大型养猪场健康养殖智能化监控系统设计与实现

刘持标等

摘 要：影响大型养猪生产的因素主要包括饲料的种类、饲料的质量、疾病、生长环境和管理水平，其中环境因素约占20%～30%，这包括猪生长环境的温度、湿度、光环境、氨气及硫化氢等有害气体。环境因素对养猪业的重要作用已被国内外大量的科学实验和生产实践所证实。文章基于物联网技术，开发了大型养猪场智能监控系统，通过该系统可对猪场环境信息实施在线监测，及时了解猪的生长环境变化和生长状态变化。根据实时监测结果，也及时采取各种措施来应对猪场生产环境的各种变化，进而提高养猪场的经济效益。

关键词：物联网；大型养猪场；智能监控；氨气；硫化氢

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）08-00-07

0 引 言

随着社会经济的发展，人们的收入水平得到了提高，对肉类消费的需求也在升高，使得我国居民猪肉消费保持平稳增长。自2000年以来，我国居民猪肉消费占肉类总消费量的60%以上，猪的健康养殖对提高国人的生活水平具有极其重要的作用。近年来，随着不断提高养猪的饲养技术水平和科学管理水平，生猪产业也从家庭式的零星饲养向集约型的大型养猪场生产过渡[1，2]。而大型养猪场一般都采用三点式隔离饲养技术[3]，将母猪场、保育场和生产育成场分别隔离开来。

1 大型养猪场的自动监测及联动控制

图1所示是一个具有2 500头母猪的的大型养猪场的三点式隔离饲养模式养猪场的示意图。图1表明，有着2 500头种母猪的养猪场，占有一个相对集中的养猪地点，每周可生产1 000头仔猪。同时，该种母猪场的建筑地点距离保育场1000米以上。饲养小猪的保育场离生长成年猪的生长育成场间隔1 000米以上的距离，每个保育场一般由4个临近的养猪点组成。保育场的每一个养猪点有1～2个养猪区，每个区可养殖1 000头小猪。生长育成场一般有9个养猪点，每个点有1～2个养猪区，每个区可养殖1 000头猪。这种隔离式的饲养方式可以有效阻挡猪的疾病传播，有利于各类猪的健康成长。

对于生猪产业，大型养猪场一般建在远离城市的地方，开发养猪场监控系统可以帮助管理人员在不到现场的情况下，实现猪场生产的监督和管理。同时，根据需要还可以通过远程视频监控系统邀请专家，向猪场提供远程指导和治疗。此外，一套监控系统可以有效地实现猪场信息管理，大大减少人员数量，有效地提高养猪业的管理水平。但目前，市场上所使用的养猪场管理系统效果均不理想[4-6]，这些系统还不能解决我国大型养猪场监控所面临的关键问题。

第一，目前还没有成熟高效的养猪场生长环境数据自动收集技术。大型养猪场每天需要测定大量的数据，依靠传统的人工数据收集及管理方法，效率十分低下。同时，基于人工的数据管理方法也很难保正数据管理的准确性、及时性和连续性，这都成为制约养猪场生产工艺改良的瓶颈。

第二，目前还没有经济且行之有效的监控技术来智能调控猪的生长环境及高效观察猪的行为特征。养猪业生产主要受养殖品种、饲料种类和质量、疫病、生长环境和管理水平等因素的影响[7]，其中环境因素所起的作用约占20%～30%。猪舍环境因素包括温度、湿度、噪声、光照和有害气体等。猪的生长环境温度过高，会造成种母猪子宫内热超高，胎儿温度升高，造成体内胎儿中毒或窒息死亡。同时，种母猪妊娠后期是胎儿体重增加的关键时期，高温会影响胎儿的正常发育，造成胎儿出生体重低，出生后生长缓慢。对于不同种类猪而言，其适宜的生长温度范围也不同，比如种公猪为17～21 ℃；妊娠种母猪为18～21 ℃；哺乳仔猪为29～33 ℃。

由于大型养猪场涉及的监控参数较多，同时需要采取的措施较多，导致劳动强度过大，各种监控困难接踵而来。为此，本文开发了一个大型养猪场高效管理系统，它可对养猪场的养殖环境进行自动监测及相关联动控制。

2 养猪场监控系统的软硬件整体设计

整合先进的物联网信息化技术建立生猪生长全过程智能监控系统，其功能包括视频监控功能、自动水帘降温功能、自动风机换气功能、恒温热风功能及信息化管理功能。

2.1 养猪场监控网络设计

图2为大型养猪场监控系统的网络拓扑图，所开发的系统可以对大型养猪场各个地点的猪舍进行监控。由图2 可知，各个猪舍中的各类传感器和摄像头可广泛采集各种数据，并将数据通过网关传输到养猪场监控数据服务中心，以对获取的大量生猪养殖数据进行分析、处理及显示。

所建设的养猪场智能监控系统可实现生猪养殖的全过程监控、科学管理和即时服务，进而实现养猪业集约、高产、高效、优质、生态和安全的目标。具体的系统功能包括视频监控功能、环境远程监测功能、环境调节设备远程控制功能和报警功能，分别叙述如下：

第一，视频监控功能可以实时地传送活动图像信息到用户客户端。同时，客户端还可以控制前端摄像机，改变摄像角度、方位、镜头焦距等，从而实现对现场大范围的观察和近距离的特写；

第二，通过环境远程监测和设备控制，可对现有猪场设备如水帘、风机、加热器等进行远程操作；

第三，利用报警功能，用户可根据需求在智能平台上设置阈值，当采集到的环境数据超过阈值的时候，系统可以进行自动报警。

2.2 大型养猪场监控系统的Web服务设计

图3所示是大型养猪场智能化管理平台系统所包含的功能模块。它包括登录管理、系统首页显示、公告中心、信息总览、地理位置、特殊操作和用户注册等。其中，信息总览是本系统的核心模块，它包括用户管理、配置管理、监控管理、文章管理和智能管理。

登录管理模块主要实现管理员登录功能。成功登录后，系统可发送短信及邮件提醒。系统首页模块主要包括图文导读、公司新闻、产品介绍、联系方式和专题网站5个部分。公告中心模块主要实现后台编辑相关文章内容的展示。地理位置模块主要实现代表养殖区域的红色标注的百度地图展示。

信息总览模块的主要功能包括监控管理、配置管理、用户管理和智能管理。监控管理包括图像监控、视频监控、环境监控和设备监控。其中，图像监控主要实现以图片形式对猪舍进行监控；视频监控主要实现以视频播放的形式对猪舍进行监控；环境监控主要实现综合性监控，包括设备控制及视频、环境数据的监控；设备监控主要实现对设备进行监控管理，包括摄像头、网关、节点、继电器及其它水电气设备（如灯、风扇等）。

配置管理是大型养猪场智能监控系统的一个重要模块，它主要实现区域配置、猪棚配置、猪舍配置和设备配置功能。区域配置主要实现对养猪场区域的增删改查配置；猪棚配置主要实现对猪棚的增加、删除、修改和查找配置；猪舍配置主要实现对猪舍的增加、删除、修改和查找配置；设备配置主要实现对设备的增删改查配置。

用户管理主要包括个人信息管理与用户列表及操作管理。个人信息主要实现对管理员信息的查看及修改，包括头像修改、密码修改和基本信息修改；用户列表主要实现对用户基本信息的查看、修改及账号冻结和解冻等操作。文章管理主要实现 “系统首页”和“公告中心”内容的编辑。智能管理主要实现对指定的猪棚设定相应的自动化管理模式。

特殊操作模块包括权限管理、角色管理、用户管理和日志管理。权限管理主要实现对系统用户的权限进行查询及编辑操作；角色管理主要负责对角色的增加删除修改查找和为指定角色分配权限；用户管理主要实现用户角色授予的编辑及清空权限的操作；日志管理主要实现管理员有关写操作的记录。另外，用户注册模块主要实现注册新的管理员，但新管理员并没有任何权限，需要超级管理员后台授予相关权限。

2.3 养猪管理平台主要数据库表格设计

养猪场实时监控过程中，各种数据汇集到智能养猪场监控系统信息平台所在的数据服务中心，该中心可以使用Oracle、MySQL及MS SQL Server等数据库来管理及存储数据。该系统建立所涉及的主要数据表格包括用户表（Adminuser）、网关表（Gateway）、传感器表（Sensor）、传感器数据表（Sensor_Data）和控制命令表（Controlorder）。各个表格之间用主键外键之间的关系进行联系，这些表格的详细信息分别介绍如下。

用户表如表1所列，用户表（Adminuser）由一个主键和九个信息字段组成，主要用来保存用户的各种基本信息。其中Userid为用户表的主键，用来唯一标示用户表中用户的信息。

网关表如表2所列，网关表（Gateway）由一个主键和九个信息字段组成，主要用来保存网关的各种基本信息。其中Gatewayid为网关表的主键，用来唯一标示网关表中网关的信息，User_way是对应用户表在网关表上的外键，表示这个网关属于哪个用户，其他字段的信息在下面表中有备注。

表3是传感器表，传感器表（Sensor）由一个主键和七个信息字段组成，主要用来保存传感器的各种基本信息。其中Sensorid为传感器表的主键，用来唯一标示传感器表中传感器的信息，Sensor_user是对应用户表在传感器表上的外键，表示这个传感器属于哪个用户，Sensor_ways是对应网关表在传感器上的外键，表示这个传感器属于哪个网关。

表4是传感器数据表，传感器数据表（Sensor_Data）由一个主键、两个外键和二个信息字段组成，主要用来保存传感器数据的各种基本信息。Isensor是传感器数据的主键，用来唯一表示传感器数据的唯一信息。其中Igateway是对应网关表在传感器数据表上的外键，表示这个传感器属于哪个网关。由于整个应用对数据的操作频繁，且操作过程主要依靠数据所属的网关（Gateway）、传感器（Sensor）等信息来查询，所以在两列Igateway， Isensor上建立索引。如果数据表中的数据增删改过于频繁，系统会花费更多时间来维护索引，从而降低了效率，所以数据表中不宜建立太多索引。

表5为控制命令表，控制命令表（Controlorder）由一个主键和十个信息字段组成，主要用来保存命令表的各种基本信息。其中Ccontrolid为命令表的主键，用来唯一标示命令表中传感器的信息，Order_user是对应用户在命令表上的外键，表示这个命令属于哪个用户。Order_dayways是对应命令在命令表上和网关相关的外键，表示这个命令属于哪个网关。Order_sensor是对应命令在命令表上和传感器相关的外键，表示这个命令属于哪个网关的相关传感器。其它字段的信息在表中有备注。

2.4 MySQL的安装及配置

MySQL数据库被用于数据的存储及处理。MySQL数据库具体的安装步骤包括7个部分，分别叙述如下：

（1）在安装过程中可选Typical安装方式，该方式可以安装MySQL数据库的常用程序，满足一般程度的数据库应用；

（2）点击Developer Components前面的X号，选择下拉列表中的第二项：“This feature， and all subfeatures， will be installed on local hard drive”，点击Next，确认选项无误后，点击install开始安装；

（3）在安装过程中，点击Next，再点击Next，在红框内的选择打钩，意思是现在就配置MySQL数据库服务器，然后点击finish完成配置步骤；

（4）在随后的MySQL配置助手首页，点击Next。然后，选取Detailed Configuration选项来进行MySQL数据库实例的详细配置，并点击Next；

（5）在数据库连接并发数配置中，配置页面选择能同时连接到MySQL数据库服务器的最大数目。数据库连接的配置有Decision Support（DSS）/OLAP（20个左右连接）、 Online Transaction Processing （OLTP）（500个左右连接）和 Manual Setting（手动设置连接数目）三个选项， 可在这里选择第一个选项，并点击Next进入另一个配置页面；

（6）点击Next进入数据库用途选项。MySQL服务器的用途包括 Multifunctional Database （通用多功能型）、 Transactional Database Only （专注于事务处理型）和Non-Transactional Database Only （非事务处理型），这里选择第一个通用多功能型，点击Next。这一步为innodb数据库实例选择一个存储空间，默认为存储在数据库的安装目录下，不用修改，点击Next；

（7）数据库服务器的网络通信配置可启用TCP/IP。如果启用了TCP/IP，就可以通过IP， 在网络上访问到此MySQL服务器，默认端口是3306。

数据库服务器的配置包括字符集的配置、操作系统相关配置和数据库安全配置，分别叙述如下：

（1）在数据库字符配置页面中，有三种字符配置选项：Standard Character Set（西文字符）、Best Support For Multililngualism （UTF8字符）和 Manual Selected Default Character Sec/Collation（手动选择一个字符集）。这里配置的字符集就是指在创建数据库的时候，如果没有指定字符集，就采用这里设置的默认字符集；如果指定了，则以创建数据库时指定的字符集为准。如果整个监控系统都用一个字符集的话，可以在这里设定好，然后每次建数据库和数据表的时候就不用指定了。这里手动选择UTF8，并点击Next；

（2）在Windows操作系统相关配置页面中，第一项是选择是否安装成为Windows的一项服务，如果勾选了，则可以通过Windows的控制面板→ 管理工具→服务来开启或停止MySQL服务器。选项“Launch the MySQL Server automatically”是开机自动启动此服务；另一选项是选择是否将BIN目录加到Windows的PATH变量中去，如果勾选了，则可以通过dos控制台直接执行MySQL命令；

（3）在数据库安全选项配置页面中，第一项是为MySQL服务器的root帐户设置密码，需要输入两遍。下面的Enable root access from remote machines意思是是否允许root帐户从远程计算机访问，如有需要可以勾选这个选项；但一般而言处于安全策略，不要勾选这个选项。另外一个选项为创建一个匿名账号，出于安全考虑，不要勾选。

所有配置都已准备好了后，点击Execute执行配置后的安装操作。在使用MySQL数据库的过程中，可使用dos命令 “net stop mysql”与“net start mysql”重新启动数据库。利用“mysql –u root -p”登录MySQL后，使用“show global variables”命令可查看数据库的相关变量配置。

3 监控系统的硬件实现

在大型养猪场管理系统的开发过程中，我们选取了大型养猪场中一个大约500平方米的猪舍来进行硬件的安装，所需的硬件配置如表6所列。根据所监控猪舍数目的变化，设备配置的数目可进行相关调整。

3.1 设备介绍

无线继电器PC控制盒可实现网关对各路电器设备的电源的“开”或“关”进行无线方式控制，它摆脱了有线继电器需要拉很长电线的制约。PC智能控制盒通过使用RS 232接口同网关进行通信。通过标配的无线遥控模块，可以发射无线信号来控制可视距离1 000米范围内的无线继电器设备。与PC智能盒进行无线通信的设备为无线继电器控制终端，它也被称为C型控制盒。C型控制盒为无线继电器电路控制部分，该终端使用250 V AC 10 A优质继电器，可以单独控制功率为2 500 W的设备。

氨气传感器用来测量环境中氨气的浓度。在监控系统开发过程中，利用MQ137气体传感器来测量氨气的浓度。MQ137的气敏材料是二氧化锡，其电导率随氨气浓度的变化而变化，加上适当温度补偿，可以测出相对准确的氨气含量。同时，硫化氢传感器用来测量环境中硫化氢的浓度。所开发的监控系统利用MQ136气体传感器来测量空气中硫化氢气体的浓度。

养猪场温湿度数据是通过SHT11系列单芯片传感器来获取的。SHT11传感器的内部结构如图4所示，它是一款温湿度复合传感器。该产品的内部结构包括温度传感器、湿度传感器、运算放大器、校准寄存器、A/D转换器和串口接口等。该传感器具有品质卓越、超快响应和抗干扰能力强等优点。

本监控系统所使用的CO2传感器为红外吸收型二氧化碳传感器，它具有测量范围宽、灵敏度高和抗干扰能力强等特点。所使用的光照传感器模块采用光敏电阻，该传感器的测量范围为0～1 400 W/m2，可对全光谱进行检测， 传感器的输出为线性电压信号。

3.2 网关制作

监控系统开发过程中所使用的网关设备是由常见的嵌入式设备来进行组装的，该嵌入式设备上可运行Android、Debian或Ubuntu等Linux操作系统。所使用的硬件设备拥有多个USB接口和多个RS 232串口，可用来进行多种传感器的数据收集和多种设备的远程控制。

用串口线连接PC控制盒和网关，并将PC控制盒接上电源。图5所示是养猪场智能监控系统的硬件设备及其连接方式示意图，其中USB线一端的转串口接口连接PC控制盒，USB线的另一端通过USB接口连接网关。网关可以通过PC控制盒发送控制命令给无线继电器，以此来实现通风设备、加热设备和送水设备的自动开闭。网关采用自动识别程序，能自动识别新接入的串口。

同时，ZigBee传感器基站也通过USB转串口线连接到网关。网关通过基站收集各种传感器的数据，并使用Httppost方式将数据发送到服务器。Httppost是客户端与Web服务器进行数据交互的一种方法。Httppost数据传输方式把提交的数据放置在Http包的包体中。理论上，利用Httppost所传输数据的大小是不受限制的，但实际各个Web服务器会对post提交数据的大小进行限制，Apache、IIS6都有各自的配置。当Web服务器接收到来自Httppost方式发来的数据后，专门的Web服务程序会对数据进行解析，并将其存储到数据库中。

4 养猪场监控系统的功能实现

大型养猪场监控数据服务中心接收网关发来的传感器及视频数据，在对数据进行分析和处理后，通过Web服务器向用户展示。同时，用户可通过Android手机客户端或者PC客户端对远程设备进行控制，控制命令通过Web服务器转发给安装在养猪场猪舍中的网关。网关通过RS 232或者RS 485串口向继电器设备发送控制命令来实现通电电路打开和关闭，进而控制设备的运行。本系统运用了模块划分的方式来进行开发，主要模块的功能设计与实现分别介绍如下：

4.1 系统登录界面

管理员需要输入账号、密码及验证码，经后台验证通过后才算登录成功。成功登录后，系统会自动给管理员发送邮件提示。登录界面设计及实现如图6所示。

4.2 养猪场的地图显示

图7所示是养猪场监控系统地理位置显示界面。通过地图可显示养猪场不同地点养殖区的分布，可选择局部区域或者大范围区域进行查看。用户点击红点可看到该养殖区的基本信息，并可进入该养殖区域进行监控管理。

4.3 静态数据管理

图8所示是静态数据管理界面，通过区域管理模块可实现对用户、养殖区、设备等静态信息的基本管理，包括增加、删除、修改和查询等操作。

4.4 传感器实时数据分析处理及动态显示界面

图9所示是实时数据监控页面，通过实时数据处理模块可对收集的各种传感器数据进行处理，并通过报表的方式显示实时环境监控信息以及网关下属传感器组成比例等信息。报表方式有折线图、时序分布图和饼状图等。同时，用户通过查看报表可更直观地了解养猪场的实时环境信息。

4.5 养猪场视频监控

视频监控如图10所示，用户进入养殖区域管理界面后，点击Web页面的相关连接，可以通过控制摄像头查看猪舍现场视频，观察猪的生长情况。同时，还可以对远程摄像头作出一些控制，比如上下左右的移动和拍摄存储等。

4.6 设备的手动控制及智能化控制管理界面

养猪场设备的手动控制如图11所示。用户通过查看养猪场不同区域的数据分析后，如发现养殖区环境因素不在合适的范围内时，可主动对远端的相应设备进行控制。

通过图11所示的管理界面，还可实现温湿度调节、光照调节及加强空气流通性等。例如，当温度过高的时候，对风扇、水帘（电磁阀）进行控制，实现对猪舍的降温处理；当空气中的有害气体成分过高时，对门窗，风扇等进行控制，加强空气的流通性等。

同时，为了避免对猪舍环境调节的不精确性，以及人工监控的不足，还可以通过设置“智能模式”来实现对养猪场环境的智能化调节。通过设置传感器的参数，并启用该模式，服务器将会传输相关的配置参数到不同的网关，并将智能化控制参数存储到网关的嵌入式数据库中。网关根据嵌入式数据库控制命令管理表格中的参数，对各自收集的数据做出分析处理，在无须人工干涉的情况下，就可实现对设备的智能控制，达到养猪场生长环境自动调节的目的。

5 Android手机客户端监控管理

手机客户端的用法主要是根据使用者的习惯来设计的。手机客户端页面大致有欢迎页面、登录页面、区域显示页面、个人信息页面、数据动态页面、控制调节页面、图像监控页面和警报分析页面等。

为了开发大型养猪场智能化管理平台手机客户端并实现其主要功能，需要实施以下几个主要步骤。包括搭建软件开发框架、收集程序开发资料、手机客户端和服务端交互、手机客户端显示数据、手机客户端控制设备、播放实时视频及警报分析等，具体分别叙述如下：

（1）搭建Android开发环境，安装JDK，在系统中运行Java程序，并进行简单试验测试环境是否搭建成功；

（2）收集跟需求相关的开发资料，了解每个流程使用的组件，熟悉每个组件，搭建手机客户端的基本框架；

（3）使用JSON字符串，实现客户端和服务端的数据交互，并对字符串进行相关的解析；

（4）手机客户端接收来自服务端的传感器数据，解析后显示在手机客户端中；

（5）使用手机客户端对设备进行控制，实现设备的开关功能；

（6）使用手机客户端查看当前摄像头所拍摄到的实时环境信息；

（7）根据养猪场区的各种信息，对场区的各种警报因素进行分析，并使用图表的方式进行显示。

5.1 手机客户端登录页面

手机登录页面如图12所示，用户登录后，可以从这个页面进入功能操作页面。主要功能模块包括数据动态、控制调节、图像监控和警报分析。其中，数据动态页面如图13所示，它可以显示当前登录用户所管理猪舍的实时环境信息。

5.2 控制调节与图像监控

猪舍设备的控制调节页面如图14所示。控制调节的实现是基于手机与服务器之间的命令交互来实现的。手机发送设备控制命令到Web服务器，其进一步将命令发送给管理特定设备的网关，实现设备的“打开”或者“关闭”，从而控制猪舍的生长环境。

养猪场手机客户端图像监控页面如图15所示。当管理人员出门在外时，可以通过移动通信网络随时随地由Android客户端登录服务器，实现对养猪场的远程视频监控管理。当触摸特定摄像头旁边的“进入”按钮时，也可以看到特定摄像头所监控猪舍的实时环境图像信息。

6 结 语

本论文运用C编程技术、Java编程技术、物联网信息化技术及数据融合技术，开发了大型养猪场健康养殖监控系统。本监控系统包括Web服务器端及智能手机客户端。Web服务器端的开发是基于Java EE企业级平台及使用Struts、Hibernate和Spring三大框架来实现的，其可实现视频监控、自动水帘降温、自动风机换气、恒温热风及信息化管理功能。同时，通过手机客户端，还可实现大型养猪场的远程智能化管理；包括猪舍环境数据实时显示、猪舍设备实时控制和猪舍生长环境实时视频监控。

由此可见，该大型养猪场监控管理系统的开发及推广，对提高猪场的猪产品质量及经济效益具有显著的作用。

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