基于物联网技术的孕羊养舍监测和控制系统研究

2022-02-17邵毅

电脑知识与技术 2022年35期

邵毅

摘要：在农业信息化大背景下，文章思考以物联网Iot、传感器、摄像监控、自动化技术，对山羊养舍进行信息化、智能化升级和改造，提出了一种山羊养舍的环境监测和自动化控制系統的设计方案，并进行了初步实践。通过UML建模语言，使用VISIO2013工具设计系统UML用例图、部署图；使用CAD设计羊舍、构件的结构、布局、剖切图。实践中，视频监控选用先进AI训练摄像监控及其系统；选用NH3传感器、温湿度传感器及其云平台软件采集和分析数据。最终实现了羊舍智能化管理，对山羊怀孕检测和看护起到了较好的效果。本研究期望使用物联网技术助力山羊智慧养殖和高繁研究，为智慧农业贡献力量。

关键词：物联网；传感器；山羊；智能养舍；怀孕检测；看护

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）35-0102-04

研究背景

如今在乡村振兴工作中，提出了数字农业建设，其中对于山羊养殖来说，就要通过信息化如物联网IOT、传感器、自动化等技术提高山羊养殖效率。目前，养殖中对山羊怀孕的判断通常是依靠临床知识和经验来判断，时间较长，饲养人员对母羊检测工作量大，容易忽略对母羊的特殊照顾，导致怀孕的母羊容易受到伤害。因此，为解决此类问题，毕节市科技局2019立项了联合基金项目：基于物联网技术的山羊怀孕检测系统研究（文件编号：毕科发〔2020〕2号；项目编号：毕科联合字zy〔2019〕4号）。针对项目，本文旨在提出设计一种山羊养舍的环境监测和自动化控制系统的设计方案，部署一间山羊怀孕检测和看护智能养舍。

1研究思路

研究的思路为：数字农业背景下找问题→通过物联网IOT、传感器、自动化技术分析问题→通过物联网IOT、传感器、自动化技术规划设计解决方案→通过物联网IOT、传感器、自动化技术实践探索→通过信息化设计和部署的情况进行思考归纳→形成专利。

2 研究意义和必要性

（1）我国智慧农业发展处于初级阶段，国外，信息化和农业正在快速整合。（2）国家、地方出台大力支持发展数字农业、智慧农业政策和文件。（3）孕羊检测和看护缺乏信息化、数字化手段。对山羊怀孕的判断通常是靠临床知识和经验，时间较长，饲养员对母羊孕测工作量大，易忽略对母羊的特殊照顾，导致孕羊易受到伤害。

3提出问题

由上见信息技术（如：物联网IOT、传感器、自动化技术）应用到孕羊检测和看护工作方面势在必行。以孕羊的养舍为着眼点，利用物联网、传感器、摄像监控、自动化技术，对山羊养舍进行智能化升级和改造，从而对羊舍的环境监测和自动化控制的目的，最终实现利用物联网技术实现山羊怀孕检测和看护，助力山羊智慧养殖和高繁事业。这里提出设计一种山羊的养舍的环境监测和自动化控制系统的设计方案。

4分析问题

具体怎么设计，经过大量调查和实践，孕羊的养舍是孕羊的重要活动场所，解决上述问题，这里提出设计一种基于物联网IOT、传感器、自动化技术的山羊怀孕检测和看护智能养舍。以下根据业务需要分析，使用visio2013工具绘制羊舍信息系统的UML用例图，主要涉及两个重要角色[1]。

5 解决问题

根据以上分析情况，为解决问题，对基于物联网IOT、传感器、自动化技术的山羊怀孕检测和看护智能养舍进行设计。具体内容如下：

5.1 架构设计

利用传感器感知系统采集，到网络传输、到云平台使用、到门户应用设计，到集成架构功能（报警推送、数据服务、平台维护、报表统计），对系统架构进行了初步设计，具体见下图2（左）系统架构[2]。

5.2 部署设计

使用visio2013，对系统进行部署绘制设计。上位机和下位机配合，通过传感器采集温度、氨气、感应等指标，当达到临界值触发电磁阀开启和关闭，从而实现自动开启/关闭供暖系统、通风系统，羊舍自动开关门系统，从而实现自动控制管理。利用物联网技术、云平台，通过手机app等门户应用平台监测和管理数据，集成服务实现羊舍的智能管理，具体见下图2（右）系统部署[3-4]。

5.3 网络拓扑设计

通过物联网通信感知技术，设计Wi-Fi网络继电器把温湿度传感器、氨气传感器、抽风机、暖风机、通风格栅等通过新的方式联在一起。通过NB-I0T或4G网络传输的方式，定时将采集的数据发送到云平台最终完成数据采集的目的，除了联动通风机等控制系统外，还可预警，用户可对远程设备控制，调节智能设备，改善养殖环境[5-6]。

5.4 整体设计摘要

包括羊舍本体，羊舍本体上开设有含感应传感器的智能门禁感应开关柜门，且羊舍本体的设置有独立围仓，独立围仓的一侧铰接有保护栏杆，且独立围仓上端设置有监测结构，每个独立围仓相邻之间设置有人行通道，羊舍本体一侧外壁固定安装有抽风机，抽风机的输出端固定安装有出风管道，出风管道的末端延伸至羊舍本体的内部，羊舍本体的另一侧外壁上固定安装有含氨气传感器和温度传感器的智能温控通风格栅，实现自动感知开启关闭格栅和启动关闭抽风机。最终达到辅助山羊怀孕检测、智能监测、辅助报警、智能化管理的作用，也可以起到保护怀孕母羊的作用，节约人力工时，提高工作效率[7]。

5.5 整体图纸设计

通过使用CAD软件，对羊舍结构绘制设计。下图3为 CAD绘制羊舍系列结构图，舍a是本设计的结构示意图；舍b是本设计的羊舍本体的布局图；舍c是本设计的剖切图；舍d是本设计的监测结构的结构示意图。结构图中：1、羊舍本体；2、含感应传感器的智能感应开关门禁柜门；3、抽风机；4、出风管道；5、暖风机；6、进风管道；7、智能温控通风格栅；8、独立围仓；9、分段温度传感器检测仪；10、人行通道；11、保护栏杆；12、无线传输模块；13、总控模块；14、暖风罩；15、暖风分管道；16、电磁阀；17、连接框架；18、摄像结构；19、HCG传感器。

5.6 整体设计内容说明

设计一种山羊怀孕检测和看护智能养舍，达到辅助山羊怀孕检测、智能监测、辅助报警、智能化管理的作用，同时也可以起到保护怀孕母羊的作用，节约人力工时，提高工作效率[8-9]。

上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：包括羊舍本体，所述羊舍本体上开设有含感应传感器的智能感应开关门禁柜门，且所述羊舍本体的内部呈均匀设置有独立围仓，每个所述独立围仓的一侧铰接有保护栏杆，且每个所述独立围仓上端设置有监测结构，每个所述独立围仓相邻之间设置有人行通道[10]。

通过采用上述技术方案，该结构中设置有多个单独设置的独立围仓，可以对怀孕的母羊进行单独保护，防止羊群聚集的过程中出现争斗的问题，导致母羊受伤的问题，从而起到了保护母羊的作用。

进一步设置为：所述羊舍本体一侧外壁固定安装有抽风机，所述抽风机的输出端固定安装有出风管道，所述出风管道的末端延伸至羊舍本体的内部，所述羊舍本体的另一侧外壁上固定安装有智能温控通风格栅，所述智能温控通风格栅的内部设置有氨气传感器和温度传感器。

通过采用上述技术方案，该结构中设置有抽风机和智能温控通风格栅，抽风机和智能温控通风格栅可以通过氨气传感器被触发启闭，从而实现对整体的羊舍本体内部进行置换空气，防止在对母羊养护的过程中，羊舍本体内部出现异味的问题，此外，通过温度传感器感知羊舍顶端温度变化，从而触发智能温控通风格栅的启闭，从而达到实现对羊舍自动保温和散热的作用。

进一步设置为：每个所述独立围仓的上端固定安装有连接框架，所述连接框架上呈对称设置分别固定安装有摄像结构和HCG传感器（本传感器需要人为取下操作采集数据），每个所述摄像结构位于每个所述独立围仓的上端。

通过采用上述技术方案，通过设置的摄像结构，可以对每个单独存在的独立围仓进行实时监测，实现可视化监测，视频数据采集，视频数据训练、深度学习，并通过HCG传感器采集的数据对母山羊进行实时检测，最终辅助对山羊怀孕进行预警。

进一步设置为：所述连接框架上呈对称设置固定安装有暖风罩，每个所述暖风罩上连接有暖风分管道，每个所述暖风分管道的末端固定安装有进风管道，所述进风管道延伸至羊舍本体的外壁一侧，且所述进风管道的末端固定安装有暖风机，暖风机通过智能温控通风格栅上的温度传感器且独立围仓库的摄像结构智能判断是否有山羊，从而最终触发自动启闭暖风机。

通过采用上述技术方案，针对环境温度对母羊怀孕期间的影响，设置有暖風罩，对单独的独立围仓内部进行辅助升温。

进一步设置成：每个所述暖风分管道与连接框架的相交处固定安装有电磁阀。

使用上面方式后，在暖风罩开始进行辅助升温的过程中，通过独立围仓库的摄像结构智能感知和判断是否有山羊，从而启动每个对应位置的电磁阀，实现单独辅助升温，独立控制。

进一步设置为：每个所述独立围仓的内部一侧固定安装有分段温度传感器检测仪。

通过采用上述技术方案，在对每个母羊进行养护的过程中，设置的分段温度传感器检测仪，可以对每个独立存在的母山羊进行实时温度检测。

进一步设置为：所述羊舍本体内壁一侧固定安装有无线传输模块和总控模块，所述无线传输模块与总控模块之间电性连接，且所述总控模块与分段温度传感器检测仪、摄像结构、HCG传感器和电磁阀之间电性连接。

通过采用上述技术方案，整体羊舍中每个分段温度传感器检测仪、摄像结构、HCG传感器和电磁阀均通过总控模块控制，而总控模块通过无线传输模块与使用终端连接，实现远程控制，每个分端温度检测仪检测每个独立围仓内部的山羊体温温度变化，单独感知，实时监控。

综上所述，本设计具有以下有益效果：该结构中设置有多个单独存在的独立围仓，可以对批量羊群进行独立养护。在养护过程中，可以实现可视化管理，实现对图像的采集、训练、深度学习人工智能分析怀孕山羊的怀孕行为；对羊舍内部温度和氨气利用传感器感知进行自动控制，实现智能操控，操作方便；对山羊体温和HCG指标进行检测，辅助检测怀孕状况。

5.7 实施部署详情

结合羊舍系列结构图中的舍a-d在威宁自治县芦虹养殖场试验羊舍实施，详细说明如下：

一种山羊怀孕检测和看护智能养舍，包括羊舍本体1，羊舍本体1上开设有含感应传感器的智能感应开关门禁柜门2，且羊舍本体1的内部呈均匀设置有独立围仓8，每个独立围仓8的一侧铰接有保护栏杆11，且每个独立围仓8上端设置有监测结构，每个独立围仓8相邻之间设置有人行通道10。

如舍a所示，羊舍本体1一侧外壁固定安装有抽风机3，抽风机3的输出端固定安装有出风管道4，出风管道4的末端延伸至羊舍本体1的内部，羊舍本体1的另一侧外壁上固定安装有智能温控通风格栅7。

如舍c和舍d所示，每个独立围仓8的上端固定安装有连接框架17，连接框架17上呈对称设置分别固定安装有摄像结构18和HCG传感器19，每个摄像结构18位于每个独立围仓8的上端，连接框架17上呈对称设置固定安装有暖风罩14，每个暖风罩14上连接有暖风分管道15，每个暖风分管道15的末端固定安装有进风管道6，进风管道6延伸至羊舍本体1的外壁一侧，且进风管道6的末端固定安装有暖风机5，每个暖风分管道15与连接框架17的相交处固定安装有电磁阀16，每个独立围仓8的内部一侧固定安装有分段温度传感器检测仪9，羊舍本体1内壁一侧固定安装有无线传输模块12和总控模块13，无线传输模块12与总控模块13之间电性连接，且总控模块13与分段温度传感器检测仪9、摄像结构18、HCG传感器19和电磁阀16之间电性连接。

工作原理：在使用期间，可以将批量的怀孕母羊驱赶到独立存在的独立围仓8中，防止羊群中出现争斗导致母羊受到伤害；在养护过程中，可以根据实际使用情况，通过智能温控通风格栅7，感知羊舍内部的空气变化，开启抽风机3，对羊舍本体1内部进行抽换气，减少羊舍本体1内部的异味；并设置有单独存在的摄像结构18，对独立存在的独立围仓8内部进行实时监测，实现可视化监测；并通过分段温度传感器检测仪9，对每个独立存在的独立围仓8的山羊进行实时温度监测；因为设置的暖风机5处于开启的状态，通过智能温控通风格栅7的温度传感器和摄像结构18感知，所以当某一个独立存在的独立围仓8内部出现温度过低和有山羊在时，对应位置的自动电磁阀16开启，通过暖风罩14向独立围仓8内部输送暖风，起到辅助升温的作用。

本具体实施通过各种传感器实现了羊舍的智能化管理，提高了养殖场的工作效率。

5.8 实施使用的信息硬件、软件、部署现场

传感器：温湿度传感器、氨气传感器（其他类似气体传感器有：二氧化碳传感器、pm2.5传感器、二氧化硫传感器、一氧化碳传感器等）。

Wi-Fi网络继电器：利用Wi-Fi网络的电控制器件4路，输入的变量到达一定值后，从而触发输出电路数字发生变化从而起到控制电器的一种电器。

应用软件：选用精讯云，是一款全新的云平台大数据操作系统，系统的可操作性强，直观的显示界面，更完美的转发管理系统：监控选用萤石云。

5.9 实践结论

作为试验的羊舍，通过物联网和传感器技术的使用，实现了羊舍养殖的智能化提升，设计的羊舍合理、可行。另一面，在羊舍内部署的各种线路，因为老鼠的泛滥被咬坏，影响了系统的使用，这也是将来下一步在推广中应该考虑到的环境因素。

6 结论和展望

撰写本文，笔者查阅了大量的国内、省、市资料，调查了物联网、传感器、自动化技术山羊畜牧养殖、智慧养殖的文献[11-12]，针对问题提出了一种山羊的养舍的环境监测和自动化控制系统的设计方案，然后通过在威宁自治县芦虹养殖场以当地黑山羊和场地进行初步实践部署，通过物联网和传感器技术实现了羊舍的智能化控制，并以“一种山羊怀孕检测和看护智能养舍”为名提交了实用新型专利申请，取得了较好的成效。但也遇到设备、线路被鼠害等问题。

本文期望为山羊智慧养殖和高繁项目研究产生引领和借鉴价值。本研究还比较浅显，还有艰巨的工作要去完成。笔者计划将来对本成果进行推广，利用物联网技术在其他家畜的智慧养殖和高繁项目上开展更多研究，争取新的成绩。

参考文献：

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