基于物联网的猪舍环境监控系统

贾安峰 刘永宁 王 众 郑业鲁* 钟日聪 路鹏云

（1广东广垦畜牧工程研究院，广东广州 510000；2东莞市广垦食品有限公司，广东东莞 523000；3广东广垦畜牧集团股份有限公司，广东广州 510000）

物联网是利用各种传感技术，按照一定的通信协议，通过网络把物与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现远程监视、自动报警、自动控制、早期诊断和维护的一种巨大智能网络。猪舍环境中的温度、湿度和有害气体浓度对猪的生长影响巨大[1]，运用物联网技术可实现猪舍内环境的实时监测与智能控制[2]，猪舍环境恶劣、结构复杂，故猪舍环境监控系统需结合实际情况进行设计。

1 物联网架构

物联网从技术架构上来看，可分为三层：感知层、网络层和应用层。

1.1 感知层

感知层的功能是实现物与物之间相关信息的识别和采集，感知层由摄像头、GPS、传感器等与短距离传输网络组成。摄像头、GPS、传感器等设备用来进行识别和数据采集；短距离传输网络是将传感设备收集到相关的数据发送到网关或者将应用平台控制指令传送到控制器[3]。

1.1.1 数据采集模块

传感器网络终端节点主要由数据采集、处理、传输和电源管理4大模块构成。监测终端节点中的数据采集模块主要包含各种传感器，如温湿度、有害气体传感器等。数据处理模块主要是简单数据处理系统；数据传输模块包括有线传输的接头串口或者无线传输的信号发送器；电源模块即给整个监测终端节点供电；有些监测终端节点还包括数据存储模块；这些模块均连接在微处理器上，微处理器即单片机。

在传感器的安装方面，由于广东的亚热带气候，常年高温高湿，再加上猪场经常冲水和消毒，因此，除了需考虑成本外，还需要考虑传感器的材质、防护等级、长期稳定性、抗干扰能力、抗腐蚀能力和功耗等因素。猪舍环境中温度、湿度和氨气浓度相对于其他环境因子对猪生长性能的影响较大。应根据实际情况对猪舍内的温度、湿度、氨气浓度的传感器进行选择。

⑴温度传感器主要有热敏电阻型、热电偶型和光纤传感器3种（表1）。热敏电阻型温度传感器的材质主要有半导体类、金属类和合金类。半导体类材料的电阻与其流度呈指数关系，因此测量温度的范围较狭窄、均匀性也较差；金属类主要是镍测温传感器，镍是一种较理想的材料，因为它有高的灵敏度，且具有较好的稳定性和重复性；热敏电阻合金类均具有较高的电阻率和电阻温度系数，因此可以制成小型化、高灵敏度的测温传感器，广泛地用于环境温度的监测。热电偶型温度传感器的材质，一般的导电材料均适用，易被空气腐蚀，且空气的水分也影响其稳定性。现阶段研究的光纤温度传感器主要是半导体吸收式温度传感器、辐射式温度传感器和光纤热色传感器等。这类传感器的精度很高，但价格昂贵[7]。从成本、防护等级、长期稳定性、抗干扰能力、抗腐蚀能力和功耗等因素再结合猪舍内部环境因素考虑，热敏电阻合金类温度传感器相对更适合于猪场。

⑵湿度传感器有5种类型，分别是：电阻式氯化锂湿度计、露点式氯化锂湿度计、碳湿敏元件、氧化铝湿度计和陶瓷湿度传感器（表2）。这些湿度传感器均是非密封性的，为了确保测量结果的准确度和稳定性及使用寿命，应尽量避免在酸性、碱性及含有机溶剂的环境中使用，也应避免在粉尘较大的环境中使用。为准确反映所监测环境的湿度，应避免将湿度传感器放置在离墙壁太近或空气不流通的死角处。若被测空间太大，应分布式放置多个传感器。针对湿度传感器对工作环境的要求，可选用厂商提供的相关附件，如保护套、水冷却、空气冷却系统、空气吹扫器等，这些保护装置可有效地保护湿度传感器，延长传感器使用寿命。若从传感器价格、结构、精度等角度进行考量，几种均适合；碳湿敏元件中的湿敏电容式湿度传感器其电容变化量与相对湿度成正比，其优点是灵敏度高、产品互换性好、湿度的滞后量小、无冲蚀效应、便于制造、容易实现小型化和集成化，可优先选择此类湿度传感器。

⑶氨气传感器根据其材质和原理不同分为金属半导体传感器、导电高聚物传感器、电化学传感器、纳米材料传感器、光纤传感器和电子鼻6种（表3）。金属半导体传感器的最佳使用温度在300℃左右，不适合猪舍；导电高聚物传感器随着使用时间的延长，灵敏度降低，稳定性下降；电化学氨气传感器内含有液体电解质，电解质的蒸发或污染均易减弱传感器信号，但利用NIFION膜研制的固态电解质氨气传感器，稳定性好，1年的信号损失率仅为1%；纳米材料传感器价格昂贵；光纤传感器昂贵且分析周期长；电子鼻精确度不够。结合猪舍及氨气传感器的特点，建议优先选择氨气电化学传感器。

1.1.2 数据传输模块

数据传输方式分为：有线信号传输和无线信号传输。有线信号传输基本原理是借助光、电信号作为传输介质通过双绞线、电缆、光纤、数据线等传输媒介实现信号输送[13]。有线信号传输的优点：①具有良好的传输性能；②抗干扰能力强、准确性高；③信息安全性高。缺点：①信号传输不方便，且传输距离有限，需要架设电缆、光缆等，成本高；②维修难[14]。

无线信号传输工作原理是利用电磁波、声波，传输的信息要依次经过信息采集、调制、放大、发射、接收、选台、解调、放大和还原等环节[15]。无线信号传输的优点：①传输信息容量大、覆盖面广、性价比高；②维护方便、综合成本低；③适应性、扩展性好。缺点是：①抗干扰能力差；②技术要求高。

表1 温度传感器

综上所述，在猪舍内部使用无线传感网络，可减少布线的麻烦，传感器节点的安装更方便；在猪舍栋与栋之间使用有线通信传输，数据传输的稳定性更好。信息采集之后可通过互联网、移动网实现远程用户通信，目前无线信号的传输方式有很多，如Wi-Fi、蓝牙、NFC、Zigbee、UWB和LoRa等（见表4）。单栋猪舍内部建议选用无线信号传输方式，由于猪舍内部环境因子变化慢、数据传输量较小，监控系统对数据采集的实时性要求不高；所以，目前国内高校及企业关于畜禽舍环境监控的物联网技术中的无线传感器网络主要采用的是Zigbee技术[3,7]建立无线传感器网络模式（如图1）。

表2 湿度传感器

表3 氨气传感器

表4 几种无线信号传输方式的比较

图1 Zigbee无线传感器网络模式图

由图1可知，主节点就是协调器，它是整个无线传感器网络的核心部分，负责建立一个无线网络，并将其他节点加入无线网络并分配给相应地址，提供路由信息、安全管理和其他服务。路由节点负责转发信息和维护网内路径，允许子节点通过它加入无线网络。通常情况下，路由节点和主节点均不能休眠。终端节点主要任务是发送信息，通常终端节点可以通过休眠的方式来降低能耗，但其不能转发信息。

节点通常由干电池供电，其能量有限，且更换不便。节点的能量有限已成为制约无线传感网络大规模应用的一个重要因素，如何减少节点的能量开销变得尤为重要。目前国内针对增加节点寿命的方法进行了大量研究，主要是针对网络中的路由算法进行研究，包括以下几种方法：①基于能量有效性分簇的粒子群优化算法；②一种加入移动基站的优化路由算法；③一种加入移动协调节点和汇合节点的LEACH优化算法等。笔者认为这些方法均治标不治本，节点仍面临需要定期更换等问题。

当前我国，由于很多猪场建在偏远的地方，网络信号传输不畅，周边又无基站。这些较偏远的猪场可尝试采用LoRa技术建立无线信号传输。LoRa是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术，其优势在于技术方面的长距离信号传输能力，LoRa技术在高性能、远距离、低功耗等方面特点突出。其无线传感器网络类似于Zigbee无线传感器网络。

笔者认为，目前国内高校及农业物联网公司采用的大多数是基于Zigbee技术的无线传感器网络技术，若现在养殖基地利用物联网技术进行猪舍环境监控，可采用Zigbee无线技术；同样，可以找一个场同时进行基于LoRa的物联网技术尝试猪舍环境监控。

1.1.3 继电器

农业物联网需要构建“全面感知—可靠传输—智能决策—自动控制”的闭环，才能起到真正指导生产的作用。网关节点同时还负责控制猪舍环境调控设备运行的任务，系统通过继电器交流接触器的方式控制风机、遮阳网等环境调控设备的运行。

1.2 网络层

网络层的功能主要是完成猪舍内所采集相关信息的传递和处理。网络层由接入网络和核心网络两部分构成。接入网络是连接感知层的网桥，并将数据发送到核心网络。核心网络是通过多种方式组成的互联互通的网络。网络层的关键技术包括移动通信技术、有线宽带技术、公共交换电话网技术、通信技术、网络终端技术等[4]。 建在偏远地方的养猪场，联网不方便，可 釆用移动通信网络；信息到数据中心后的传播基本都是基于Internet的传输。

1.3 应用层

应用层的主要功能是实现与实际应用所需数据的处理和管理。应用层主要由物联网中间件和物联网应用件两部分构成。物联网中间件即独立的软件或程序，它的作用一方面是管理计算机资源和网络通信，另一方面是把两个独立应用程序或独立系统连接起来。物联网应用件是指物联网中用户直接使用的各种应用软件。应用层的关键技术主要有软件技术、云计算等各种数据处理技术。应用层中移动端或PC端软件，应结合猪场生产的需要，设计相应的界面。

2 猪舍环控物联网模型

随着猪场规模的不断扩大，对猪场管理便捷的要求也随之提高，一种比较合理的畜禽舍环境监控系统的网络架构应该包括养殖场服务器、网关、信息中心服务器、中继节点、集成控制器以及传感器终端和可视端（PC端或移动端） （见图2）。畜禽舍里的中继节点收集各位置的传感器终端发送来的信息，经汇合、处理，发送至网关，再通过远程信号传输传至服务器。图2的系统构架，就是在传感器中继节点处通过RS485总线连接风机、水帘等设备的集成控制器。

图2 猪舍环境监控系统构架

3 结语

构建基于物联网的畜禽舍环境监控系统，是提高畜禽生产养殖效率的重要手段。养猪企业在选择物联网系统架构中，除了考虑物联网系统中所需软硬件设备及信号传输途径外，还应该结合猪场的实际情况进行选择。

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（部分参考文献略）