基于物联网的青贮发酵智能监控系统初探*

万先起 徐一 欧之福 魏鼎才 李光辉 彭晓琴 王林

四川省农业机械研究设计院，四川成都

0 引言

为满足人们对肉类产品日益增长的需求，国家大力发展畜牧养殖业，农业农村部“粮改饲”政策持续实施，农业结构由粮经二元结构发展为粮食、经济、饲料三元结构。饲料的生产和供给持续增长，饲料中尤以青饲料增长最快，最受饲养家畜喜爱。但青饲料供给受生产环境、气候影响较大，季节性强，无法实现全年均衡供应。青饲料的贮存就成畜牧养殖经营主体的最大难题，青贮技术应运而生。青贮得好，青饲料营养得以保存，养殖效果显著；反之，青贮得不好，饲料营养损失较大，甚至霉变腐烂，易引起家畜病害或死亡，造成损失。青贮的关键在于青贮工艺的保障和监控。为此，作者提出基于物联网技术建立青贮发酵智能监控系统，对于保障青贮饲料的质量尤为必要。

1 系统组成

基于物联网的青贮发酵智能监控系统（以下简称“系统”）主要包括感知层、传输层和应用层。系统组成框图如图1所示。

2 系统设计

2.1 系统感知层

系统感知层主要是通过各种传感器对水分、pH 值、温度等环境参数进行采集，并将采集到的参数经过ZigBee 无线网络传输到ZigBee 网关层。由于受到青贮发酵内的实际环境影响，传感器必须与原料进行接触才能检测到发酵过程的参数变化。为此，选用的传感器需要具有体积小、精度高、工作时间长、耐腐蚀等特点。

2.1.1 水分检测

图1 系统组成框图

在整个制作环节中，水分含量对青贮质量影响重大。水分过高，青贮饲料容易腐败变质；水分过低，青贮饲料营养容易流失，甚至发干、霉变。对于水分的控制过去一般由人为经验判断，由于不同操作人员感觉偏差、经验差异等因素的差别，易造成青贮饲料质量不稳定。

本系统采用低功耗的水分检测仪，埋入青贮窖内，在装填开始时即对青贮水分进行检测。发现水分不合格时立即报警提示，操作人员可以通过添加水分或者加入干燥玉米粉等及时进行调配，直至水分满足需求。

2.1.2 pH值检测

发酵在整个加工过程最为复杂和关键，大体经历三个阶段。

1）当青贮填装完成后，植物呼吸消耗氧气产生二氧化碳，为乳酸菌发酵提供厌氧条件。

2）厌氧环境下，乳酸菌开始发酵，pH 值下降，到达一定pH 值时只有乳酸菌继续存活，抑制有害物质产生，防止腐败。

3）乳酸菌进一步发酵，环境pH 值继续下降，当pH值在3.0 左右时，乳酸菌停止活动，此时整个青贮环境基本处于无菌状态，养分被锁住，进入稳定期。

青贮发酵这一系列化学活动直接决定了后期青贮的质量。但是通常青贮装填密封后基本不做任何管理，各个发酵阶段的情况也不作监控，因此无法保证青贮是否成功。

发酵过程中，pH 值的变化可以精准、实时地反映发酵情况，因此，本系统将pH 值做为关键要素监控，如果发现参数变化异常，及时提醒管理人员和操作人员采取措施，保证青贮质量。

2.1.3 温度检测

适宜的青贮窖内温度应维持在20～30 ℃之间，当残余氧气过多时，不仅会造成原料浪费，而且会使青贮窖内温度过高引起青贮饲料腐败，因此，实时监控窖内温度，对青贮饲料的发酵控制具有积极意义。

本系统设计采用封装完后的数字温度传感器，传感器采集的数据可以直接进行数字传输，主控芯片接收到该信息能够直接进行处理。

2.2 系统传输层

系统传输层主要包括ZigBee无线网络、ZigBee网关、以太网。通过ZigBee 数据包和TCP/IP 协议数据包的双向传输，在二者之间搭建一条透明传输通道，完成ZigBee技术和以太网互通。

整个网络传输体系包括ZigBee网络和以太网两部分。采集节点将采集的参数通过ZigBee 网络以多跳变的方式传送到ZigBee 汇接点，汇接点将数据发送到网关，网关进行ZigBee 数据包解析，从数据包中提取有效数据，进行协议转换和重新封装打包成TCP/IP 数据包，经过以太网传输将数据送到服务器，服务器接收数据并做解析，数据分析处理完成后实时把数据同步至App 客户端和显示屏。

2.3 系统应用层

系统应用层主要包括显示屏、客户端、服务端。服务端依托第三方云服务做具体功能开发，功能模块主要实现数据分析、处理；显示屏安装在发酵池，实时显示环境参数信息；客户端是整个系统最关键部分，采用移动客户端的方式设计，保证管理人员和操作人员可以通过App随时随地监控发酵情况，App客户端设计如下。

2.3.1 登录模块

主要实现作业人员和管理人员的系统登录、用户注册、找回密码、账号挂失功能，同时，针对不同身份人员做权限区分，保证信息安全，登录模块如图2所示。

2.3.2 监控和统计模块

主要对所有发酵池的监控，考虑发酵过程的连续性，数据半小时更新1次。当监控出现异常，App端及时提醒用户，监控模块如图3 所示；为保证发酵池历史信息查看，也便于数据统计分析，系统会对单个发酵池数据进行统计并做处理，统计模块如图4所示。

2.3.3 通知模块

当App 不在运行状态时，系统主动推送消息提醒作业人员或者管理人员及时查看监控信息，做出相应补救措施，通知模块如图5所示。

图2 App登录模块

图3 App监测模块

图4 App统计模块

图5 App通知模块

3 结束语

本文通过利用物联网、无线传感、网络控制技术，构建了基于物联网的青贮发酵智能监控系统，能对青贮发酵过程中不同发酵阶段的水分、pH 值、温度进行精准监控，并实时监测并安全预警。可避免由于不同操作人员的感觉偏差或者误操作等带来不必要的损失，最大限度地保证了青贮饲料的质量，可为解决当下青贮技术瓶颈、提高饲料质量提供一种参考和借鉴。