规模化养殖场智慧消毒防疫系统的设计

祁 钊，汪 振，岳振宇，宋祥军

（1.安徽农业大学 信息与计算机学院，安徽 合肥 230036；2.安徽农业大学 动物科技学院，安徽 合肥 230036）

0 引言

消毒防疫与生物安全防控是兽医公共卫生防疫体系的重要组成部分。生物安全管理中，消毒贯穿在人员进出管理、车辆管理、物料管理、生产区管理、生活区管理等生物安全体系的每个环节[1,2]。目前养殖场大多是以规模化养殖形式存在的，超大厂房导致消毒效果不佳，除了局部消毒，很多环节都没有完整的消毒工作流程。鉴于当今动物疫病防控的实际需求，利用物联网技术，建立高效、智慧的消毒工作方式，提高生物安全防控能力和水平，是十分必要的[3,4]。

鉴于此，本文提出一种基于纳米TiO2抗菌特性的消杀设备和环控设备对畜禽的生活环境进行实时监控，从而精准判断畜禽舍内部空气情况，便于及时改善饲养环境，降低安全隐患，阻断疫病发生与流行，对规模化养殖业的健康发展有着重要的实际意义。

1 系统总体设计

1.1 整体思路

基于物联网技术[5,6]，采集规模化养殖场内部空气温湿度、氨气含量、CO2含量等环境信息，应用Web 技术，构建准数据库和系统框架，将畜禽生长环境的温湿度、空气质量等数据自动上传，在数据库的基础上构建规模化养殖场消毒防疫的精准管理系统；将规模化养殖场内部通风设施、消毒设施、摄像头和传感器组网上云，实现养殖场消毒防疫环节的物联网化。

1.2 系统架构

系统总体结构主要包括传感器采集层、网络通信层、数据层、反馈应用层。

（1）传感器采集层包含氨气传感器、温湿度传感器、二氧化碳传感器和氧气传感器，实时采集畜禽生长环境的空气质量。

（2）网络通信层是由 ZigBee 智能节点和以微控制器为核心的智能网关组成。该智能网关通过2.4 GHz 无线通信和各个ZigBee 智能节点组网，再通过协议将数据上云，从而进行远程监控。采用ZigBee、WiFi 等进行数据接入，让传感网和互联网云端相互连接，可以多协议标准共同使用，最多可以支持1 000 多个节点的连接[7]。

（3）数据中心服务层是基于ThinkPHP 框架搭建的养殖场消毒防疫管理与数据处理的服务端程序。该程序将获取的各个ZigBee 传感器节点的数据进行处理与存储，作为养殖过程的数据积累与挖掘的数据源；然后通过预设的自定义脚本对所得到的数据进行分析，自动化地调取各装置进行消杀操作；最后将得到的实时数据进行展示，为管理人员对养殖场内部环境质量的把控提供精准的信息。

数据中心客户端层包括Android、Web、PC 端。管理人员通过云数据库查看规模化养殖场内部的环境质量，将实时环境质量数据与标准值进行自动比对，对反馈层进行下一步操作，从而达到远程控制的目的；此外还可以实时查看采集的空气质量数据，并且客户可以手动控制通风装置和消毒设备对空气质量进行有效的管理。

（4）反馈应用层包括输出设备，如通风装置、消毒装置等。当数据中心检测到空气质量高于标准值时或用户客户端手动控制时，打开通风装置、消毒装置进行通风消毒工作，并且按照设定时间及时进行例行消毒工作并记录在案。

2 软硬件设计

2.1 硬件设计

在规模化养殖场消毒防疫系统中，使用的是STM32F103系列智能电子测控系统[8-10]，拥有32 位内核、高性能ARM Cortex-M3 处理器，拥有144 引脚、112 个IO，大部分IO 口都能耐受5 V（模拟通道除外），支持调试SWD 和JTAG，其中SWD 只要2 根数据线。通信接口多达13 个，包含2个I2C 接口、5 个串口、3 个SPI 接口、1 个CAN2.0、1 个USB FS、1 个SDIO。智能网关采用三星ARM Cortex-A9 S5P4418四核处理器/ARM Cortex-A53 S5P6818八核处理器，S5P4418 和S5P6818 CPU 引脚全部兼容，共用一套核心板设计方案，不用更改底板设计便可以将FET4418-C 核心板升级为FET6818-C。总线接口资源丰富，支持6 路UART、3 路SPI、3 路I2C、1 路千兆以太网、3 路I2S、14 位地址总线、16 位数据总线、2 路SD/MMC/SDIO，多媒体功能强大，显示接口丰富；支持3D 硬件图形加速；支持OPENGL ES 1.1；支持硬件视频编解码、1080P 60@fps 硬件解码、1080P 30@fps 硬件编码，视频支持h.263、h.264、mpeg1/2/4；支持双屏显示；支持最大分辨率2 048×1 280。

（1）CO2-4K-3M 二氧化碳传感器模块（CO2传感器）：负责监测室内二氧化碳浓度。二氧化碳是目前国际国内通用的测量室内空气通风状态及空气质量好坏的主要参数。采用目前先进的红外自扩散NDIR 测量CO2的方法，反应快捷，稳定性和一致性高。

（2）MS1088 温度传感器：该模块的工作电流是75 μA，温度测量范围为-40～120 ℃。MS1088 是一个经过全集成测试和校准的数字低功耗温度传感器，典型的温度测量精度为±0.3 ℃。它提供数字SPI 或I2C 接口和电池报EOL 测试。MS1088 可以采用方形扁平无引脚封装QFN 或内存芯片封装CSP。

（3）NH3-B1 氨气传感器（NH3传感器）：该模块的响应时间要小于60 s；氨气检测范围为0～100 ppm；灵敏度达到25～45 nA/ppm。氨气传感器NH3-B1 主要用于检测大气中氨气的浓度，NH3-B1 传感器是四电极电化学氨气传感器，线性电流输出，信号易于处理，灵敏度高，适合应用于恶劣环境，如家禽养殖场、养猪场等环境。

（4）KE-50 氧气传感器（O2传感器）：该模块工作温度为5～40 ℃，精度为±2%，显著特点是使用寿命长、化学稳定性优良，而且不易受CO2的干扰与影响。KE 系列传感器是为了满足各种行业不断增长的氧气检测的需求而开发的，譬如可燃气体和住宅用燃气器具检测、生物技术运用、医疗器械运用等。

（5）纳米TiO2抗菌特性的消杀设备：在宽光谱紫外线与多种亲水稀有金属催化剂的作用下，产生包括过氧化氢离子、羟基离子、超氧离子和纯负离子在内的净化因子。通过空气流通设备的推动，净化因子与空气中的污染物主动结合，产生净化反应。

2.2 软件设计

软件部分主要是系统初始化，包括外设接口化、存储器初始化。主流程为先对规模化养殖场内部畜禽舍内的环境质量进行监测，将监测所得的数据发送到数据库，数据中心将采集到的信息通过手机端或大屏呈现给管理层，管理层可以选择自动运行或人工干预。在自动模式下，处理器将温湿度传感器、氨气传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器得到的数据与标准值进行比对，当实时值比标准值低时，环境质量不利于畜禽生活，且空气中含有的病原微生物含量也会超标；通过节点数据传输来控制控制器，控制器控制通风装置和消毒装置对舍内环境进行净化。在手动模式下管理人员手动操作设备运行。

本软件主要具备监控规模化养殖场内环境质量的状态并调节畜禽舍内的环境来保证防疫效果的功能，管理人员可以通过网络连接查看实时数据进行模式的选择。用户可以通过可视化页面查看畜禽舍内的环境，并选择控制按钮，控制通风设备和启动消毒设备，改善舍内环境；还可以提前设置时间节点进行自动化消毒与通风，提高规模化养殖场消毒防疫工作的效率。

2.3 测试

对软件系统进行了一系列的测试，主要的测试项目包括：测试各个传感器的连接是否有问题；数据传输的速度与准确度；通风消毒设备的运行是否正常；规模化养殖场内部的网络连接是否稳定；对整个系统做试运行，对发现的漏洞进行修复。

3 结语

本系统以STM32F103 系列控制器作为核心部件，电脑通过网关与传感器、通风设备和消毒设备相连接，从而通过预设的指标控制养殖厂内部的空气质量。这样不仅可以实现系统自动运行，还可以人工干预实现精准把控，并且可以将每一次的消杀与通风情况都记录在案，为后期实现更加节能的通风操作提供数据支持。与传统人工操作通风设备相比，对养殖场内环境的调控更加科学；与人工消毒相比，本系统的消毒操作更加有迹可循，并且更加充分和彻底。对养殖场进行智能化改造，提高养殖场工作人员的工作强度，降低人员因素导致的防疫问题，实现养殖过程的数据积累与挖掘，为智慧农业的发展提供助力。