣成分和溫濕度的監測系統，通過數據的采集和存儲，實現環境數據的可視化、數據的回調、綜合評估當前環境風險等功能[6-7]，但系統未在生豬健康狀況監測方面做進一步研究和集成。在作物種植環境監測方面，有研究者提出基于云平臺或者WEB的系統解決方案，對土壤和作物環境的有關指標實施遠程的、實時的監測，為后期生產作業提供一些參考[8]，但系統集成度和穩定度、人機交互等方面需要進一步優化和完善。

1 系統總體設計

1.1 需求分析

試驗區地處云南省威信縣，生豬養殖和獼猴桃種植是該縣2個支柱產業，大部分養殖場已經初步構建了糞污固液分離的預處理模式，養種循環利用一體化既要減少化肥投入，減輕面源污染，又要保證不影響農業種植業的產量，達到提質增效的目的。從綠色科學養殖的角度出發，推進廢棄物資源化利用，積極引導養殖戶實行種養結合模式是處理處置液體糞污的有效方法。從資源循環利用的角度出發，結合赤水河流域環境保護的要求，減少化肥用量，減輕面源污染。

針對以上目標，系統需要具備養殖環境、種植環境、糞污消納等的實時監測、數據存儲與分析、預警、遠程控制和數據可視化等功能，同時注重系統的可擴展性、兼容性、安全性和穩定性。

1.2" 網絡拓撲結構

本監測系統的拓撲結構基于一個層次化、模塊化的架構，如圖1所示。結構主要由感知層、網絡層、應用層3個部分組成。感知層主要由部署在養種環境中的各類傳感器以及相關外設，用于實時監測環境指標、豬溫、水質和土壤墑情等。網絡層主要有鏈路和網關，確保數據的傳輸和設備間的協議轉換。應用層主要由云服務器和Web端應用構成，負責計算、分析和存儲來自物聯網設備的數據，并實現數據可視化、預警、設備遠程控制管理等。

2" 系統功能設計

2.1" 物聯網數據匯聚終端

本系統智能終端完成異構數據匯總、通信、監控運維、設備管理和邊緣計算等功能，同時具備數據加密和認證機制來確保數據的完整性和真實性。邊緣計算功能通過對數據源頭的即時處理，有效提升系統的實時響應能力和數據分析準確性，降低數據傳輸帶寬需求和云端存儲壓力，對部分數據進行本地化處理、反饋，從而大幅削減部署和運維成本。總體架構如圖2所示。

通過數據模塊的各傳感器將數據傳輸到采集終端，之后通過GPRS、4G/5G、NB-IoT等網絡方式接入，將傳感器采集到的基地環境參數數據傳輸到農業物聯網云平臺，實現實時數據采集、可視化和智能控制。

2.2" 生豬養殖基地

該區域按規劃設計有生豬體溫監測、圈舍環境監測、消納污水監測，以及相關的預警與控制。

2.2.1" 生豬體溫監測

該監測點實時監測生豬體溫情況，自動發送提醒預警信息給養殖管理員和企業生產管理人員，實現生豬發熱等情況早發現、早處理。健康生豬體溫一般為38～39.5℃，豬仔的體溫略高，傍晚和早晨略有差異，但波動一般不超過0.5 ℃，病豬體溫一般為40～41.5 ℃，有時可達42 ℃以上[9]，根據這一溫度范圍，設備選型為TB-1217A-3/PA型智能活體紅外成像裝置，監測范圍30～45 ℃，精度±0.5℃。

2.2.2" 圈舍環境監測

在生豬圈舍內建設環境監測點，完成圈舍內溫度、相對濕度、氣壓、光照度、氨氣濃度和二氧化碳濃度等指標的實時監測、數據記錄和統計，同時支持聯動圈舍內噴淋、風機等設備，實現自動調控。

2.2.3" 糞污消納處理水質監測

系統實現對無害化處理的水體進行溫度、水位、pH、溶解氧、電導率、ORP氧化還原電位、濁度和氨氮等指標的實時監測、記錄、統計和分析，確保農業用水符合排放標準后，輸送至獼猴桃種植區進行灌溉。

2.3" 獼猴桃種植基地

2.3.1" 小區域種植環境監測

在獼猴桃種植基地，傳感器針對云南高原及山區地形、高濕度（多霧）、大溫差的環境，搭配AIoT農業物聯網云平臺，可以隨時查看空氣溫度、濕度、風速風向、空氣質量、降雨量和光照時長等環境信息和環境趨勢分析，環境信息出現異常時即時向用戶推送預警消息，確保用戶第一時間掌握環境信息。

2.3.2" 土壤墑情監測

土壤墑情監測模塊監測土壤溫度、濕度（含水率）、土壤pH、土壤電導率（EC）和土壤鹽分等土壤環境數據。通過基地內不同施肥區域的土壤進行持續監測，優化養種循環有機肥的施肥配方和施肥策略，確保有機肥得到高效利用。

2.3.3" 作物長勢監測

根據示范區域現場地理環境和種植區域面積，安裝作物長勢監測系統。數據接入物聯網平臺，并提供統一規范的API接口，支持連接其他支持GB28181標準的攝像頭。該監測點主要完成作物長勢觀測和遠程視頻診斷的功能，實現遠程指導種植。

2.4" 數據可視化平臺

數據可視化平臺是養種循環一體化監測系統的數據展示環節，平臺設計旨在通過直觀、交互式的可視化界面，讓用戶實現從數據查詢、數據分析到成果展現的一站式操作。實現基地數據、生產數據、水質數據、土壤數據和視頻監控數據等進行集中管理、分析、可視化展示。

3" 邊緣網關設計

節點構成如圖3所示，由微控制器，搭配傳感器、控制執行部分、電源、顯示模塊和通信模塊等部件組成。主控單元電路設計包括GD32F103RET6最小系統，通信模塊有Wi-Fi模塊、4G模塊、LoRa模塊。監測節點主要有養殖基地的環境、污水消納和種植基地的小區域環境、土壤墑情等。

3.1" 主控電路

如圖4所示，主控單元以Arm Cortex-M3內核的32位通用微控制器GD32F103RET6為核心，工作主頻72 MHz，工作電壓2.6～3.6 V，64 k存儲器，工作溫度-40～85 ℃[10]，與同類產品相比最大速度提升，相同頻率下的代碼執行效率提高，功耗低，被廣泛用于工業控制、人機交互、智慧農業等領域。

3.2" 通信部分

通信部分主要有Wi-Fi、4G、LoRa。Wi-Fi模塊選型為ESP-07S，WF_RET/WF_EN內部已經進行上拉，所以外部僅下拉有效，TXD引腳與單片機PC10引腳相連，Wi-Fi模塊的RXD引腳與單片機的PC11引腳相連。

4G模塊選型為AIR720UH，其覆蓋通信各種制式，支持多種開發方式。結合山區信號特點，借助中國移動4G流量將采集數據送至云平臺。

如圖5所示，LoRa模塊選型為RA-02，該模塊的射頻芯片 SX1278主要采用LoRa遠程調制解調器，適用于超長距離擴頻通信，抗干擾性強，電流消耗低[11]。

4" 系統測試

4.1" 數據采集功能測試

為驗證系統穩定性和準確性，通過系統監測數據與人工采樣數據對比進行系統誤差測試， 測試地點為圈舍環境監測站、土壤墑情監測站等模塊，測試時間分別是2024年5月4日、5月12日9：00和16：00，測試數據誤差均穩定在設計范圍。表1、表2分別給出2024年5月4日上午9：00時圈舍環境、土壤墑情的監測數據和實測數據。

4.2" 數據可視化平臺測試

通過用戶名和密碼登錄數據可視化平臺，測試各項功能結果如下。

首頁：項目基本情況、數字地圖、種植基地基本情況、養殖基地基本情況，圖文和視頻顯示功能正常，測試結果符合設計要求。

數字種植基地：基地詳情、設備概況、環境參數、土壤墑情、作物長勢，各部分圖文和視頻顯示功能正常，點擊監測指標進入子目錄，顯示該指標歷史記錄，測試結果符合設計要求。

數字養殖基地：基地詳情、設備概況、豬溫、圈舍環境、糞污消納，各部分圖文和視頻顯示正常，點擊監測指標進入子目錄，顯示該指標歷史記錄，測試結果符合設計要求。

5" 結束語

基于云平臺的養種循環一體化監測系統在生豬養殖區和獼猴桃種植區建設養種環境、生豬體溫、糞污消納、土壤墑情和植物長勢等監測點，利用物聯網和云計算等技術，實現管理人員在養種環節的數據互通與共享。經測試，系統各部分功能運行正常，誤差在允許范圍，測試結果符合設計要求。該設計在充分考慮養種基地特點和管理人員實際需求的同時，確保系統的穩定性與實時性、數據展示的直觀性與操作的便捷性，為生豬養殖和獼猴桃種植提供了全面、精準的監測與分析服務，實現生產的智能化決策和精細化管理，推動養種業的有機融合，向更加綠色、高效、可持續的方向發展。

參考文獻：

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基金項目：云南省重大科技專項計劃項目（202202AE090027）

作者簡介：張晉恒（1979-），男，碩士，講師。研究方向為智慧農業。

*通信作者：周兵（1975-），男，博士，教授。研究方向為智慧農業、數字農業。