生猪远程监控系统的设计

高 平，吴海云，刘 华，孔忠亮，杨 凡

（天津农学院 工程技术学院，天津 300384）

生猪远程监控系统的设计

高 平，吴海云通信作者，刘 华，孔忠亮，杨 凡

（天津农学院 工程技术学院，天津 300384）

动物福利与动物健康息息相关。针对生猪集约化养殖面临的活动空间不足、生存环境相对恶劣等问题，设计了一种生猪远程监控系统。系统利用传感器技术，实时采集温湿度、氨气和硫化氢等猪舍基础环境参数，并利用震动传感器监测生猪运动情况。传感器采集的数据由微控制器分析处理后，经CC2430无线通讯模块实现数据传输，并将监测结果呈现于基于VB的上位机界面。上位机比对监测数据与设定参数后远程控制驱赶电机、圈门电机、猪圈冲洗装置以及灯光等调节机构，以保证生猪健康生长。该系统可以帮助养殖户主了解并实现生猪驱赶运动，改善生猪生长环境，同时提高现代养殖的自动化水平。

动物福利；驱赶运动；生猪；远程控制

在西方国家，动物福利被认为是食品质量安全的重要标志[1-3]。有研究表明，动物福利将影响动物健康，并直接影响动物食用者的健康[4]。随着人们生活水平的提高，蛋白质的需要不断上升，其中猪肉由于蛋白质含量较多、口感好而受到人们的喜爱。我国是猪肉生产和消费大国，国家统计局发布数据显示，2015年上半年全国猪牛羊禽肉产量为3 906万t，其中猪肉产量达2 574万t[5]。

传统养殖由于生长周期长，运动量大，猪熟肉制品香，口感好，但产量低。随着现代大规模养殖业的发展，猪肉的产量大幅上升，但同时猪肉的风味也越来越不尽人意。究其主要原因是现代集约化密封式养殖的猪肉产品肌肉松弛，苍白无水感。人们对生猪产量的狂热追求，肆意缩短生猪的生长周期，违规用药等现象时有发生，使得猪肉成为食品安全的高危食品之一[6]。导致这些现象的主要原因是我国的生猪在养殖环节存在活动空间不足、生存环境相对恶劣的现象[7-8]。因此，对于猪舍环境控制系统的研究十分必要。

传统舍环境的监测主要依靠养殖人员凭借养殖经验预估，无法满足现代化养殖需求[9]。近年来，随着计算机技术，微电子技术以及物联网技术的飞速发展，一些学者开始将这些技术应用于现代化养殖中，提高自动化水平[10-12]。本研究针对猪舍环境监测及生猪自主运动缺乏的问题，利用传感器技术、无线网络技术、嵌入式技术、物联网技术等现代信息技术，提出一个基于无线传感器网络技术的生猪远程监控系统，实现远程可监可控功能。

1 系统概述

生猪远程监控系统（以下简称“系统”）包括MSP430F169微控制器、环境参数监测传感器、排风扇、照明灯、冲水泵、模块化驱赶电机以及上位机监测终端等设备组成，其结构如图1所示。系统利用传感器技术、无线网络技术、嵌入式技术等现代信息技术对猪舍环境进行实时监测，并根据猪的生长需要，对猪舍环境进行科学合理的优化控制，以生猪养殖集约、优质、健康为目标。系统监测了解生猪的运动量，帮助养殖户主了解并实现驱赶运动。采用物联网技术，将监测结果呈现于PC端（基于VB的上位机界面）或者养殖户主手机上。上位机控制驱赶电机、圈门电机运转、冲洗、灯光保证生猪健康生长，驱赶运动提高肉质，同时简化饲养员的工作程序，改善其工作条件。

图1 装置结构示意图

2 猪舍布局及工作原理

猪舍的合理布局将保证系统工作的有效性。猪舍布局图如图2所示，将猪舍分为两个区域：休息区、进食区。在休息区布置驱赶电机1和驱赶电机2，进食区布置驱赶电机3，并在休息区和进食区布置一个开门电机。平时生猪在休息区休息，当通过震动传感器监测到生猪的运动量不够时，驱动电机1和电机2进行错位驱赶生猪运动，直到监测运动量达标。该进食时，通过上位机发送进食指令执行动作：圈门电机运转开门，驱赶电机1运转，驱赶电机2停止，当生猪进入到进食区，圈门关闭。通过视频监控生猪进食情况，当进食完毕后，上位机发送结束进食指令，执行动作：驱赶电机3运转进行驱赶，圈门电机运转开门，当生猪到休息区后圈门关闭。

图2 猪舍布局图

3 硬件设计

3.1 微控制器（MCU）

本系统采用TI公司的MSP430F169单片机为核心的微控制器。MSP430F169具有较大的程序和数据存储区，外围模块丰富，其片内还包括一个硬件乘法器。同时F169单片机开发工具简便，内置A/D和D/A转换模块，具有丰富的片内外围，性价比极高。MSP430F169封装原理图如图3所示。

图3 MSP430F169封装原理图

3.2 数据采集部分

温度、湿度和氨气含量等是猪舍的基础环境参数，也是影响猪健康生长的主要因素，因此本研究把它们作为主要的监测指标。猪舍内放置温湿度传感器、氨气浓度传感器和硫化氢传感器，实时监测环境参数。同时为了监测生猪运动情况，在生猪腿上绑上震动传感器采集生猪的运动参数。

选用DHT11型传感器进行温湿度采集。作为一种新型的单总线数字温湿度传感器，DHT11具有体积小、功耗低、响应速度快、抗干扰能力强、控制简单、性价比高等优点。

MQ137气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2），它具有对氨气的灵敏度较高、长寿命、低成本的优点，驱动电路简单。因此系统采用MQ137半导体氨气传感器监测氨气浓度。

硫化氢传感器采用H2S-D1型传感器。它具有体积极小、低成本、适用于大批量OEM客户，灵敏度达到110～160 nA/ppm。

无线震动传感器模块由SW-420型震动模块和ZigBee无线模块组成。SW-420为单滚轴型全方位感应触发开关，可全方位感应不同方向的震动。ZigBee无线模块由CC2430组成，其功能是采集感应触发开关的震动频率，然后将频率传输给主节点。该模块完全密封式封装，可防水、防尘，具有高震动灵敏度，由3.7 V锂电池供电，安装在猪腿上。

3.3 数据传输部分

系统将采集到的数据经过单片机分析，然后由Zigbee通过以太网关和路由器传送到上位机，同理上位机发送指令控制猪舍执行器件。

采用CC2430无线通讯模块进行数据传输。该模块具有数据传输速率低、功耗低、抗干扰能力强、高安全性、高可靠性、容量大、优良的网络拓扑能力等特点。CC2430无线模块原理图如图4所示。

图4 CC2430原理图

3.4 控制部分

系统将采集到的数据通过MCU进行分析处理，处理过后的数据通过无线模块传输到上位机。控制部分通过MCU控制继电器的通断进而控制驱赶电机和圈门电机的运转。利用继电器控制执行器件，保证MCU和传感器的正常工作的同时满足执行器件的功率要求。采用这种将系统模块化的方法，有利于系统的安装和后期维护。

图5 程序流程图

4 软件设计

4.1 系统流程

程序流程图如图5所示。上电后，先对系统初始化，使得系统工作在一个合适的状态下，然后主控单片机每隔1 s经ZigBee模块向外发送“心跳”包信息并等待PC机应答，在PC机应答指令中，还包含一系列的控制指令，比如控制排风扇、冲水泵指令或者无操作控制指令等。如果接收到无操作控制指令，系统就会转为采集环境数据操作并将数据打包发送给上位机等操作。反之，系统会转为解析控制指令程序并进行相关的控制，比如控制排风扇、冲水泵工作或者不工作。

4.2 上位机界面

上位机界面如图6所示。该界面利用VB自主开发，可根据用户自己的意愿改变窗口布局，使得更人性化。

图6 上位机界面

上位机显示采集到的猪舍环境参数和生猪运动量（图6以显示一头生猪运动量为例），同时可以通过上位机控制执行器件（电机、排风扇、冲水泵、灯）。用户也可以自主开发，方便系统的扩展和完善。

5 结语

集约化生猪养殖促进了生猪养殖业的发展，但是生猪生长环境恶劣和运动量缺乏等因素使得猪肉质量明显低于散户养殖。本研究利用传感器技术和无线网络技术设计了一种猪舍监控系统，实现环境参数和运动量的实时采集。并将采集数据经无线网络传回上位机，实现远程控制功能，从而有效改善生猪生长环境，提高动物福利。目前室内养殖仍多以人工为主，现代化水平不高，市场内还未出现此类装置系统，因此本系统能很好的进行推广，市场前景较好。

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[11] Duan Yuyao，Ma Li，Liu Gang. Remote monitoring system of pig motion behavior and environment based on Internet of Things[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2015，31（S2）：216-221.

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Design of Remote Monitoring System for Living Pigs

GAO Ping, WU Hai-yunCorrespondingAuthor, LIU Hua, KONG Zhong-liang, YANG Fan
（College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

Animal welfare is bound up with animal health. In view of the problem of activity space shortage and the relatively poor environment for the pig farm, a drive system was designed. Some of basic environmental parameters, such as temperature、humidity and hydrogen sulfide, were real-time acquired using the sensor technology. The pig movement was recorded by the vibration sensor. The data collected by the sensor was analyzed by the microcontroller, and then the processed results were transmitted by the CC2430 wireless communication module and presented in the upper computer interface based on VB. After compared the monitoring data with the setting parameters, the control devices such as the driving motors, door motors, pigpen washing and lighting device were controlled remotely by the host computer to ensure the growth of living pigs. The system could be used to help the farmers to understand and realize the driving movement for living pigs, thus improved the pig growth environment and enhanced the level of automation for modern farming.

animal welfare; driven movement; living pigs; remote control

S126；TS252.7

A

1008-5394（2016）04-0051-04

2016-01-12

高等学校博士学科点专项基金“高压脉冲细胞破壁条件下的奶牛乳腺炎的高精度电检测技术研究”（20121403110002）；天津市自然科学基金“高光谱与介电谱速测牛奶中蜡样芽胞杆菌的理论方法研究”（13JCYBJC25700）；天津市高等学校大学生创新创业训练计划项目“基于四电极的液体阻抗测量系统设计”（201510061140）

高平（1993-），男，四川广安人，本科在读，主要从事物联网方面的研究。E-mail：729276300@qq.com。

吴海云（1985-），女，湖北随州人，助理研究员，博士，主要从事智能传感器方面的研究。E-mail：haiyunwu2013@163.com。