基于物联网的家禽养殖环境远程监控系统的设计

连京华 李惠敏 孙凯 殷若新 林树乾 宋敏训

摘  要：基于物联网设计开发了家禽养殖环境远程监控系统，利用传感器智能化监测养殖环境中温度、湿度以及空气中氨气、粉尘浓度等重要指标，通过无线网络传输至数据中心。用户利用身边电脑或移动终端等对数据中心进行远程管理，从而实现对家禽养殖环境信息实时监测，并根据监测数据对养殖环境进行最佳优化调控。

关键词：物联网;养殖环境;远程监测;控制;设计

中图分类号：S818.9     文献标识码：B     文章编号：1673-1085（2015）07-0007-04

近年来，我国家禽业逐步以公司或集团化为养殖主体，实行大规模、愈来愈标准化的家禽生产格局。不管是养鸡，还是水禽旱养，养殖环境都是极为重要的影响因素。尤其在全密闭式、高密度的现代饲养模式下，禽舍内养殖环境的控制更为重要。与家禽生产相关性较大的舍内环境因素包括温度、湿度以及空气中的有害气体，如氨气、硫化氢、粉尘、二氧化碳等和光照条件等[1]。实时监测并随时调控这些环境指标，使家禽保持在适宜条件下，是家禽健康发育和发挥正常生产性能的必要基础。目前，种禽生产企业较为重视养殖环境的管理和调控，一般依据对禽舍内温度的监测指标并利用风机、湿帘等通风设备进行控制，但监测参数单一，没有对氨气、粉尘等重要参数进行监测，且监测技术低、智能化程度低，达不到养殖环境最佳优化和合理调控的目的，不适宜我国现代化、标准化家禽生产的需要。

随着3G、4G网络高速发展，互联网络已无处不在，特别是移动互联网。第35次《中国互联网络发展状况统计报告》显示，截至2014年12月，中国网民规模达6.49亿，互联网普及率为47.9%，较2013年底提升2.1%，手机网民规模达5.57亿，占网民总数的85.8%。2014年中国网民的人均周上网时长达26.1h。可见，随着科技的进步，台式微机、笔记本电脑以及智能手机、平板电脑等移动终端的普及应用，加上无处不在的有线和无线网络，我们真正进入了互联网时代。可以说现在家禽生产管理者的日常工作离不开微机，也离不开互联网。特别是智能手机已成为家禽生产管理者随身携带并普遍使用的移动上网工具。因此，设计开发基于物联网的家禽养殖环境远程监控系统，便于家禽生产管理者通过微机或智能手机等移动终端，即使在异地也可随时随地获取和监控养殖环境信息，不受时间和地点区域的限制。系统的开发无疑对家禽生产的信息化、智能化管理具有重要的现实意义。

1  物联网的概念

自温家宝总理2009年8月在无锡考察时提出“感知中国”，“物联网”一词就成为当下社会时兴的热门词。它是通过各种感知设备（感知层）和互联网，连接物体与物体的，全自动、智能化采集、传输（传输层）与处理信息的，实现随时随地和科学管理（应用层）的一种网络。“网络化”、“物联化”、“互联化”、“自动化”、“感知化”、“智能化”是物联网的基本特征[2]。

那么，基于物联网技术设计的家禽养殖环境远程监控系统，即可应用于台式微机、笔记本电脑，也可应用于智能手机等移动终端设备，通过有线网络、无线网络，使家禽生产管理者在任何时间、任何地点对家禽养殖环境进行有效监控的愿望成为现实。

2  家禽养殖环境远程监控系统设计方案

家禽养殖环境远程监控系统主要由环境参数采集模块、无线传感网络模块、远程数据传输模块、数据管理模块和短信通信模块组成。

2.1  环境参数采集模块  家禽养殖环境是指家禽养殖舍内的饲养小环境。影响家禽生产的环境因素有很多，我们监测对象是具有重要生产意义的环境参数，包括舍内温度、湿度以及空气中氨气、粉尘浓度等。利用温湿度传感器、氨气传感器、粉尘传感器，对上述4项环境指标进行智能化的实时数据采集。

2.2  无线传感网络模块  如果利用传统的有线网络进行数据信息通信，不仅现场布线复杂，而且成本高，也不能满足生产实际需要。因而，采用无线网络传输技术对采集到的各路数据进行高效、可靠地传输，汇集到总节点。

2.3  远程数据传输模块  该模块负责将总节点海量数据通过GPRS网络，经Internet自动传输到异地数据库，并按时间顺序储存入数据库。供数据管理模块使用[3]。

2.4  数据管理模块  该模块将上传的各路数据信息进行储存、分析、统计、检索等管理和异常处理。设置Web管理服务器，负责响应和管理微机和异地移动终端的访问，当用户成功登录该系统的URL地址时，Web管理服务器访问系统数据库提取最新监控数据，供用户访问、查询。也可供用户历史查询。

2.5  短信通信模块  在数据分析和处理中，若某一路数据被“认为”异常，即超出该项环境参数设定的阈值范围，则自动报警，同时启动该模块发送短信告知生产管理人员，便于及时采取环境调控措施。

3家禽养殖环境远程监控系统设计实现

3.1  系统主要硬件设计  家禽养殖环境远程监控系统硬件主要包括环境参数传感器、数据采集模块、MSP430微处理器、显示屏、监控计算机、声光报警器以及GSM模块等组成。

3.1.1  温湿度传感器  禽舍内的温度和湿度是家禽养殖环境调控中的重要参数。温湿度检测模块设计中选用了精度高、可靠性好的SHT71传感器。SHT71是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技术的新型温湿度传感器， 该传感器即可检测温度，又可检测湿度，集信号调理、数字变换、串行数字通讯口及数字校准等与一体，具有免外围元件、长期稳定等特点[4]。

3.1.2  氨气传感器  系统中选用了MIC系列固定式气体检测变送器，这是一款国际标准智能化传感器，可以检测空气中氨气的百分含量（%）浓度，并将浓度按正比关系转换成4～20mA标准信号输出。其技术特点为：完全实现了三线制气体变送器的数字化、智能化;4～20mA信号和标准RS485数字信号输出，可实时与计算机进行通讯;现场查看、设定、校准以及维护非常方便。

3.1.3  粉尘传感器  系统中选用了光学式粉尘浓度检测变送器，型号为DS200。其特点为可作为测试环境灰尘的参考，适用范围0～50mg/m3;稳定时间为5min;光学原理，反应时间快;结构考虑空气动力原理，实现自动实时采样，可以长期使用;友好型设计，使维护更简单;满足国家《环境空气质量标准》和WHO对于颗粒物的空气质量准则值所规定的数值范围测试要求。

3.1.4  数据采集模块  系统使用Siemens S7-200系列PLC，应用西门子公司为其配套的Step7 Micro Win软件编程，完成对环境各传感器数据的采集和数据编码[5]。

3.1.5  MSP430微处理器  根据家禽养殖环境远程监控系统功能要求，选用了MSP430F149，是由美国德州仪器TI公司开发的16位微处理器。它的基本特点包括：具有丰富的寻址能力，众多的片内寄存器及有效的查表处理方法，可简便地编制出高效的程序;丰富的片上外设，微处理器上集成了较多的片上外围模块，包含：12位A/D，精密模拟比较器，硬件乘法器，看门狗及众多的输入输出接口;执行速度快，执行速度可达8MIPS[4]。非常适合于性能要求高、功耗低的家禽养殖场。

3.1.6  GSM模块  采用法国WAVECOM公司Fastrack M1206模块，该模块是一种工业级GSM模块，性能稳定，环境适应性强。使用时配置一个独立的SIM卡。Fastrack M1206模块通过串口和监控计算机连接，使用RS232协议通信，通过AT命令控制，比特率可达115 200比特/s。

3.2  系统软件设计

3.2.1  监控系统软件实现  在监控计算机（也可设在养殖现场）上由环境监控软件完成环境各路数据信息远程传输的接收、存储、显示以及数据分析和处理，其实现流程见图3。

3.2.2  供用户访问的Web页面功能实现  供用户访问的Web页面采用动态网页ASP和无线标记语言（WML）编程来实现。主要完成对登录用户身份的识别，发送最新监控数据，还可以根据用户的请求发送历史数据。

3.2.3  短信告警功能的实现  当禽舍内某一环境参数超出预设的阈值范围时，例如，夏季高温天气，2周龄后的肉仔鸡舍内温度超过30℃时，环境监控系统立即启动GSM模块， 自动发送短信告知指定生产管理人员。监控程序与通信模块之间采用AT指令实现相互之间的控制与通信。报警短信以文本为主，短信格式设置为文本格式。

3.3  养殖环境优化控制的实现  家禽养殖远程环境监控系统通过环境控制器连接各种环境控制设备，实现科学调节、按需优化环境的功能。环境控制设备包括各式风机、湿帘、卷帘、通风窗、暖风炉等，主要采用并联的方式接入主控器，主控器控制模式既可设置为手动控制，又可设置为智能控制。当设置为智能控制模式时，主控器接收并执行异地远程终端监控软件发来的指令，从而对环境设备进行合理的调控。

4  结论

基于物联网技术，设计开发的家禽养殖环境监控系统，融智能传感技术、无线传输技术、现代通讯技术于一体，在有线网络、无线网络环境下，利用电脑、智能手机等登录系统，无论在当地还是异地，就可随时查看家禽养殖环境信息，进而根据环境信息变化及时科学调控舍内小环境，无论是在寒冷冬季，还是在高温夏季等任何异常的外界环境下，均可确保在标准化养殖模式下家禽安全生产，确保家禽生产性能的正常发挥，有效避免疾病的发生和死亡。

参考文献：

[1]王莉丽.浅谈生产中家禽舍内环境的控制[J].养禽与禽病防治，2008（7）：42-43.

[2]  姚万华.关于物联网的概念及基本内涵[J].中国信息界，2010（5）：22-23.

[3]  王文山，柳平增，臧管胜，等.基于物联网的果园环境信息监测系统的设计[J].山东农业大学学报（自然科学版），2012，43（2）：239-243.

[4]  柳平增，毕树生，梁勇，等.畜禽养殖环境智能终端的设计与实现[J].计算机工程，2009（10）：20-22.

[5]  杨彦彬，李宁，卢智嘉.基于移动互联网的机房环境监控系统设计与实现[J].科技信息，2012（34）：167-168.