基于物联网的智慧猪舍养殖系统

2020-11-06郑小南杨凡李富忠

物联网技术 2020年10期

郑小南杨凡李富忠

摘要：传统的养猪业主要通过人工进行，养殖过程繁琐，需要耗费大量的人力、物力、财力，且不易对整个猪舍的环境进行判断，也无法实时监测养殖环境，因此提出一种基于物联网的智慧猪舍养殖系统。该系统通过5G、互联网、NB-IoT、ZigBee等技术实现了生猪养殖的环境监测、远程调控和远程监控。实验表明，与传统模式的养殖相比，所提系统提高了生猪养殖的质量和效率。

关键词：物联网;猪舍养殖;智能化;5G;NB-IoT;ZigBee

中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）10-00-03

0 引言

近年来，物联网技术在农业的管理、生产和服务等方面迅速发展，由此衍生出农业物联网的概念[1]。总的来说，农业物联网就是通过各种传感器来获取养殖业、种植业、园艺业以及农产品物流等方面信息，然后将获取的各类信息通过互联网、ZigBee、5G、NB-IoT等技术传输到移动应用终端，使管理者能够对各类信息整合，了解农业生产的产前、产中、产后的实时动态，并远程完成参数控制，实现农业生产过程的智能化和高效化，同时有效地提高农业生产效率和农产品质量，以达到农业生产的高效、优质、安全目的[2]。

生猪的养殖过程中，品种差异、环境条件、饲料品质、疫病等都会对生猪健康和最终的猪肉品质产生一定程度的影响，其中环境因素所起的作用占20%～30%。生长环境影响因素主要有：空气温湿度、气体浓度、光照强度和噪声等[3]。已有许多的研究和生产实践过程表明生长环境不佳会对养猪业生产的质量造成极大的影响。传统的养殖方式无法对生长环境参数实时获取，基于物联网的智慧猪舍养殖很好地解决了上述问题，将物联网技术的优势与传统养殖业相结合，实现了养猪业的智慧化、自动化和精准化，解放劳动力的同时，提高了品质和产量。

1 系统概述

1.1 系统设计原则

（1）该系统在设计时要运用模块化设计，保证模块的独立性，各模块之间彼此不受影响。同时，可以方便的增加新的应用系统。

（2）系统设计的目标就是给用户带来便捷和高效，所以需要保证在电脑、手机移动终端可以运行和操作。

（3）系统数据库的设计在可以充分保证该系统数据安全的前提下，还需要对后期添增新的应用系统留有接口;同时，数据要建立冗余机制[4]。

（4）该系统具有灵活性，分为不同的权限，即管理员和用户。管理员可以根据用户性质分配给用户不同权限，并且确保未分配给用户的权限不可运用。

（5）统一应用框架要求。使用统一的应用程序支持平台，使用统一的的用户身份验证、程序功能接口组件、管理组织和人员以及访问权限控制功能。

（6）统一信息资源编目要求。该系统中有需要信息资源编目的部分，因此需要统一编写一个可以进行信息获取、整理、编排、查询的组件。

（7）统一数据共享要求。主数据管理组件主要对该系统的的共享数据进行存储和管理。要实现数据共享，首先需要对基本数据（如基本代码）进行统一的管理以及的统一存储。

（8）主数据管理组件进行数据共享时，主要通过数据共享视图和共享接口来实现，该系统可以此来获取共享的数据资源。

（9）统一数据交换要求。该系统在参数设置上要能够与其他系统的参数进行交换[5]。为了实现各个应用统一部署节点和不同部署节点之间的数据交换，需要构建统一的数据交换平台。

（10）统一使用公共组件要求。组件主要包含智能文档组件、工作流管理组件、全文检索组件以及内容管理组件等。

1.2 系统整体框架

智慧猪舍养殖系统的整体框架如图1所示。感知層通过各类传感器来获取猪舍内的环境信息，主要包括空气的温湿度、粉尘、气体浓度、光照参数、视频监控参数等。网络层主要是运用5G，TCP/IP，NB-IoT等物联网技术，将从传感器中获取的环境参数，实时的传输到系统的客户操作界面应用层，以此来完成客户对猪舍的监测、远程控制和视频监控。当环境的某一参数超过客户设定的界限时，该系统就会向客户的移动终端发送提示短信并伴随警报提示，客户不需要返回养殖舍进行人为干预，只需要通过远程控制系统即可完成对养殖舍环境的调节[6]。

1.3 系统功能

1.3.1 自动采集功能

本系统主要在猪舍安装各类传感器，通过传感器实现环境因素的自动采集，主要包括空气温湿度、光照、气体浓度等参数的采集。

（1）猪舍内空气温湿度调节

在夏季，通常会由于室内温度过高，影响猪的生长发育，此时，传感器可以用来对比室内外温度差。当室内温度过高时通过风机完成室内外的空气交换，使室内达到一个适宜的温度，空气湿度调节与此原理相同[7]。在冬季，主要采用电热炉、太阳能等设备保持猪舍的温度，使得猪舍内能维持一个使猪感到适宜的温度。

（2）猪舍内光照

猪在生长发育过程中可能会患有佝偻病和缺钙症，充足的阳光可以对该疾病起到预防作用，而且还可为猪舍消毒杀菌[8]。大量研究和生产实践表明，对于不同用途的猪种，所需的光照时间也存在差异。商品猪舍所需的光照时间要低于种猪舍和仔猪舍[9]，这样有利于其休息和肥育。自然光照不足时则需要通过人工补充光照，光照时间充足有利于猪的生长发育还可促进母猪的发情、配种和妊娠。

（3）猪舍通风换气

猪舍内需要安装风机进行通风换气，保持猪舍内空气清新。因为猪舍长时间不通风，会导致一些有害气体（二氧化碳、氨气）堆积，长期累积下来，便会对猪的健康造成危害，导致其免疫力低下，增加患病的风险[10]。对于通过猪舍内有害气体的监测，可以通过传感器来实现，当浓度达到一定限制时，便会提醒用户进行管理，打开风机对猪舍通风。当然通风换气也要考虑季节对舍内温湿度的影响，如冬季选择中午温度较高时进行，夏季则正好相反。空气流通过程如图2所示。

1.3.2 远程控制功能

远程控制系统主要包括测控模块、配电控制柜和安装附件，再通过5G或NB-IoT等无线传输模块完成与客户应用层的对接，并且当猪舍内的一些环境指标（空气温湿度、气体浓度、光照）[11]出现异常情况时，根据监测平台的报警功能，用户可通过计算机或手机远程控制环境调节设备，使猪舍内环境适宜，有利于猪的生长和保障猪肉产品的质量。

1.3.3 环境监控功能

猪舍内安装视频监控，管理员和客户通过视频监控可以实时查看到猪舍内的各种情况，减少人工现场巡查，提高了监管和生产效率。安装摄像头的方式投入少回报大，现已成为智慧养殖的一个主要发展趋势。

1.4 系统应用平台

饲养者可以使用计算机，移动电话和其他信息终端来实时监测，从而为及时调整相关生产和制定新的计划提供数据支持[12]，主要功能如下：

（1）实时获取猪舍内空气温湿度、气体浓度、光照时长等;

（2）记录过去每一时段的数据，方便后续进行数据总结和查询，防止紧急情况出现;

（3）数据制成历史曲线视图，过去时段的变化趋势一目了然，方便总结经验教训;

（4）具备预警功能，当检测出现异常时，能够为相关人员预警，降低生产损伤;

（5）具备应对机制，根据突发状况，实现远程设备控制，达到一定智能化养殖[13];

（6）简化设备操作，设备使用更加通俗易懂，易于推广。

2 系统优势

（1）系统功能较全面，可以实时对猪舍温度、湿度、氨气、二氧化碳、粉尘以及压力监测和视频追踪，当参数超过限定值，系统自动报警确保猪舍环境适宜。

（2）系统从用户角度出发，具有简洁性，高效性，便于用户学习和使用。

（3）系统具有实时性，每间隔10 min采集系统数据并上传。

（4）该系统拥有多种无线方式上传指令并可远程实时监测，只要存在处于有网络的情况下，用户均可登录系统远程察看养殖场的监测画面和信息，并且能够远程调整设备参数。

（5）基于物联网的智慧猪舍养殖平台将环境监测、远程遥控、视频观察等多功能混合，具有智能化、数字化、网络化的特性[14]。实现科学的养殖舍监控、毒害防治等环节，增加产能、提高规模、减少资源消耗和人力成本，推动现代畜牧业发展。

3 结语

猪肉作为人们最受欢迎的肉类之一，需求量也在日益增长，促使生猪养殖业不断扩大的同时，也导致管理人员的工作量加剧。传统的养殖过程繁琐，且养殖环境无法实时监测，基于物联网智慧猪舍养殖系统智慧通过5G、互联网、NB-IoT、ZigBee等技术，实现了生猪养殖的环境监测、远程调控和远程监控。与传统模式的养殖相比，该系统提高了生猪养殖的质量和效率。以此来看，物联网技术在养殖业方面具有很大的利用价值，未来的养殖业将朝着智慧化、自动化方向发展。

参考文献

[1]贾宝红，钱春阳，宋治文，等.物联网技术在设施农业中的应用及其研究方向[J].天津农业科学，2015，21（4）：51-53.

[2]李道亮.物联网与智慧农业[J].农业工程，2012，2（1）：1-7.

[3]张秋亭，赵婉莹，刘继军，等.猪舍内温度和通风对猪的影响研究综述[J].猪业科学，2016，33（3）：38-40.

[4]王保山.基于C语言的通用数据库接口设计[J].铁路计算机应用，2006，20（5）：10-12.

[5]王琦.云环境下政府数据交换与共享平台方案设计[J].信息与电脑（理论版），2017，10（3）：163-165.

[6]黄缨，杨丹.信息技术在种猪生产中的应用案例分析[J].猪业科学，2014，31（8）：90-91.

[7]董万福，王志军，张喜才，等.猪舍内夏季降温技术分析[J].吉林畜牧兽医，2013，34（8）：28-29.

[8]李莉.豬舍内有害气体控制的措施[J].养殖技术顾问，2012，4（1）：213.

[9]张均正.猪舍小环境的调控[J].新农村，2003，20（12）：15.

[10]白红杰，赵博，范磊，等.4种有害气体对猪群健康状况的影响及其控制技术[J].河北农业科学，2014，18（4）：79-83.

[11]于华丽，刘淑霞，王骞，等.禽畜舍环境多因子监测系统[J].农机化研究，2013，35（10）：178-180.