基于物联网的数字化饲草仓储系统设计

周宇金　李国浩　刘双双　高建宏　温建森　王冬青

摘要：近年来，我国畜牧业养殖量不断增加，对饲草的需求量也越来越大，但饲草的管理方式落后，制约了畜牧业的进一步发展。粗放式的存储管理，导致饲草营养流失，品级下降，造成了经济损失。针对以上问题，文章基于物联网数字化技术设计开发了饲草仓储管理系统，实时监测饲草仓储环境信息，优化管理流程，实现饲草精细化管理，提升优质饲草的利用率，并摆脱了国内饲草管理监测系统功能较为单一、缺乏科学性预测与指导等弊端。同时将该系统应用于内蒙古牧草贮藏地区，对其进行针对性的具体观测实验，为牧户提供牧草仓库贮藏的科学有效方案。

关键词：饲草；贮藏；物联网；Arduino UNO单片机

中图分类号：TP31文献标志码：A0引言随着草食家畜养殖量的逐年增长，饲草进口量持续增大。据不完全统计，当前国内市场每年的优质苜蓿干草进口需求量在100万吨以上，随着畜牧业质量要求的提升，高品质苜蓿产业的市场需求仍在继续扩大［1］。但与此同时，内蒙古自治区作为我国最重要的畜牧业生产基地，由于自然灾害频发，限制了当地畜牧业的进一步发展［2］。建立饲草储备是发展畜牧业的根本举措。而在饲草的储备过程中，饲草的营养成分会随着时间下降，贮藏时间越长，草捆营养价值越低，当贮藏时间达到12个月时，草捆营养价值降至最低［3］。延缓饲草营养的流失需要良好适宜的贮藏环境，因此饲草储备的前提是科学存储，如何能够更好地为饲草提供适宜环境是当下最为重要的课题。

1研究背景我国目前饲草贮藏的方式简单，管理粗放，无法适应当前畜牧业的发展。首先是贮藏条件简陋，无法给饲草提供适宜的存储环境，极易导致优质饲草营养流失、品质下降。

其次是饲草管理方式粗放。表现为饲草入库后缺乏及时的品质监测管理，导致优质饲草因长时间的贮存而变质，造成一定的经济损失以及饲草在贮藏过程中没有精准掌控饲草贮藏状态，其无法精准检测的另一个原因是投入成本过高。

为解决以上问题，本文基于物联网技术，实现低成本的环境监测，并根据监测数据，实现智能调节仓储环境、调整出入库顺序，实现饲草资源的最大化利用。

2系统总体设计针对饲草贮藏，本文基于Arduino UNO开发板设计开发饲草仓储的监控系统，反馈检测数据，服务器端利用Hadoop计算框架对数据进行处理，预测饲草品质变化，设计App端反馈预警信息等，精细管理饲草存储，实现饲草的最佳利用，减少因贮藏不当带来的经济损失。

2.1硬件设计系统硬件设备使用Arduino UNO开发板搭载Esp8266 WiFi模块与DHT11温湿度传感器来实现数據采集，通过MQTT服务将数据传入数据库，数据流程如图1所示。首先将DHT11温湿度传感器与搭载Esp8266 WiFi模块的Arduino UNO开发板进行连接，连接完成后，DHT11温湿度传感器开始实时采集仓储内温湿度数据，并利用Esp8266 WiFi模块将采集到的环境数据通过MQTT传输协议发布到服务器上。数据保存方面使用Nodejs订阅获取MQTT发布的信息，将Json格式的数据转换存入数据库，获取并转换。

2.2软件设计针对饲草实时性管理，本文基于模块化思想开发饲草管理App，有利于系统的维护和升级。软件功能如图2所示，当下位机上电后即可开始数据采集并向上位机发布携带牧草环境温湿度数据的MQTT消息，为现场监测C/S平台提供数据来源，其中现场监测C/S平台使用Android Studio集成开发工具和SQL数据库管理软件进行编写。现场机控制充当子Server角色，管理仓库。远程阿里云服务器作为总机Server进行信息管理，使用快照功能定时自动备份数据库［4］。

2.3数据计算与分析运用服务器将硬件端传过来的数据保存至数据库中再由Hadoop计算框架从数据库中提取数据，运用MapReduce进行计算，再将数据保存回数据库中，实现边缘计算。通过分析RFV的变化曲线，做出及时预警。计算公式如式（1）所示［4］。

RFV =－11.358 3－7.132 2×x+5.153 8×x+0.180 0×x×x－0.154 0×x×x－0.056 1×x×x（1）

式（1）中x为温度，x为湿度。

3饲草贮藏实验空气的温湿度是饲草贮藏过程中最重要的影响因素，为延缓饲草营养价值流失，需对饲草贮藏环境的温湿度进行控制。为使环境温湿度的值接近于饲草自身温湿度值，需以堆放饲草的仓库进行实验，确定贮藏环境中传感器的最佳摆放位置和数量。

3.1实验设计实验对象为内蒙古地区某个牧户家庭的饲草仓库，面积为100m2，存放内容主要以普通饲草为主。实验从饲草入库一个月后开始，进行一周的实验，根据饲草在仓库中堆放的位置，将温湿度传感器均匀安置在仓库的空间中，进行温湿度的采集。

实验设置目标组与实验组，目标组是将传感器安置在堆放饲草的中心，如图3标志点A所示，而实验组是将传感器安置在仓库的不同位置，如图3 标志点1～12所示，对这两组进行温湿度采集实验，每日采集上午9：00至晚上9：00回传的温度和湿度，同时将这个时间段的温湿度数据取平均值记为当天的平均温湿度数据。贮藏一周后计算实验组与目标组的平均温湿度，以及计算实验组的12个点与中心温湿度的偏差，并对这12个点进行组合排列，通过比对偏差值找到传感器的最佳摆放位置与数量。

3.2结果与分析贮藏一周后，实验组的12个点与目标组的温湿度的偏差的结果如表1所示，可以明显看出12个点与目标组的偏差大小，其中传感器点1的偏差值更小。

同时对12个点进行两两为一组的组合排列，并计算每一个组合与目标组的偏差大小，计算方法为：计算7天两个点的平均温度和湿度，并将中心温度和湿度的数值做差，将温度和湿度的差进行相加记为总偏差值。一共有66组，组合偏差值低于5的组合如表2所示，可见点1和点4的组合偏差更小。

同時从表2中可以看出包含点1、点4、点5的组合偏差值更低且小于1，再对这3个点进行3个为一组的排列组合，计算方法与两两组合的方法相同，组合总偏差值如表3所示。

由以上实验比对偏差值大小可知，偏差值越小越接近中心贮藏环境，因此贮藏环境中传感器的最佳摆放位置是在1、4处分别安置传感器，对点1和点4的组合RFV值可按式（1）计算［5］。

计算得出的RFV值为277.181，与中心点的RFV值偏差为3.169 75，同时计算得出的RFV值与对照中心点的RFV值处于同一个等级标准，如表4所示，因此该偏差合理。可以确定当在标准400 m2仓库中，温湿度监测传感器的最佳监测位置在1，4位置。

4结语本文开发了基于物联网的数字化饲草仓储系统，用来优化资源配置、降低运营成本、提高综合管理能力、提升管理效率；完成牧草的收购、存储、出入库管理、贮藏环境与运输环境的精准控制，实现了牧草仓储服务的信息化。本文采用Arduino UNO开发板作为控制芯片，对饲草的存储环境数据进行实时监测，提供饲草管理和贮藏的精确计算方案，提供App使用户实时查看仓储信息和饲草的营养价值变化趋势，以及在饲草营养等级即将下降时给予用户及时的预警提示，同时通过饲草贮藏模拟实验确定了贮藏环境中传感器的最佳摆放位置和数量，及时把控温湿度的变化，并切实做到饲草保存时间的延长，达到饲草的高效利用。

本文通过对大量数据的分析，及时准确地反馈牧草品质，使牧草仓储管理具备了决策自动化的特征。同时对仓储环境信息进行大数据处理与整合，实现政府、企业和社会三者之间的资源互通。

参考文献

［1］许尔青.我国仓储业存在的问题分析及解决策略［J］.中外企业家，2018（31）：55.

［2］贾玉山，李宇宇，都帅，等.浅谈中国牧区抗灾饲草储备发展现状及展望［J］.草原与草业，2018（1）：1-7.

［3］尹强.苜蓿干草调制贮藏技术时空异质性研究［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2013.

［4］张猛，房俊龙，韩雨.基于ZigBee和Internet的温室群环境远程监控系统设计［J］.农业工程学报，2013（增刊1）：171-176.

［5］刘鹰昊.苜蓿干草捆品质对加工方式与贮藏条件响应机制的研究［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2018.

（编辑 李春燕）

Design of digitalize forage storage system based on Internet of ThingsZhou  Yujin， Li  Guohao， Liu  Shuangshuang， Gao  Jianhong， Wen  Jiansen， Wang  Dongqing*

（School of computer and information engineering， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot 010000， China）Abstract： In recent years， the amount of animal husbandry in China has been increasing， and the demand for forage is increasing. However， the backward management of forage has restricted the further development of animal husbandry. The extensive storage management has led to the loss of Forage Nutrition， the decline of forage grade and the economic loss. In view of the above problems， the article has designed and developed a forage storage management system based on the digital technology of the Internet of Things， which monitors the forage storage environment information in real time， optimizes the management process， realizes the fine management of forage， improves the utilization rate of high-quality forage， and gets rid of the shortcomings of the domestic forage management monitoring system， such as its single function， lack of scientific prediction and guidance. At the same time， the system was applied to the pasture storage area in Inner Mongolia， and targeted specific observation experiments were carried out to provide herdsmen with a scientific and effective plan for pasture storage.

Key words： forage; storage; Internet of Things; Arduino UNO microcontroller