基于物联网的畜牧业环境监控系统的设计与实现

郑安琪，黄凯宁

（蚌埠学院，安徽 蚌埠 233030）

0 引 言

在以物联网、大数据、人工智能为代表的科学技术发展浪潮下，畜牧行业迎来了向信息化转型的巨大挑战和发展机遇。随着我国经济的快速发展和生活质量的日益提高，传统的畜牧业在产量、品质和环境监控等方面都无法紧跟时代步伐，目前国内大部分畜牧行业以中大型养殖场为代表，大都采用传统与初级物联网技术并存的养殖方式，传统养殖方式占主导地位，因此亟需加快现代物联网等技术与畜牧业养殖的深度融合。物联网技术通过传感设备为畜牧业提供了大量、丰富的实时信息，大数据及云计算为采集到的信息提供了深度分析和预测等支持，人工智能则基于物联网和大数据深入发展，在机器视觉、语音识别和畜牧业智能穿戴等多个方面融入畜牧行业的生产与管理，改变了传统的养殖方式，提高了生产管理效率，降低了人力成本，也为畜牧业架构的发展蓝图提供了思路。结合上述转型发展架构，本文研究了以物联网技术为基础的智能畜牧业养殖系统。本系统以畜牧业的环境自动调节为主，具备温湿度控制、气体浓度监测、自动饲喂、光照强度控制等功能，适用于各种养殖场。系统利用通信技术实现数据远程控制，实现养殖场中物与物、人与物的互联，管理员可通过PC端或者手机终端APP进行实时调控，同时将采集到的数据形成数据报表，根据得到的数据可以预测饲养物的健康和生长情况。系统总体上达到了养殖物生长环境监控的预期要求。为畜牧业向科技型、标准化产业转型升级提供了参考。

1 系统总体结构设计

系统总体结构分为：感知层、网络层、管理层、应用层。感知层采集到的数据经过网络层和管理层最终达到应用层，从而实现养殖场室内外环境数据的采集监控。具体结构设计如图1所示。

图1 系统总体结构设计

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件架构

系统由STM32主控模块、时钟电路、复位电路、数据采集模块、按键模块、数据显示模块、数据控制模块和数据通信模块构成。具体框架如图2所示。

图2 系统硬件框架

2.2 主控模块

本系统选用STM32F103ZET6作为MCU，设定标准阈值，通过STM32F103ZET6完成数据采集后，与正常范围进行比较，再判断是否开启相应继电器。具体执行流程如图3所示。

图3 下位机总流程

2.3 数据采集模块

系统的数据采集模块主要包含温湿度检测、气体检测、光照强度检测和二氧化碳检测四个部分。

（1）温湿度检测模块

适宜的温湿度是养殖物生长的首要条件，所以需要将饲养环境的温湿度维持在固定阈值内。系统采用STH20温湿度传感器，通过RS 485通信。根据某市4～5月数据采集情况以及文献调研情况，将饲养环境的正常温度范围设为：22～26 ℃，相对湿度范围设为：50%～70%，该阈值适用于当前养殖场。当温湿度超出正常范围，继电器会吸合开启温湿度调节设备，直至温湿度回归正常。

（2）易燃气体监测模块

养殖场内易燃气体是威胁养殖物安全的重要因素。系统选用MQ135气体传感器，拥有IC接口，检测浓度范围为：10～1 000 ppm（酒精）。当传感器监测到易燃气体后，会通过继电器开启风机降低浓度，并且将故障代码推送给饲养员和管理人员及时处理。

（3）光照强度监测模块

根据动物生长需求的不同，控制光强在最宜生长的范围，有利于提高产量和肉类品质。BH1750光强度光照传感器对应广泛的输入光范围（相当于1～65 535 lx），拥有IC接口，直接进行数字输出，具有低成本、体积小、高灵敏度的特性，工作电压为3～5 V，适用于本系统。设置测量范围为：10～6 500 lx，当传感器监测到光强度低于标准范围3 min后开启照明设备，从而避免因特殊情况频繁采集数据。

（4）二氧化碳检测模块

二氧化碳浓度直接影响养殖物的健康，所以要保证养殖场CO浓度处于标准值，当CO浓度超过正常值时会向APP端发送异常代码，提醒管理员及时处理。

2.4 通信模块

首先设置通信方式和波特率，接收数据后显示在机智云平台上，数据以日志的方式存储在电脑端中。通信模块执行流程如图4所示。

图4 上位机总流程

2.5 调控模块

调控模块由八路继电器构成，分别实现对水泵、饲料阀、水阀、各地照明、光强度、空气调节风机的控制，通过对监测参数的判断来确定继电器是否吸合，从而相应地调控各种设备。具体流程如图5所示。

图5 调控模块流程

3 系统软件设计

3.1 系统功能设计

基于物联网的智能畜牧业监控系统的总体设计分为四大模块：环境监测、信息预警、系统控制、数据分析。具体系统功能模块如图6所示。

图6 系统功能模块

环境监测功能模块是将传感器采集到的数据在OLED屏显示，也会通过WiFi发送到机智云平台；信息预警功能是接收到数据超过正常范围后，即给APP和显示器发送故障代码；数据分析模块是指数据的存储与历史数据记录，方便管理者查看和分析历史数据与实时数据；系统控制功能模块分为本地控制、远程控制，管理员既可以通过手机APP和电脑端调控设备，也可以控制现场按钮启停设备。

3.2 系统显示

系统显示的数据主要有温湿度、光照强度、气体浓度、CO浓度、照明状态、饲喂状态。同时可以通过按键实现配网、料阀及水泵开关等设备的控制。

本地端和手机端无操作时数据每10 min采集传输一次；当有操作时，将通过WiFi模组传输的数据实时显示在客户端界面和手机APP端，如图7所示。

图7 OLED显示流程

3.3 数据分析

数据分析包括数据通信日志、数据上下线记录和数据运行记录。数据通信记录主要有操作类型、操作时间和指令；数据上下线记录帮助管理员实时查看在线情况及操作类型、操作时间，便于管理；数据运行记录则是通过线表将数据实时显示，通过这些数据的变化预测生产所需条件。具体如图8、图9、图10所示。

图8 数据通信日志

图9 数据上下线记录

图10 数据运行记录

4 系统测试

4.1 温度调节模块

当温度不在22～26 ℃范围内时，温度调节模块启动，继电器吸合打开调节设备，直至温度正常。此处调节模块屏蔽湿度控制，避免由于湿度变化导致数据频繁上报问题。以21 ℃为例，此时温度控制模块打开，一路继电器亮红灯。具体温度调节模块如图11所示。

图11 温度调节模块

4.2 光照强度调节模块

远程端使光强控制按钮处于ON状态，当光照强度低于设定范围且持续3 min（避免短时间光照强度变化导致频繁数据变化）时，相应的三路继电器点亮，对应的三路照明电路打开，以光照强度等于0 lx为例。具体光强度控制模块如图12所示。

图12 光照强度调节模块

5 结 语

本系统针对智能畜牧业养殖方式中存在的智能化程度低、生产效率低下等问题，设计了基于物联网的智能畜牧业养殖系统。系统实现了数据采集、传输、存储、分析、显示、预警、调控等功能。在数据调控模块中，通过继电器打开相应的调节设备对环境参数进行调节，以此来保障环境符合养殖物的生长需求，从而有利于畜禽的健康生长。系统可以在本地端和远程端同步控制现场设备，方便饲养员操作，保证管理者能够进行远控观测。本系统在江西某养殖场进行了实际应用，监测数据准确率高于91%，控制效率高于95%，实现养殖场环境监测和自动调控，系统具有高交互、低成本、实时监控的特点，为分析动物习性、寻找最佳生长环境、提高管理效率、实现无人值守提供了技术支持。该系统亦可以用在环境监控和预警领域，应用前景广阔。