基于物联网的智能母猪养殖管理系统

张 洋，曾松伟

（浙江农林大学信息工程学院，浙江 临安 311300）

1 引言

随着社会生产力的发展，从事母猪养殖产业的人数日益减少，劳动力相对的也越来越缺少，原有的生产技术已经满足不了日益增长的行业发展需要。目前，母猪养殖业效率低下，信息化数据化水平低，对母猪的身理信息没有具体的显示，母猪身理情况等信息数据得不到第一时间的获取。

基于物联网的母猪养殖集成系统将畜牧业和物联网结合在一起，对每头母猪进行个体识别，建立永久档案[1]。通过电子耳标和耳标阅读器来获取每只猪的身份 ID，建立永久档案，跟踪监测并记录母猪个体的饮食、体况、发情等信息，自主分析猪个体的生理状况，实现科学、精确的饲喂。该系统对目前母猪养殖方式进行革新，提出以物联网为基础的母猪养殖系统，通过嵌入式系统[2]，并适合当下母猪养殖产业应用，将养猪业和物联网结合起来，提高了养殖场数据化水平，实现了对养猪场的即时、远程监控，获得更高的工作效率和经济效益，扩大了养殖场规模。以此达到对养殖场的信息化数据化管理，提高工作效率和经济效益，数据化显示的目的[3-5]。

2 系统总体设计

2.1 功能需求

现设计一个母猪养殖过程监视、检测、控制、管理系统。该系统需要具备智能化，实时性，数据化，稳定性等特点。以养殖母猪为例，该系统能将每头猪区分开来，在数据库中生成每头猪的体温、体重、饲喂记录等数据以便日后查找分析，该系统还要能实时地更新数据。针对上面的功能需求，该系统必须实现以下具体功能：1）每头母猪标号入数据库；2）检测母猪体温和发情状况；3）养殖场与终端数据库的通信；4）养殖场检测数据实时更新并显示。

2.2 系统的总体设计

基于物联网的母猪养殖集成系统由三部分组成。分别为：1）感知层：主要由温湿检测模块、发情检测模块和疫情监测模块组成；2）传输层：GPRS 数据传输模块组成；3）应用层：由主监控室、数据库组成。

首先，感知层通过红外和电子耳标传感器侦测母猪的情况，包括体温、发情，通过温湿度传感器探测养殖场的环境参数。然后，由GPRS 模块构成的传输层负责将养殖场的全部监测数据实时地传递给主监控室，管理人员可以在监控室中查看到养殖场的各种信息，系统实现了对母猪个体的信息化管理。基于物联网的母猪养殖集成系统的总体设计框图如图1所示。

基于物联网的母猪养殖集成系统由硬件电路和软件程序实现构成。硬件部分主要包含STM32F1单片机最小系统，数据传输电路，红外传感器电路等；软件部分主要包含中央控制器模块，GPRS 数据收发模块，红外传感器P228 模块，上位机显示等，软件部分采用模块化设计思路，使设计方案思路清晰并且容易纠正错误。以STM32F1单片机为核心控制器，实时接收来自各种传感器的数据，将数据分析处理后，又经过GPRS 模块反馈给后台管理人员，管理人员再决定下一步的操作。

图1 系统总体设计框图

3 基于物联网的智能母猪养殖管理系统的硬件设计

3.1 主控制器

STM32F1 单片机是该养殖集成系统最重要的控制器，数据的采样，接收，处理，发送，显示等全部需求都需要它来完成。该养殖集成系统采用性价比较高的STM32F103芯片。该单片机程序都是模块化的，接口相对简单，自身功能丰富，融高性能、实时性、数字信号处理、低功耗、低电压于一身，同时保持高集成度，是各类中小项目和完整平台解决方案的理想选择。

3.2 数据传输模块

GPRS 网具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线等优点。该养殖集成系统中的GPRS 模块选用SIM900A，SIM900A 是一款能在增强型全球移动通信系统和数字蜂窝系统的频段下工作且支持GPRS 多种编码格式的芯片，功能强大[6]。9GPRS 模块将传感器采样得到的数据通过AT指令传送给后台数据库。

3.3 红外传感器模块

红外传感器是一种能感应目标辐射的红外线，将热辐射转换为电阻变化的传感器。该模块由红外体温传感器、猪体温采集发射器、纽扣状电池等组成，结构简单，不需要接触猪的皮肤，避免了水银温度计测肛温的麻烦操作[7]。

传感器能测量母猪的体温。当母猪体温高烧在40.5 ℃以下时，可以注射退烧药加适当抗生素，而不需要专门退烧针；当母猪体温在40.5 ℃以上时，要用退烧针进行退烧。

3.4 发情监测模块

发情监测模块用于监测母猪是否处于发情状态。有种叫做“试情法”的方法可以监测其结果。试情法主要是通过母猪在XY 及性行为上对雄性动物的反应判断其发情程度。当母猪发情时，通常表现为愿意接近雄性和发出求配动作等，而不发情或发情结束后则表现为远离雄性。发情监测模块为电子耳标和耳标阅读器，电子耳标佩戴在母猪的耳朵上[8-9]，耳标阅读器装在母猪栏与公猪栏交界处。当带着电子耳标的母猪接近公猪时，耳标阅读器会发出声音，并根据每头猪不同的电子耳标分辨记录靠近母猪的个体（id）号，通过单片机传到数据库。如果一段时间内，某头母猪靠近次数增多，饲养员会来到养殖场根据观察法等方法经验做出判断。发情监测模块和人工复查结合，可以很大程度上解决母猪发情不能及时发现的问题。

3.5 HMP45D 温湿度传感器模块

HMP45D 温湿度传感器的测温元件是铂电阻传感器Pt100，铂电阻温度传感器是利用其电阻随温度变化的原理制成的[10]。测温元件是利用四线制恒流源供电方式，这种方式使测量结果不受电缆长度的影响并且精度高。

HMP45D 温湿度传感器的测湿元件是HUMICIP180 高分子薄膜型湿敏电容，湿敏电容是利用其介电常数随环境的湿度变化的原理制成的。

4 基于物联网的智能母猪养殖管理系统的软件设计

4.1 系统总体分析设计

设计首先初始化系统，首先通过各种传感器探测得到环境的指数和母猪的身理参数，将测量得到的数据送至主程序进行相应的处理，将计算后获得的数据通过GPRS 模块发送给上位机，上位机再通过串口将数据传给主机。从养殖场传来的数据最后显示在了主机上。系统流程图如图2 所示。

4.2 GPRS 模块传输数据的实现

STM32 单片机初始化GPRS 模块和ADC 模块，用AT 指令配置GPRS 传输模式，使GPRS 模块与后台数据库建立连接。设置间隔1 s发送1 次，每次发送200 字节。

ADC 传感器采集到数据通过串口传给单片机，单片机接收到数据包后对其进行CRC 检验，如果数据正确则传给后台数据库，否则舍弃。图3 是GPRS 模块收发数据过程。

5 基于物联网的智能母猪养殖管理系统的实现

5.1 上位机的实现

5.1.1 上位机选择

上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，上位机起到发送命令的作用。控制者和提供服务者是上位机，通常选择工控机，工作站，触摸屏为上位机。上位机的开发软件有很多：visual studio 2008，它支持项目模板、调试器和部署程序，可以高效率开发web 应用；MFC，它包含有应用程序框架，可以减少开发人员的工作量。Qt，它既可以开发GUI 程序又开发非GUI 程序。而且很容易扩展；labview，它使用图像化编写语言G 编写程序，生成的程序是框图的形式，具有优秀的可阅读性。

该系统使用的是labview，labview 是美国国家仪器（NI）公司研制开发，labview 与其他计算机语言的显著不同是：其他计算机语言所生成的代码都是利用文本，而labview 使用的图形化语言。Labview是NI设计平台的设计核心，也是开发工控和测量的完美选择。选择labview 的另一个重要的原因是大学的时候作为一门专业课程专门学习过，对软件的应用也比较熟悉。

5.1.2 Labview 与单片机的连接

首先将单片机与计算机相连，通过串口助手查看是否连接成功。按如图4 方式创建程序框图，通信波特率设置为9 600，数据长度设置为8 位，奇偶校验位设置为无，停止位默认为10：1 位[11]。

5.1.3 labview 与数据库的连接

首先打开MySQL 的可视化工具navicat 软件，输入连接服务器名和密码即可进入。然后，如图5 程序框图，labview 与MySQL 数据库建立连接并初始化[12]。

5.2 数据库的实现

5.2.1 MySQL 数据库介绍

图2 系统流程图

图3 GPRS 模块收发数据过程

MySQL 是一个关系型数据库管理系统。MySQL 所使用的 SQL语言是用于访问数据库的最常用标准化语言。MySQL 软件采用了双授权政策，分为社区版和商业版，由于其体积小、速度快、成本低、源码开放。有如下5 点优点：1）性能卓越服务稳定，很少出现异常宕机；2）开放源代码且无版权制约，自主性强、使用成本低；3）历史悠久、社区及用户非常活跃，遇到问题，可以很快获取到帮助；4）软件体积小，安装使用简单，并且易于维护，安装及维护成本低；5）支持多种操作系统，提供多种API 接口，支持多种开发语言[13]。

5.2.2 数据库管理界面

该养殖集成系统上位机部分具有实时显示的功能，可以准确及时地掌握现场相关情况，能实现对养猪场的即时远程监控。上位机显示包括环境温度、环境湿度、母猪身体温度、电子耳标碰撞次数、母猪监控录像。系统正常运行导入数据后如图6 所示。

6 试验结果与分析

上电开机并完成初始化后，单片机执行程序进行数据采样并通过GPRS 模块发送给PC 端的MySql数据库，最后MySql 数据库导入Excel 软件进行分析处理得到表1。

表1 数据提供每头标号母猪的体温、电子耳标碰撞的数据，体温数据可以判断是否出现疫情，当母猪体温超出正常在40.5 ℃以下时，可以注射退烧药加适当抗生素，而不需要专门退烧针；当母猪体温在40.5 ℃以上时，要用退烧针进行退烧。电子耳标碰撞次数可以判断是否发情,当碰撞次数超过1 d 内15 次，管理人员应对其进一步检查跨栏行为和观察对公猪的反应来判断发情状况。该智能养殖系统方便工作人员做出判断，及时对发情或疫情母猪处理。同时提供养殖场的温湿度参数，当出现温湿度不适的状况可以方便管理员调节控制养殖场。

7 小结

基于物联网的母猪养殖集成系统将畜牧业和物联网结合在一起，对每头母猪进行个体识别，实现母猪个体的体况、发情等数据的信息化，使管理员能合理地调整每个个体的食物摄入量，实现科学、精确的饲喂；该养殖集成系统能节省人们的劳动力，实现信息化生产并提高母猪养殖的综合效益。依据对该养殖集成系统的说明，可以看出该养殖集成系统有较好的推广前景，并且顺应了数据化信息化养殖的社会发展趋势。

图4 labview 与串口通信的程序框图

图5 labview 程序框图

图6 养殖场信息图

表1 全天母猪养殖数据表