基于Arduino的大型家禽养殖场监控系统设计与实现

李年攸，吴杰良，丁 鑫，刘松毅，刘持标

(1.三明学院 信息工程学院， 福建 三明365004；2.福建省农业物联网应用重点实验室，福建 三明365004；3.物联网应用福建省高校工程研究中心，福建 三明365004)

随着人民生活水平的提高，生活物质的丰富，人们对餐桌食物关注的焦点从量的需求提升到了质的需求，家禽养殖户的数量及养殖规模也随着用户的需求增加而扩大，常年为市场提供充足的蛋和肉，为政府的“菜篮子”工程提供有力的保障。近年来，随着国家大力推行农业优惠政策,大型家禽养殖场得以迅速发展,但这也导致了一些问题。由于这些养殖场没有安装经济高效的养殖环境监控系统，对养殖生态环境的控制比较差，导致了家禽疫病的问题[1-5]。这也导致了家禽养殖经济效益的下降，直接影响到了养殖户的积极性。

虽然养殖户也尝试对家禽生长环境因素进行控制，但大多没有达到最佳效果。例如，当温度或者湿度过高或者过低时，必须通过人工来对温度或者湿度进行调控，而且这种调控方式必须得有人实时观察；在光照强度方面，禽舍内虽然有光照，但是光照的强度不一定适合家禽的生长，不适宜的光照会造成家禽鸡烦躁不安、啄癖等恶癖，导致家禽养殖质量的下降。

近年来国内外针对大型家禽养殖场监控的展开了一些研究[6-8]。文献[6]只提供了针对家禽体温与疫病关系的研究。文献[7]针对家禽养殖场的环境进行了实时监测，但环境数据只能在养殖场的电脑上才能看到，不能进行远程监控。文献[8]提供了一种基于电力线载波的家禽养殖场环境监控方案；其不足之处包括通信技术比较复杂、无APP 让用户查看实时数据及设备远程控制。

为了解决大型家禽养殖场的监控问题， 本文设计了一套基于Arduino 和Android 的养殖场环境监控系统，它包括硬件系统和软件系统。使用该系统,养殖用户可以随时随地使用APP 客户端来监控家禽的生长环境，包括监测养殖场的温度、湿度、光照强度等关键环境因素；同时，利用APP 可以实现环境的自动控制调节，使养殖场环境处于最佳状态，以此来保障家禽健康成长。所开发的设备经济适用，可最大限度节约大型家禽养殖场物力、人力成本，进而提高养殖利润和养殖户的积极性。

1 家禽养殖监控系统总体设计

大型家禽养殖场监控系统的网络拓扑图如图1所示。所开发的监控系统主要由一个或多个家禽养殖监控设备、 服务器及APP 客户端组成。家禽养殖监控设备负责采集家禽养殖现场温度、 湿度及光照传感器的数据， 并将这些数据通过WiFi 无线网络定时向服务器发送。如果有异常情形， 监控系统自动触发设备开关 （系统处于自动模式） 进行紧急防护，并通过APP 客户端通知养殖户。用户可以通过手机APP 实时查看数据及发送控制指令到家禽养殖监控设备， 来实现对通风、 调温及光照的控制（系统处于手动模式）。服务器负责接收、显示和保存来自家禽养殖监控设备的传感器数据。

图1 大型家禽养殖场监控系统网络拓扑图

2 监控设备实现

如图2所示，家禽养殖监控设备主要由Arduino mega 2560 单片机、DHT11 温湿度传感器、光照传感器、蜂鸣器、继电器、电机、WiFi 通信模块及显示屏组成。将相关电子元器件连接在一起，所实现的家禽养殖监控设备实物如图3所示。利用所制作的设备，可实现养殖场温湿度、光照强度等传感器数据的采集、显示与传输；同时，该设备还可以接收来自服务器的控制指令，并执行通风设备、光照设备及控温设备的“打开”与“关闭”。

图2 家禽养殖监控设备组成模块

图3 家禽养殖监控设备实物图

家禽养殖监控设备的软件系统主程序初始化完毕后， 便每隔0.5 s 的时间读取传感器收集数据，并将数据发送到服务器。养殖监控设备软件系统如果设置了自动监控模式，监控设备对采集到的环境数据进行判断，如果超过预先设定的阈值，除了拉响警报外，还会自启动防护设施，实现紧急自救。例如，如果养殖场环境温度过高则启动通风设施降温，湿度过大则启动除湿设备，直到环境参数达到正常值。

3 服务器实现

服务器主要实现接收、存储养殖场监控设备所发送的环境数据，并对收集的数据进行分析、显示从而生成曲线图。服务器PC 监控界面如图4所示。通过服务器的设置功能模块，可以对监控系统的手动控制模式和自动控制模式进行切换，切换过程中实现状态信息的同步（图5）。另外，服务器还为手机APP 客户端提供数据交互服务， 为养殖户提供在线帮助， 向养殖户手机发送数据与警报信息。进一步地，服务器将来自手机APP 客户端的控制指令转发给特定的家禽养殖场监控设备，以达到远程控制通风设备、控温设备及光照设备的目的。

图4 服务器PC 监控界面

图5 监控系统设置界面

服务器接收来自养殖场监控设备的温度数据、湿度数据及光照数据后，将数据通过如图6所示的代码存入到数据库，以便日后数据的查询、分析、比对与展示。

图6 服务器将接收的传感器数据存入数据库

服务器对所存储的环境数据进一步分析，可以生成曲线图（图7），有助于用户观察养殖场环境数据变化趋势，为进一步控制家禽养殖场环境参数提供科学决策依据。

4 APP 客户端实现

利用Android 应用开发平台[9]，可以设计与实现APP 客户端。如图8所示，养殖用户通过APP 可以随时随地查看养殖场环境数据， 也可以基于数据状况来实施通风设备、光照设备、加湿器及加温器的远程控制。

图7 养殖场环境数据曲线图

图8 APP 客户端运行界面

APP 客户端所展示的养殖场数据来自服务器。客户端通过实时读取来自服务的inStream 字节流来获取温度、湿度及光照等数据，并将其实时呈现给养殖用户(图9)。养殖用户通过APP 发送控制指令到服务器，进而实现对养殖场设备的远程控制(图10)。命令的发送是通过OutStream 输出字节流的write（sendBuffer）函数来实现的。根据通信协议，养殖户可以通过相应的指令实现对家禽养殖现场设备的开关控制，使养殖户无论身在何处，都能及时掌控养殖场的情况。

图9 APP 客户端获取服务器数据

图10 APP 客户端发送控制指令到服务器

5 结论

本文开发了家禽养殖场监控系统，其主要由养殖场监控设备、服务器及APP 客户端组成，使用Arduino mega 2560 单片机、DHT11 温湿度传感器、光照传感器、蜂鸣器、继电器、电机、WiFi 通信模块所制作的设备，可以实时收集养殖场温度、湿度及光照数据，并将其发送到服务器进行数据存储与分析。用户使用APP 客户端实时查看大型养殖场环境数据及远程控制通风设备、光照设备、加湿器及加温器。