畜禽养殖环境远程监控系统研究

刘阳春 胡小安 伟利国 李亚硕 周丽萍

（中国农业机械化科学研究院，北京，100083）

0 引言

畜禽健康养殖是指动物养殖过程的安全、健康以及饲料营养的无公害，达到保护人类安全和维护社会稳定的目的[1]。环境、品种、饲料和疾病是构成畜禽健康养殖的4大技术限制因素，其中，环境监测是畜禽健康养殖关键限制因子[2]。畜禽的生长环境直接影响畜禽的健康，尤其是封闭式的畜禽舍，光照有限，温度、湿度波动比较大，有害气体不容易散发，这些均对畜禽的生长繁殖影响比较大[3]。因此，根据畜禽养殖环境的特点，对温度、湿度、有害气体浓度等主要环境参数准确和实时监测是十分有必要的。以监测数据为参考依据，对畜禽舍养殖环境进行调控，能大大提高畜禽舍管理效率。

计算机技术、传感器技术、自动化控制技术和网络通信技术的发展，为畜禽健康养殖环境监测、预警和控制提供了很好的技术手段。传感器网络采用无线通信技术，可实现分布式部署，能最大程度的减少器件连线，降低系统搭建、维护的费用和难度，同时提高系统的可扩展性[4]。

本文设计的畜禽养殖环境远程监控系统，将传感器技术、无线通信网络技术、自动化控制技术以及远程管理技术等先进技术结合在一起，能实现畜禽养殖环境实时监测、数据处理与分析、自动预警、远程调控等功能。

图1 系统结构框图

1 系统总体设计方案

系统主要由环境参数传感器、远程数据传输模块（DTU）、Wi-Fi 模块、移动巡检车、车载终端、服务器、客户终端等设备组成。在每个畜禽舍内，移动巡检车按照预定轨道行驶，安装在移动巡检车上的车载终端通过无线Wi-Fi 模块采集安装在畜禽舍各处的温度、湿度、硫化氢、氨气、PM1.0 和PM2.5 等传感器值；然后通过串口通信传输到DTU，DTU 通过GPRS 网络将数据传输到监控中心的数据库服务器；系统平台通过Web 服务对外提供服务；用户通过客户终端设备访问系统服务，实现对畜禽舍养殖环境的远程管理和调控。系统框图如图1 所示。

2 系统硬件设计

2.1 传感器采集设计

畜禽舍养殖环境因素主要包括温度、湿度、硫化氢含量、氨气含量以及空气洁净度，其中，空气洁净度又分为PM1.0 和PM2.5 两种参数。因此，本文主要采用的传感器有温湿度传感器、硫化氢传感器、氨气传感器、PM1.0 传感器和PM2.5 传感器，完成6 个参数的测量。

传感器信息采集采用PIC 单片机完成，其结构框图如图2 所示。

图2 传感器采集结构框图

单片机通过CAN 总线采集温度与湿度值，通过485总线采集有毒有害气体含量值以及空气洁净度值，经数据处理后，通过SPI 接口输出至液晶屏显示，并通过USART串行口输出给Wi-Fi 模块，将所有传感器信息发送给移动巡检车。另外，预留了I/O 输出，可以控制电磁阀开关，对畜禽舍内设施进行调控。

2.2 车载终端设计

车载终端是以单片机为核心开发的，其主要功能包括：接收传感器信息、数据处理和存储、远程数据传输。整个系统的网络采用的是无线Wi-Fi 和GPRS 网络的方式。移动巡检车在畜禽舍内按规划路径行走，其车载终端通过Wi-Fi 模块读取传感器节点信息，最终把数据集中到远程数据传输模块（DTU），并由DTU 经过GPRS 网络传送到远程的服务器上，经服务器把数据保存到数据库上并对上层应用提供服务。这样的方式可以灵活部署传感器节点，不受地域距离限制，并且具备充分的可扩展性。

3 系统软件设计

系统软件设计要充分考虑硬件系统的特点和网络拓扑结构，不但要满足系统的功能需求，还要满足用户对系统操作的方便性。本文设计的软件系统主要分为两部分：数据通信服务程序和基于Web 的应用服务系统。数据通信服务程序主要是接收DTU 发送过来的数据，并对数据进行解析、处理并保存于数据库中；应用服务系统的主要功能是为用户提供环境参数实时展示、参数查询、分析、调控及其他管理功能。

3.1 数据通信服务程序设计

数据通信服务程序通过多线程技术监听、接收和处理远程数据传输模块发送来的请求。数据通信服务程序会监听指定的端口，当监听到远程数据传输模块发送来的请求后，会创建一个线程来处理该请求，解析请求中的功能代码，根据不同的功能代码分配相应的处理流程，处理流程根据制定好的通信协议解析请求数据并将数据存到数据库中。数据传输流程如图3 所示。

图3 数据传输流程图

3.2 Web 应用服务系统设计

应用服务系统是基于Spring3.0 的MVC 框架搭建的。前台展示层运用了JSP 和JQuery 技术，JSP（Java Server Page）是Sun 公司推出的新一代动态网站开发语言，完全解决了目前ASP 和PHP 脚本级行的缺点。JSP 可以在Servlet 和JavaBean 的支持下，完成功能强大的动态网站程序开发，JSP 页面展示技术所拥有的强大标签库和JQuery所提供的丰富JS 脚本库，强有力地保障了绚丽的页面展示效果。持久层采用Spring 的JDBC Templete 技术与数据库进行交互，Spring 的JDBC Teamplate 技术实现了对数据库资源的全面管理，包括异常处理和资源的创建和释放，提高了系统性能，增强了系统异常处理能力。业务逻辑处理过程采用Spring 的Transaction 声明式事务管理机制进行事务管理，有效地防止了“脏”数据的出现，防止了数据库数据出现问题，保证了事务的原子性、一致性、隔离性、持久性。系统采用Spring 的Security 框架进行系统角色、权限管理，该框架提供了多种用户身份认证功能，并提供了角色判断功能，对企业级平台中定制模式的权限管理方式提供了稳定且严密的解决方案。系统主界面如图4 所示。

2015 年1 月底在北京大信禽业有限公司的某养殖场安装配置了该整套系统，共安装了4 个传感器节点，经过一段时间的运行和调试，系统运行稳定，应用平台能实时采集显示畜禽舍的环境参数数据，在环境参数超出设定阈值时，能及时预警，畜禽舍管理人员可以远程对现场设备进行调控。

4 结束语

图4 系统主界面

本文针对畜禽健康养殖对智能化环境监测、预警和控制的需求，设计开发了一套畜禽养殖环境远程监控系统。系统采用移动巡检车通过Wi-Fi 无线采集传感器数据，并通过GPRS 网络远程发送给服务器，在服务器上进行基于B/S 的Web 应用开发。这样的方式可以灵活部署传感器节点，不受地域距离限制，并且具备充分的可扩展性。

经过实际应用及用户操作体验，结果表明，该系统工作性能稳定可靠、数据采集实时、准确性好，在环境参数超出设定阈值时，能及时预警，畜禽舍管理人员可以远程对现场设备进行调控，有效提高了畜禽养殖环境的管理效率和自动化水平。

[1] 王雷雨,孙瑞志,曹振丽. 畜禽健康养殖中环境监测及预警系统研究[J]. 农机化研究, 2012(10)∶119-203.

[2] 梁万杰,曹静,凡燕,等.羊舍环境监测及预警系统设计与实现[C]. 中国畜牧兽医学会信息技术分会2013 年学术研讨会, 2013：274-279.

[3] 赵杰,李维炜,等. 畜舍内环境的控制与改善[J].上海畜牧兽医通讯, 2012(6)∶65-66.

[4] 刁智华,陈立平,吴刚,等. 设施环境无线监控系统的设计与实现[J].农业工程学报, 2008,24(7)∶146-150.