基于物联网的生猪养殖环境监测系统

2024-02-26肖瑞超

安徽农学通报 2024年3期

摘要本文基于生猪养殖中存在的人工定期巡检养殖管理造成的系列问题，如人力物力浪费、难以实时监测养殖环境和不能及时反馈养殖异常环境等，设计了基于物联网的生猪养殖环境监测系统。该系统通过多种传感器实时检测猪舍环境中的温湿度、光照强度及有害气体浓度，数据处理后通过WiFi传输到云平台，实现远程监控。结果表明，该系统能够实时准确获取养殖环境信息，并实现自动化环境调控和远程监控，为生猪生长提供适宜的环境，具有一定的应用价值。

关键词生猪养殖；环境监测；物联网；自动控制

中图分类号 S818 文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2024）03-0091-05

An environmental monitoring system for pig breeding based on Internet of Things

XIAO Ruichao

（Henan Industry and Trade Vocational College， Zhengzhou 451191， China）

Abstract This article was based on the problems of human and material resources waste， difficulty in real-time monitoring of breeding environment， and inability to provide timely feedback on abnormal breeding environment caused by management in traditional pig breeding farms. A pig breeding environment monitoring system based on the Internet of Things was designed， which detected the temperature， humidity， light intensity， and harmful gas concentration in the pigsty environment in real time through multiple sensors. After data processing， it was transmitted to the cloud platform via WiFi， implement remote monitoring. The results showed that the system could accurately obtain real-time information about the breeding environment， and achieved automated environmental regulation and remoted monitoring， providing a suitable environment for pig growth， which had certain application value.

Keywords pig breeding; environmental detection; Internet of Things; automatic control

近年來，物联网技术在农业、养殖业等领域逐渐应用，衍生出农业物联网概念。农业物联网是指通过各种传感器来获取养殖业、种植业及农产品等方面的信息，并将获取的信息通过无线通信手段传输到应用端，对信息进行整合和展示，达到远程监控的目的，实现农业生产过程的智能化，同时有效提高生产效率和产品质量。

随着生活水平的提高，人们对肉类食品的消费需求也快速增长，生猪养殖从传统的散养模式逐渐转向规模化养殖，而在规模化、工厂化养殖模式下，生猪活动范围受限，猪舍的卫生环境问题有待改善。目前多数养殖场中的环境检测大多是通过人工巡视方式进行，对猪舍环境的管控不够准确及时，为改善养殖环境，本文设计了基于物联网的猪只养殖环境监测系统，以优化养殖环境，促进生猪生长，通过物联网技术与养殖业的结合，实现生猪养殖的智能化、精准化。

1 系统需求分析

猪舍环境未达到安全标准是诱发动物疾病的主要因素之一，尤其在夏季和冬季时节，过冷或过热的特殊气候条件导致养殖环境的管理存在一定的难度。为达到安全养殖标准，需要严格控制各项环境参数，确保系统安全运行，数据采集准确且响应速度快，同时还要具有一定的数据可视化和远程控制功能。

1.1 环境因素

适宜的环境是猪只健康生长的必要条件，也是提高猪肉品质的重要保障。影响猪只生长的环境因素主要有温度、湿度、光照强度和有害气体等，这些环境因素对猪只的生长影响较大。适宜的环境有利于猪只的生长发育，不佳的环境将导致猪只生长缓慢甚至患病。

1.1.1 温度猪舍温度是生猪环境中最重要的因素之一，对其健康和生产性能有着重要影响。猪是恒温哺乳动物，可以通过自主产热和散热来调节体温。适宜的养殖温度可以促进其生长发育，提高猪肉的产量和品质。过高或过低的温度都会对猪的健康状况和生产性能产生负面影响，包括生长速度缓慢、消耗能量增加、食欲减退和患肠胃疾病等问题。因此，养殖环境中的温度监测及调控对猪只的生长发育非常重要。

1.1.2 湿度猪舍湿度是指在一个确定温度下，猪舍内单位体积空气中水汽成分的含量。湿度主要由猪只饮水、排泄物蒸发和外界空气所含水汽组成，与温度协同作用，影响猪只的散热能力。湿度会影响猪只体表的水分蒸发和体热调节，在高温环境下，湿度过高会导致微生物繁殖，增加猪只患病风险；当温度过低时，高湿度会使得猪只体感温度降低，其消化食物产生的热量将更多地用来维持体温，食物转化率和利用率降低，导致猪只生长缓慢。因此，需要严格控制猪舍的温度和湿度，以保障生猪的健康、快速生长。

1.1.3 光照强度光照强度影响猪的生物钟、视觉能力、免疫力和行动能力等。适宜的光照强度可以提高猪的视觉敏感度和增强其免疫力，降低猪的压力和焦虑感，提高猪只的舒适感和生活质量，进而影响猪只的肉质。另外，适当延长光照时间可以提高猪只生长后期的采食量和日增重，促进肌肉与脂肪的沉积。光照时长与天气、季节变化关联较大，监测光照强度和自动控制补光能够促进猪只快速生长，缩短喂养周期。

1.1.4 有害气体猪舍内的有害气体浓度高会影响猪只的健康生长与发育，增加其患病风险，同时还会对喂养人员造成一定的伤害。猪舍中的饲料和粪便堆积若未及时清理，则容易产生有害气体，如氨气（NH）、二氧化碳（CO）和硫化氢（HS）等。其中，NH具有强烈的刺激性气味，对呼吸道和眼睛都会造成一定的伤害。CO无色无味，但其含量过高时，会导致猪只呼吸困难，严重时会造成眩晕，影响猪只进食。HS通常是在猪只进食富含蛋白质的饲料后出现消化不良的情况下产生，其从猪的肠道排出，集聚在地面附近，附着到猪只眼部，导致眼部疾病，还会进入肺部，引发咳嗽、支气管炎等。以上有害气体浓度较高均不利于猪只的健康生长，因此需要监测猪舍中的有害气体浓度，及时进行清理。

1.2 功能需求

养殖环境监测系统功能需求主要包括3个部分：一是数据采集模块，通过传感器实时或定时采集猪舍环境信息；二是数据处理模块，选用单片机作为主控模块，处理和判断采集到的数据信息，并输出相应的控制信号，对猪舍环境进行调控或预警等；三是远程监测模块，将采集到的数据信息进行处理后通过无线通信技术传输到云平台，实现监测数据的可视化展示、历史数据的查看等功能。

2 总体架构设计

本研究基于物联网技术，尝试建立一套能够准确监测猪只养殖环境中的温度、湿度、光照强度及有害气体等参数的智能系统，并根据检测结果实施智能化控制，使养殖环境维持在适宜猪只健康生长的水平，提高喂养效率，减少喂养人员的工作量。系统总体设计要求是能够监控猪只的养殖环境，如温湿度、光照强度、有害气体浓度等环境指标。当环境因素达到设定的阈值时，能够自动上报异常情况并进行自动化控制处理。此外，还需要选择合适的通信模块进行无线传输，将数据上传到云平台，实现远程监控。

本设计以STM32单片机为核心控制模块，采用温湿度传感器、光敏传感器和气体传感器，分别用于采集猪舍环境中的温湿度、光照强度和有害气体浓度。单片机将采集到的数据进行处理后，通过液晶显示屏实时显示，并通过无线通信模块传输到云平台实时显示。当猪舍的环境參数达到阈值时，控制模块会根据设定好的程序控制设备开始工作。当有害气体浓度或温度过高时，将开启排风扇通风换气；当温度较低时，将开启暖风机提高温度；当湿度低于设定的阈值范围时，将开启加湿器补充湿度；当光照强度较弱时，将开启补光灯补充照明。系统总体设计框架如图1所示。

3 硬件设计

3.1 核心控制器

控制模块选用STM32单片机作为核心控制器。控制模块作为数据处理和控制的中枢，可以通过多个模拟输入通道采集传感器获取到的数据，并将采集到的模拟信号转换成数字信号，进行数据处理；可以根据设定的阈值来控制执行模块做出相应指令，控制继电器的开关，进而控制设备的开启或关闭，调控猪舍中的环境参数；将处理后的环境信息数据通过通信模块传输到云平台进行显示。此外，STM32具有硬件保护功能，如过压保护、过流保护和短路保护等，能够保证系统的安全稳定运行。

3.2 传感器检测模块

3.2.1 温湿度检测模块猪只的正常生长需要适宜的温度和相对湿度，研究表明，猪只适宜的生长温度在15～25 ℃范围内，湿度在55%～70% RH范围内。虽然STM32自带了温度传感器，但其芯片在工作时会产生一定的热量，导致实际测量的温度与外部环境存在差异，因此本系统采用DHT11来采集猪舍中的温湿度信息。DHT11具有成本较低、测量数据准确和精度较高等优点，温度测量范围在0～50 ℃，湿度测量范围在20%～95% RH，能够满足系统需要。与单片机连接时，DATA引脚完成单片机与DHT11传感器之间的通信和数据同步，通信时间短。

3.2.2 光照强度检测模块采用GY-302传感器采集猪舍中的光照强度，该传感器内部集成了光敏电阻和一个运放电路，当光照强度发生变化时，光敏电阻的阻值变化会引起运放电路输出电压的变化，通过测量输出电压的变化，间接获取光照强度信息。同时，该传感器自带16位AD转换器，无须进行ADC采集就能直接获取光照强度的数字信息，并通过50 Hz/60 Hz除光噪声功能实现稳定测量，对光源依赖性弱，测量精度高。

3.2.3 有害气体检测模块猪只养殖环境中常见的有害气体有NH、HS和CO等，气体浓度过高将影响猪只的健康生长。采用MQ137传感器和MQ136传感器分别采集猪舍中的NH浓度和HS浓度，这两种传感器均为半导体气体传感器，成本低，应用范围广，抗干扰能力强。MQ系列传感器的气敏元件是SnO，其电导率随着环境中气体浓度的变化而变化，在气体浓度改变时，其可以将电导率的变化转化为输出信号，而采集到的模拟数据需要经过ADC转换为具体浓度数据。采用MG811传感器来采集猪舍中的CO浓度，该传感器按电解质电池原理制成，在气体环境中会发生电极反应，使得敏感电极与参考电极间存在电势差，在不同CO浓度下将输出不同的电势差，根据电势差来测算CO浓度。

3.3 控制模块

猪只养殖环境监测系统需要根据猪舍中不同的环境参数做出对应的操作，以保证环境处于适宜猪只生长的条件下。单片机通过继电器与控制设备相连，当检测到环境参数异常时，会通过继电器来控制设备的开启或关闭，并通过蜂鸣器进行提醒。系统中的控制设备有加湿器、暖风机、排风扇和补光灯。在阴天等光照强度较低的情形下，将自动开启补光灯来补充光照；当有害气体浓度较高时，将开启排风扇进行通风换气，使气体浓度维持在设定的标准范围内；当温湿度高于设定的上限阈值时，将开启排风扇以降低室内温湿度；当温度低于设定的下限阈值时，将开启暖风机给猪舍增温；当湿度低于设定的下限阈值时，将开启加湿器给猪舍补充湿度。

3.4 报警模块

当传感器监测到异常数据时，主控模块可以通过驱动电路控制蜂鸣器发出声音，提醒喂养人员及时查看猪舍情况。蜂鸣器由振荡电路、驱动电路和蜂鸣器3个部分组成。振荡电路和驱动电路用于产生高频信号，使蜂鸣器发声。驱动电路可以将振荡电路产生的高频信号转化为适合蜂鸣器发声的电压信号，以控制蜂鸣器的音量和频率。

3.5 显示模块

传感器采集猪舍中的相关环境数据，通过液晶显示屏进行显示，以便养殖人员在巡视猪舍时能随时查看具体数据，显示的信息包括温湿度、光照强度和有害气体浓度等。

3.6 通信模块

无线通信模块采用ESP 8266，其内部集成了MCU且与单片机连接，实现串口通信，并在内部封装了WiFi协议栈，使用时通过发送AT指令对WiFi模块进行控制。养殖场中一般安装有无线网络，可以连接路由器或热点，通过MQTT协议上传到云平台，通过云平台实现远程监控。

4 软件设计

该养殖环境监测系统将温度数据、湿度数据、有害气体浓度和光照强度等数据采集后送到单片机進行转化处理，判断其是否在设定的阈值范围内，如果不在所设定的范围内，将通过继电器驱动控制设备对环境进行调控。采集到的数据通过显示屏进行显示，并通过无线通信模块将数据上传到云平台进行可视化显示。软件设计总流程如图2所示。

5 系统测试

将系统在养殖场部署后进行测试，测试前需要对系统进行初始化，设定各个环境参数的阈值，设定的温度范围为15～28 ℃，湿度范围是50%～70% RH，NH浓度上限阈值为10 mg/m，CO浓度上限阈值为2 000 mg/m，HS浓度上限阈值为5 mg/m，光照强度下限阈值为130 Lux。

在测试过程中，由于猪只活动、饮食、排便和对猪舍封闭管理等都会对猪舍环境参数产生一定的影响。在白天没有开窗通风的条件下，温湿度将逐渐升高，达到设定的阈值时蜂鸣器报警，排风扇开启工作，当温度降至标准范围内设备停止工作。若没有及时清理粪便和食槽，粪便或食物堆积的有害气体浓度将逐渐升高，在其达到设定的阈值时，排风扇开启工作，浓度降至阈值范围内后暂停工作。当夜间猪舍温度较低时，暖风扇开启工作。系统设定的猪只自由采食时间为6：00—20：00，在此时间段内光照强度未达到设定阈值时，补光灯开启工作，以保证充足的光照时长。实践表明，猪只养殖环境监测系统不仅能准确采集数据，还能在环境因素异常时自动开启控制设备对环境进行调控，将养殖环境维持在合理、适宜的条件下，实现自动化、智慧化养殖。

6 结语

随着规模化养殖的逐渐普及，养殖场内生猪数量众多，养殖人员的工作量巨大，且养殖过程烦琐，若不能及时监测养殖环境的异常情况，将导致生猪生长受到影响。本文基于物联网设计了生猪养殖环境监测系统，通过单片机、传感器和无线通信等技术，实现了养殖环境数据的实时采集和远程监控。智能化养殖与传统养殖相比，提高了养殖效率，提升了出栏的质量，减低了患病风险，增加了养殖收益，促进了养殖的智能化发展和传统养殖业的转型。

参考文献

[1] 杨明太. 农业物联网技术应用及创新发展策略[J]. 新农业，2022（2）：82.

[2] 邢伟杰，潘亚东，金波，等. 物联网技术在家禽养殖业的应用研究进展[J]. 安徽农业科学，2020，48（17）：15-17，20.

[3] 郑小南，杨凡，李富忠. 基于物联网的智慧猪舍养殖系统[J]. 物联网技术，2020，10（10）：79-81.

[4] 李嘉豪. 猪舍环境智能巡检与监控机器人系统研究[D]. 赣州：江西理工大学，2022.

[5] 李江华. 关于畜禽场环境质量及卫生控制的标准（1）[J]. 肉类研究，2013，27（5）：3-4.

[6] 黄俊仕，熊爱华，董钊，等. 生猪养殖环境智能监控系统设计[J]. 黑龙江畜牧兽医，2021（1）：12-18，23.

[7] 高航. 环境温度对生长猪能量代谢的影响[D]. 太谷：山西农业大学，2018.

[8] 司徒金水，朱晓彤，江青艳，等. 环境因素对猪生产性能的影响[J]. 家畜生态学报，2021，42（8）：8-14.

[9] 郭晓宇，张营. 寒冷季节光照制度对育肥猪生长性能、肉品质及血清生化指标的影响[J]. 中国饲料，2022（4）：13-16.

[10] 高云，刁亚萍，林长光，等. 机械通风楼房猪舍热环境及有害气体监测与分析[J]. 农业工程学报，2018，34（4）：239-247.

（责编：杨欢）