基于物联网的畜禽养殖废弃物资源化利用监管系统的设计与实现

郭映滢，童长卫

（古田干部学院，福建 龙岩 364000）

1 畜禽养殖废弃物资源化利用监管系统的建设目标

1.1 畜禽养殖管理信息化现状

目前县级管理部门对畜禽养殖场的管理基本处于人工阶段。相关管理部门对政策的宣传、执行及检查必须到达现场，养殖户现场状况无法实时监管，更无法实现养殖废弃物收集、运输及处理的全过程精细化管理[1]。现场执法成本高昂。因此，近些年都开展畜禽养殖废弃物资源化利用监管系统的建设。

1.2 畜禽养殖废弃物资源化利用监管系统的业务需求

（1）养殖场信息管理需求。完整备案养殖场基础信息，建立信息平台，落实养殖档案管理，落实养殖场饲养的品种、存栏、年出栏、消纳地等基础信息。

（2）监管需求。

①对养殖场现场用水量、粪污处理情况进行监管，确保进行无害化处理。②备案登记养殖场的资源化利用设施，对养殖场废弃物的资源化利用模式、效应进行统计、分析和详细监管，对相关设备进行监管，获取设备运行信息。③对第三方处理企业进行现场监管，视频影像采集，对废弃物运输车辆行驶路径、数量的管理。④针对种养结合机制，对第三方废弃物处理的种植企业的消纳地、配肥池、储液池进行监控，做好有机肥替代化肥的数据统计。

（3）数据分析需求。根据全域的资源化利用率，对畜禽废弃物资源化设备装备配套率、使用率等数据进行统计，可以按日、月、年进行考评分析。

1.3 畜禽养殖废弃物资源化利用监管系统的建设目标

项目总体目标是依托互联网、云计算、物联网等技术构建统一的畜禽养殖废弃物资源化利用监管系统。依托系统一方面可以为养殖户提供直达的宣传通道与便捷的申报渠道，另一方面通过全过程记录养殖废弃物处理、运输和资源化利用等情况，降低执法成本，规范执法行为，实现精细化管理。

2 畜禽养殖废弃物资源化利用监管系统的设计

2.1 总体设计

畜禽养殖废弃物资源化利用处理模式主要有种养结合、清洁回用、达标排放三种模式。流程如下：

①畜禽养殖废弃物收集。对养殖场产生的粪便、粪水和污水集中收集。②初步处理。养殖企业一般采用干湿分离和固液分离，使分离出的固态粪污进入发酵塔、发酵床或在堆肥区域进行堆沤、拌辅料、烘干等处理。液态粪污可直接灌溉或进行后续处理。③运输。④深化处理。

畜禽养殖废弃物资源化利用监管系统围绕废弃物的产生、收集、初步处置、运输、后续处理全过程进行。

系统包括：前端数据采集与监控、数据传输、 监管（指挥）中心、智能管理平台等四大部分。

2.2 前端数据采集与监控系统设计

2.2.1 养殖场数据采集

（1）采集设备。通过在养殖场加装带远传能力的电表、水表及污水表，同时，在场内生产区加装带远传能力的冲洗用水表、养殖饮用水表和环保设备电表、发酵床电表，区分出生产性用水、用电情况，达到饮污分离，还可以及时掌握企业实际生产经营情况。

①远传电表：在环保处理设施、发酵床、抽污泵等用电口处加装具有电力线载波、RS485或LoRa等通信能力的电表，实时监测生产用电情况。②远传水表：远传水表与监管中心之间可通过LoRa、M-BUS或RS-485等方式实现数据传输、采集。系统实时监测每台水表的瞬时流量、累积流量、日用水量，同时根据水表的用水类型及供水管网实际连通情况自动核算出生产用水数据。③污水口监管点：在养殖场排污口前端加装具有LoRa、M-BUS或RS-485数据通信能力的污水流量计对排污进行实时监测，同时，在粪污池安装液位计以监测粪污池水位。

在污水口同步加装具有云台功能的视频监控设备，该设备先接入本地NVR，再通过宽带互联网接入后台监管中心。

图1 前端数据采集

（2）固态粪污分离及发酵场的监管。养殖企业一般采用干湿分离和固液分离装置两个过程分离出固态粪污。通过将粪污固液分离装置的动力箱更换为具有LoRa或RS485连网能力的动力箱实现与监管中心的数据交互，采集固液分离装置的启停时间。同时，在固液分离场、发酵场等区域加装视频监控。

（3）液态粪污的监管。液态粪污的处理方式主要包括。

①本地山林灌溉：适用于养殖场周边具有山林农作物的场景。②异地山林灌溉：利用专用转运车辆将液态粪污转运至异地山林灌溉点。③进入环保处理设施后端环节继续处理。

针对开展本地山林灌溉或利用转运车辆的场景，在液态取污口加装具有LoRa或RS-485联网能力的污水流量计，将液态粪污的流量数据实时采集至监管中心，这些数据同时与山林灌溉监管点及转运车辆监管实现联动。同时，在液态粪污抽取点加装视频监控装置。

（4）环保处理设备的监管。对环保处理设施中涉及的提升架、曝气机，紫外杀菌等设备的运行情况进行监管。

（5）养殖环境的监管及自动化调控。在养殖场现场部署智能控制箱实时监测养殖环境中的温度、湿度、氨气浓度等环境参数，不仅可根据事先制定的环境调控规则自动驱动养殖场中的风机、水帘等设备进行环境的自动调节，还可将这些数据上传至监管中心，相关人员通过计算机、手机等可实现如下功能。

①远程监视：实时监测养殖各项环境指标，水帘、风机等工作状态。②远程配置：调整环境控制规则或选用专家推荐的控制模型。③远程遥控：将现场切换为手控模式，远程开启或关闭现场的相关设备。

2.2.2 视频监控

在各重要监控点（如养殖场大门、储粪棚、发酵床、储液池）安装视频监控装置实现可视化管理。

2.3 传输子系统

由于电表、水表、流量、水位等数据量较小，而且要求实时传输，因此，采用4G卡的方式将采集数据直接传送到智能监管平台。而视频信息数据量较大，采用宽带互联网的方式实现传输。同时，由于互联网的不可靠性，要求具备视频的本地存储及自动恢复上传功能。

2.4 监管（指挥）中心建设

（1）会议功能：具备显示大屏及会议音响设备，能召开一般会议。

（2）显示功能：通过与平台的对接显示养殖场、种植场、车辆轨迹等各种实时数据。

（3）日常监管与指挥调度功能：同步实现巡查、监督、管理、统计和调度指挥功能。

2.5 畜禽养殖废弃物资源化利用智能管理平台设计

2.5.1 可视化视频管理系统

（1）基础设施层：包括弹性可伸缩的服务器、存储设备、平台软件部署环境以及可按需扩展的物联网设备。

（2）数据服务层：整合前端产生的视频数据以及基础信息数据，汇聚所有前端及后端智能分析产生的智能数据。

（3）平台服务层：提供基础服务能力、智能服务能力以及服务接口。

（4）应用服务层：构建面向不同场景的应用，包括基础应用、智能应用、运维管理应用。

2.5.2 畜禽养殖废弃物资源化利用云智慧管理系统

2.5.2.1 系统主要功能

（1）养殖户源头管控。通过前端数据采集设备与监控设备，结合电子地图直观地反应各区源头点和消纳点所在位置发生的实时状态。系统设置预警规则，超出预警值实现分级信息提醒，如报警、提醒、警告、事件视频证据留存。

（2）清运单位管理。采用GIS定位技术对清运线路、清运车辆进行管理。对需要清运废弃物的养殖户及时安排清运车辆，清运车辆根据事件领取任务，按照管理规范执行清运任务，清运路线留痕保存。在整个处置过程中，养殖户、运输车辆、种植户及有机肥场等各方按规程执行多方信息联动，实现全流程闭环管理。

（3）可视化管理－－信息集成“一张图”。一张图管理是可视化监管平台的重要组成部分。可视化不仅是设备状态、监控数据和监控视频的实时统计数据展示，而且可展示各场所、设备在空间地理位置上的分布情况。

①监测设备信息及实时数据查看：一张图针对实时监控的各类型设备分层的数据统计信息进行汇总展示。

②图层控制：通过图层控制可分类别选择查看养殖场、种植场、有机肥场、山林灌溉点、水表、电表、污水表、视频监控、固液分离装置、环境监测设备、环保处理设备等的所有数据。

2.5.2.2 软件体系架构

图2 软件体系架构图

3 监管系统的实现

福建连城县农村农业局，为贯彻落实《国务院办公厅关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》（国办发〔2017〕48号）[2]、《福建省人民政府办公厅关于印发福建省畜禽粪污资源化利用整省推进实施方案（2019—2020年）的通知》等文件精神，加快推进畜禽粪污资源化利用工作，于2021年底投入366万元，建设县级“畜禽养殖废弃物资源化利用智能管理系统”[3]。该系统在全县40家养猪场、10家种植园、2家有机肥厂、6辆运污车，通过4G网络与互联网将前端数据传送至数据中心及监管中心。在数据中心配备万兆核心交换机、视频应用服务器、视频流媒体服务器、视频存储设备、管理服务器搭建粪污资源化利用智能管理平台。该平台软件主要包括资源化数据申报管理客户端APP、养殖（种植）场信息管理模块（含有机肥场）、畜禽养殖废弃物资源化数据分析模块、系统配置管理模块、GIS地理信息管理模块及智能物联网设备管理模块等。该系统的建设对实现全县畜禽养殖污染源全流程管控可视化管理、养殖规范管理、养殖规划的科学管理以及提升农业精细化管理水平具有重要意义。■