基于物联网技术的生猪运输环境控制系统设计

范毓升，杨正乘，施沁希

(南京农业大学 信息管理学院，江苏 南京 210095)

0 引言

2022年中央一号文件指出大力推进智慧农业发展，促进信息技术与农业乡村的融合。我国当今生猪养殖产业，也已初步实现了智慧化、规模化养殖。但是产业结构上呈现出省际和省内的供给与需求在地域上不匹配的现象[1]，衍生出生猪运输这个生猪产业链上的重要一环。生猪运输是指运输活体猪，包括仔猪、种猪、出栏猪等的农牧运输物流。生猪运输构建了生猪产业链环节之间的系统衔接，向上对接生猪养殖端，向下沟通屠宰分销，面向市场、消费者。

然而在其运输过程中，猪所处的环境不可避免地与养殖环境发生了剧烈变化，引起生猪在运输过程中的应激反应。运输应激会使猪肉的pH和系水力发生显著变化，从而产生PSE肉，降低猪肉品质[2]，同时也有可能导致生猪减重甚至死亡，还会损害动物福利[3]。这些会影响生猪销售价格，增大了生猪运输损耗成本，不利于生猪产业整体的可持续发展。在非洲猪瘟疫情常态化防控中，运输过程实现生物安全的监控溯源是稳定生猪供给和保证生猪价格平稳的重要影响因素[4]。因此，如何有效地监控并控制生猪运输过程中的环境，已成为以生猪运输为代表的农牧物流中研究的热点问题。

随着物联网、大数据、人工智能等一系列信息技术的广泛应用和迅猛发展，“互联网+”与各行各业的深度融合，针对上述运输中环境引起的生猪应激问题，国内外学者应用物联网技术对生猪运输环境进行了以下研究。1998年国外学者Geers等[5]首次提出对运输环境的在线监测这一概念，利用遥感和无线通信技术，实现了动物疾病预防及控制，并检测运输过程中的动物福利。李炜恒等[6]将ARM控制器和ZigBee网络应用于接收牲畜电子标签和体质监测传感器，实现对生猪运输环境的监控。

然而，目前对生猪运输过程的调节依然主要依靠监控系统报警后的司机手动调节或管理人员远程控制，缺乏及时性和专业性，还可能会影响驾驶员的注意力。因此，本文从先前研究基础上提出了基于物联网技术获取生猪在运输过程中的实时状态，并通过空调、风机、湿帘等相关设备的自动开关来控制运输环境，使运输环境保持适宜稳定，以期减少生猪运输中的应激损耗，提高动物福利，为生猪运输管理智能化决策提供参考。

1 生猪运输控制系统的构建

1.1 运输应激环境因子分析

运输过程有极其复杂的应激源，对于运输环境中影响生猪应激以及猪肉品质的因素，田寒友等[7]从运输的时间和温度角度，研究了运输时间小于6 h，运输温度为10～20 ℃，对防止生猪运输应激及改善猪肉品质有显著性作用。Harmon等[8]对断奶仔猪在运输车上不同位置和装载密度下的死亡率的研究得出，季节和温度对同一辆车上层和下层的猪应激状况并不相同，有显著性差异。Zhao等[9]研究发现运输到达时的死亡率，会因生猪品种不同而受到影响，断奶猪的死亡率往往高于育肥猪，更易受到运输环境影响发生应激。同时温度和相对湿度、二氧化碳、氨气浓度等多种环境因素之间也存在耦合关系，共同作用危害生猪健康。此外，在运输过程中，养殖基地较为偏远，道路基础设施不完善、流通性差，车辆颠簸、急刹，道路上的噪声均是导致生猪运输中应激的因素。

综上所述，考虑到运输车辆的环境限制和成本控制以及其动态性的特点，与养殖端的精细化智能环境控制系统相比需要缩小化和简约化，笔者查阅相关文献综合生猪适宜的环境参数考虑，选择温度、湿度、氨气、二氧化碳浓度作为环境因子对其进行控制调节，减少生猪运输中的应激。

1.2 生猪运输环境控制系统框架

基于物联网技术的生猪运输环境控制系统由感知层、网络层、应用层3个部分所组成，实现了对运输车辆环境的智能控制和远距离管理[10]。系统的设计概念如图1所示。

图1 生猪运输环境控制系统体系框架

感知层主要是由气体传感器、温湿度传感器、红外摄像头等感知智能化设备构成的传感器网络，通过收集运输生猪的环境信息，并用网络层将信息传输到ZigBee模块，该模块有低功率可休眠的优点并可以实现短距离无线组网，经过网关转化后，传递到上位机系统。上位机系统通信采用的是基于TCP/IP协议中SOCKET套接字实现，并将运输车中的信息存储在SQL Server数据库中；应用层通过调取数据库中存储的信息，实现车辆环境异常状况自动蜂鸣报警功能、环境异常自动调整功能、环境状况管理查询功能。其中，查询功能的网页版采用JSP方式开发的Web界面来显示状态，移动版采用Android方式设计移动手机App提供给管理人员使用。

2 环境控制系统软硬件设计

2.1 生猪运输环境控制系统硬件设计

本研究设计的运输调节系统硬件包括微处理器模块、传感器模块、通信模块、控制模块、电源模块等部分。选用STM32F103单片机为微处理器，是意法半导体公司生产搭载Cortex-M3内核的主流MCU，集低功率、低电压和丰富的外设于一身。STM32将传感器所采集的运输车辆中温度、湿度、有害气体浓度等环境因子放大滤波处理及A/D转换后汇集发送到ZigBee通信模块，STM32同时可以通过控制是否开启空调、风机、湿帘等设备实现运输环境调节。

生猪运输中的环境参数主要包括温度、相对湿度、氨气浓度和二氧化碳浓度等。选用SHT11温湿度一体传感器测量温湿度，其特性为测温精度为±0.4 ℃，测湿精度为±3%；测量氨气选择ME4-NH3，其量程0～200 ppm，分辨率0.1 ppm；测量二氧化碳选择MG811，其量程0～10 000 ppm，分辨率1 ppm。

考虑到运输车辆在使用开始和结束之后，为了保证生物安全和卫生环保需要经过充分的消洗，笔者选择在传感器设备上增加的防碰撞外壳和耐腐蚀性保护套。在视频监控设备上选用FILR A615型红外摄像头，安装在车厢前段，可以在运输过程中呈现出猪只热图，实现对生猪体温状况的检测。

2.2 生猪运输环境控制系统软件设计

系统软件设计由采集端节点控制器和远程管理信息平台所共同组成。实现对传感器网络所获得的数据进行实时保存、分析、预警和自动调整等功能。软件与硬件之间的通信方式采用远程无线通信模块，数据报文的格式为字符串。

根据程序设置的采集周期，来驱动传感器采集生猪运输车环境数据。系统微处理器STM32经过初始化后，定时周期开始系统进入低功率休眠模式。当定时周期结束后，微处理器依次读取各个传感器的信息，经过汇总、校对、存储并处理后上传到上位机系统，并将传感器网络获得的信息全部采用分布式储存在数据库中，可以加快数据查询速度和信息存储容量。

信息平台从数据库中读取环境信息后，由于运输环境状况复杂，传感器的测量过程往往伴随干扰，随之产生的误差是不可避免的，并且是多传感器数据信息。本文采用赋权平均法对多传感器数据信息进行融合，简单且直观，同时适用于波动水平较小的运输环境数据处理。根据总均方误差(MSE)最小的原则，对每个测量值赋权进行调试，预测精度较高的传感器数据赋以较大的权重，避免单一传感器导致的局限性。随后对超过阈值上下限的参数启动风机、空调等对应设备进行调节，改善生猪运输环境。采集环境数据并反馈调节的程序流程，如图2所示。

3 结语

本文提出的基于物联网技术的生猪运输环境控制系统，可以有效地对生猪运输过程中环境数据进行实时采集、处理和远程监控管理。根据提前设定好的环境参数对应适宜的上下限进行自动调节，控制生猪运输车内空调、风机、湿帘等相关设备开关，使生猪可以在运输中处于较为适宜平稳的环境。综上，此系统可以减少运输过程中生猪应激所引起的减重损耗甚至死亡的问题，并保证了动物福利。对于禀赋更高生物安全需求的农牧物流企业可以实现降本增效，同时有利于生猪产业的整体发展，有良好的市场应用潜力。

图2 采集环境数据并反馈调节的程序流程