劉持標(biāo)等

摘 要：影響大型養(yǎng)豬生產(chǎn)的因素主要包括飼料的種類、飼料的質(zhì)量、疾病、生長環(huán)境和管理水平，其中環(huán)境因素約占20%～30%，這包括豬生長環(huán)境的溫度、濕度、光環(huán)境、氨氣及硫化氫等有害氣體。環(huán)境因素對養(yǎng)豬業(yè)的重要作用已被國內(nèi)外大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐所證實(shí)。文章基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)了大型養(yǎng)豬場智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可對豬場環(huán)境信息實(shí)施在線監(jiān)測，及時了解豬的生長環(huán)境變化和生長狀態(tài)變化。根據(jù)實(shí)時監(jiān)測結(jié)果，也及時采取各種措施來應(yīng)對豬場生產(chǎn)環(huán)境的各種變化，進(jìn)而提高養(yǎng)豬場的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；大型養(yǎng)豬場；智能監(jiān)控；氨氣；硫化氫

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）08-00-07

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的收入水平得到了提高，對肉類消費(fèi)的需求也在升高，使得我國居民豬肉消費(fèi)保持平穩(wěn)增長。自2000年以來，我國居民豬肉消費(fèi)占肉類總消費(fèi)量的60%以上，豬的健康養(yǎng)殖對提高國人的生活水平具有極其重要的作用。近年來，隨著不斷提高養(yǎng)豬的飼養(yǎng)技術(shù)水平和科學(xué)管理水平，生豬產(chǎn)業(yè)也從家庭式的零星飼養(yǎng)向集約型的大型養(yǎng)豬場生產(chǎn)過渡[1，2]。而大型養(yǎng)豬場一般都采用三點(diǎn)式隔離飼養(yǎng)技術(shù)[3]，將母豬場、保育場和生產(chǎn)育成場分別隔離開來。

1 大型養(yǎng)豬場的自動監(jiān)測及聯(lián)動控制

圖1所示是一個具有2 500頭母豬的的大型養(yǎng)豬場的三點(diǎn)式隔離飼養(yǎng)模式養(yǎng)豬場的示意圖。圖1表明，有著2 500頭種母豬的養(yǎng)豬場，占有一個相對集中的養(yǎng)豬地點(diǎn)，每周可生產(chǎn)1 000頭仔豬。同時，該種母豬場的建筑地點(diǎn)距離保育場1000米以上。飼養(yǎng)小豬的保育場離生長成年豬的生長育成場間隔1 000米以上的距離，每個保育場一般由4個臨近的養(yǎng)豬點(diǎn)組成。保育場的每一個養(yǎng)豬點(diǎn)有1～2個養(yǎng)豬區(qū)，每個區(qū)可養(yǎng)殖1 000頭小豬。生長育成場一般有9個養(yǎng)豬點(diǎn)，每個點(diǎn)有1～2個養(yǎng)豬區(qū)，每個區(qū)可養(yǎng)殖1 000頭豬。這種隔離式的飼養(yǎng)方式可以有效阻擋豬的疾病傳播，有利于各類豬的健康成長。

對于生豬產(chǎn)業(yè)，大型養(yǎng)豬場一般建在遠(yuǎn)離城市的地方，開發(fā)養(yǎng)豬場監(jiān)控系統(tǒng)可以幫助管理人員在不到現(xiàn)場的情況下，實(shí)現(xiàn)豬場生產(chǎn)的監(jiān)督和管理。同時，根據(jù)需要還可以通過遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)邀請專家，向豬場提供遠(yuǎn)程指導(dǎo)和治療。此外，一套監(jiān)控系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)豬場信息管理，大大減少人員數(shù)量，有效地提高養(yǎng)豬業(yè)的管理水平。但目前，市場上所使用的養(yǎng)豬場管理系統(tǒng)效果均不理想[4-6]，這些系統(tǒng)還不能解決我國大型養(yǎng)豬場監(jiān)控所面臨的關(guān)鍵問題。

第一，目前還沒有成熟高效的養(yǎng)豬場生長環(huán)境數(shù)據(jù)自動收集技術(shù)。大型養(yǎng)豬場每天需要測定大量的數(shù)據(jù)，依靠傳統(tǒng)的人工數(shù)據(jù)收集及管理方法，效率十分低下。同時，基于人工的數(shù)據(jù)管理方法也很難保正數(shù)據(jù)管理的準(zhǔn)確性、及時性和連續(xù)性，這都成為制約養(yǎng)豬場生產(chǎn)工藝改良的瓶頸。

第二，目前還沒有經(jīng)濟(jì)且行之有效的監(jiān)控技術(shù)來智能調(diào)控豬的生長環(huán)境及高效觀察豬的行為特征。養(yǎng)豬業(yè)生產(chǎn)主要受養(yǎng)殖品種、飼料種類和質(zhì)量、疫病、生長環(huán)境和管理水平等因素的影響[7]，其中環(huán)境因素所起的作用約占20%～30%。豬舍環(huán)境因素包括溫度、濕度、噪聲、光照和有害氣體等。豬的生長環(huán)境溫度過高，會造成種母豬子宮內(nèi)熱超高，胎兒溫度升高，造成體內(nèi)胎兒中毒或窒息死亡。同時，種母豬妊娠后期是胎兒體重增加的關(guān)鍵時期，高溫會影響胎兒的正常發(fā)育，造成胎兒出生體重低，出生后生長緩慢。對于不同種類豬而言，其適宜的生長溫度范圍也不同，比如種公豬為17～21 ℃；妊娠種母豬為18～21 ℃；哺乳仔豬為29～33 ℃。

由于大型養(yǎng)豬場涉及的監(jiān)控參數(shù)較多，同時需要采取的措施較多，導(dǎo)致勞動強(qiáng)度過大，各種監(jiān)控困難接踵而來。為此，本文開發(fā)了一個大型養(yǎng)豬場高效管理系統(tǒng)，它可對養(yǎng)豬場的養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行自動監(jiān)測及相關(guān)聯(lián)動控制。

2 養(yǎng)豬場監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件整體設(shè)計

整合先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)信息化技術(shù)建立生豬生長全過程智能監(jiān)控系統(tǒng)，其功能包括視頻監(jiān)控功能、自動水簾降溫功能、自動風(fēng)機(jī)換氣功能、恒溫?zé)犸L(fēng)功能及信息化管理功能。

2.1 養(yǎng)豬場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

圖2為大型養(yǎng)豬場監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，所開發(fā)的系統(tǒng)可以對大型養(yǎng)豬場各個地點(diǎn)的豬舍進(jìn)行監(jiān)控。由圖2 可知，各個豬舍中的各類傳感器和攝像頭可廣泛采集各種數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)金B(yǎng)豬場監(jiān)控數(shù)據(jù)服務(wù)中心，以對獲取的大量生豬養(yǎng)殖數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理及顯示。

所建設(shè)的養(yǎng)豬場智能監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)生豬養(yǎng)殖的全過程監(jiān)控、科學(xué)管理和即時服務(wù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)養(yǎng)豬業(yè)集約、高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)和安全的目標(biāo)。具體的系統(tǒng)功能包括視頻監(jiān)控功能、環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測功能、環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備遠(yuǎn)程控制功能和報警功能，分別敘述如下：

第一，視頻監(jiān)控功能可以實(shí)時地傳送活動圖像信息到用戶客戶端。同時，客戶端還可以控制前端攝像機(jī)，改變攝像角度、方位、鏡頭焦距等，從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場大范圍的觀察和近距離的特寫；

第二，通過環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測和設(shè)備控制，可對現(xiàn)有豬場設(shè)備如水簾、風(fēng)機(jī)、加熱器等進(jìn)行遠(yuǎn)程操作；

第三，利用報警功能，用戶可根據(jù)需求在智能平臺上設(shè)置閾值，當(dāng)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)超過閾值的時候，系統(tǒng)可以進(jìn)行自動報警。

2.2 大型養(yǎng)豬場監(jiān)控系統(tǒng)的Web服務(wù)設(shè)計

圖3所示是大型養(yǎng)豬場智能化管理平臺系統(tǒng)所包含的功能模塊。它包括登錄管理、系統(tǒng)首頁顯示、公告中心、信息總覽、地理位置、特殊操作和用戶注冊等。其中，信息總覽是本系統(tǒng)的核心模塊，它包括用戶管理、配置管理、監(jiān)控管理、文章管理和智能管理。

登錄管理模塊主要實(shí)現(xiàn)管理員登錄功能。成功登錄后，系統(tǒng)可發(fā)送短信及郵件提醒。系統(tǒng)首頁模塊主要包括圖文導(dǎo)讀、公司新聞、產(chǎn)品介紹、聯(lián)系方式和專題網(wǎng)站5個部分。公告中心模塊主要實(shí)現(xiàn)后臺編輯相關(guān)文章內(nèi)容的展示。地理位置模塊主要實(shí)現(xiàn)代表養(yǎng)殖區(qū)域的紅色標(biāo)注的百度地圖展示。

信息總覽模塊的主要功能包括監(jiān)控管理、配置管理、用戶管理和智能管理。監(jiān)控管理包括圖像監(jiān)控、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控和設(shè)備監(jiān)控。其中，圖像監(jiān)控主要實(shí)現(xiàn)以圖片形式對豬舍進(jìn)行監(jiān)控；視頻監(jiān)控主要實(shí)現(xiàn)以視頻播放的形式對豬舍進(jìn)行監(jiān)控；環(huán)境監(jiān)控主要實(shí)現(xiàn)綜合性監(jiān)控，包括設(shè)備控制及視頻、環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)控；設(shè)備監(jiān)控主要實(shí)現(xiàn)對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控管理，包括攝像頭、網(wǎng)關(guān)、節(jié)點(diǎn)、繼電器及其它水電氣設(shè)備（如燈、風(fēng)扇等）。

配置管理是大型養(yǎng)豬場智能監(jiān)控系統(tǒng)的一個重要模塊，它主要實(shí)現(xiàn)區(qū)域配置、豬棚配置、豬舍配置和設(shè)備配置功能。區(qū)域配置主要實(shí)現(xiàn)對養(yǎng)豬場區(qū)域的增刪改查配置；豬棚配置主要實(shí)現(xiàn)對豬棚的增加、刪除、修改和查找配置；豬舍配置主要實(shí)現(xiàn)對豬舍的增加、刪除、修改和查找配置；設(shè)備配置主要實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的增刪改查配置。

用戶管理主要包括個人信息管理與用戶列表及操作管理。個人信息主要實(shí)現(xiàn)對管理員信息的查看及修改，包括頭像修改、密碼修改和基本信息修改；用戶列表主要實(shí)現(xiàn)對用戶基本信息的查看、修改及賬號凍結(jié)和解凍等操作。文章管理主要實(shí)現(xiàn) “系統(tǒng)首頁”和“公告中心”內(nèi)容的編輯。智能管理主要實(shí)現(xiàn)對指定的豬棚設(shè)定相應(yīng)的自動化管理模式。

特殊操作模塊包括權(quán)限管理、角色管理、用戶管理和日志管理。權(quán)限管理主要實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)用戶的權(quán)限進(jìn)行查詢及編輯操作；角色管理主要負(fù)責(zé)對角色的增加刪除修改查找和為指定角色分配權(quán)限；用戶管理主要實(shí)現(xiàn)用戶角色授予的編輯及清空權(quán)限的操作；日志管理主要實(shí)現(xiàn)管理員有關(guān)寫操作的記錄。另外，用戶注冊模塊主要實(shí)現(xiàn)注冊新的管理員，但新管理員并沒有任何權(quán)限，需要超級管理員后臺授予相關(guān)權(quán)限。

2.3 養(yǎng)豬管理平臺主要數(shù)據(jù)庫表格設(shè)計

養(yǎng)豬場實(shí)時監(jiān)控過程中，各種數(shù)據(jù)匯集到智能養(yǎng)豬場監(jiān)控系統(tǒng)信息平臺所在的數(shù)據(jù)服務(wù)中心，該中心可以使用Oracle、MySQL及MS SQL Server等數(shù)據(jù)庫來管理及存儲數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)建立所涉及的主要數(shù)據(jù)表格包括用戶表（Adminuser）、網(wǎng)關(guān)表（Gateway）、傳感器表（Sensor）、傳感器數(shù)據(jù)表（Sensor_Data）和控制命令表（Controlorder）。各個表格之間用主鍵外鍵之間的關(guān)系進(jìn)行聯(lián)系，這些表格的詳細(xì)信息分別介紹如下。

用戶表如表1所列，用戶表（Adminuser）由一個主鍵和九個信息字段組成，主要用來保存用戶的各種基本信息。其中Userid為用戶表的主鍵，用來唯一標(biāo)示用戶表中用戶的信息。

網(wǎng)關(guān)表如表2所列，網(wǎng)關(guān)表（Gateway）由一個主鍵和九個信息字段組成，主要用來保存網(wǎng)關(guān)的各種基本信息。其中Gatewayid為網(wǎng)關(guān)表的主鍵，用來唯一標(biāo)示網(wǎng)關(guān)表中網(wǎng)關(guān)的信息，User_way是對應(yīng)用戶表在網(wǎng)關(guān)表上的外鍵，表示這個網(wǎng)關(guān)屬于哪個用戶，其他字段的信息在下面表中有備注。

表3是傳感器表，傳感器表（Sensor）由一個主鍵和七個信息字段組成，主要用來保存?zhèn)鞲衅鞯母鞣N基本信息。其中Sensorid為傳感器表的主鍵，用來唯一標(biāo)示傳感器表中傳感器的信息，Sensor_user是對應(yīng)用戶表在傳感器表上的外鍵，表示這個傳感器屬于哪個用戶，Sensor_ways是對應(yīng)網(wǎng)關(guān)表在傳感器上的外鍵，表示這個傳感器屬于哪個網(wǎng)關(guān)。

表4是傳感器數(shù)據(jù)表，傳感器數(shù)據(jù)表（Sensor_Data）由一個主鍵、兩個外鍵和二個信息字段組成，主要用來保存?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)的各種基本信息。Isensor是傳感器數(shù)據(jù)的主鍵，用來唯一表示傳感器數(shù)據(jù)的唯一信息。其中Igateway是對應(yīng)網(wǎng)關(guān)表在傳感器數(shù)據(jù)表上的外鍵，表示這個傳感器屬于哪個網(wǎng)關(guān)。由于整個應(yīng)用對數(shù)據(jù)的操作頻繁，且操作過程主要依靠數(shù)據(jù)所屬的網(wǎng)關(guān)（Gateway）、傳感器（Sensor）等信息來查詢，所以在兩列Igateway， Isensor上建立索引。如果數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)增刪改過于頻繁，系統(tǒng)會花費(fèi)更多時間來維護(hù)索引，從而降低了效率，所以數(shù)據(jù)表中不宜建立太多索引。

表5為控制命令表，控制命令表（Controlorder）由一個主鍵和十個信息字段組成，主要用來保存命令表的各種基本信息。其中Ccontrolid為命令表的主鍵，用來唯一標(biāo)示命令表中傳感器的信息，Order_user是對應(yīng)用戶在命令表上的外鍵，表示這個命令屬于哪個用戶。Order_dayways是對應(yīng)命令在命令表上和網(wǎng)關(guān)相關(guān)的外鍵，表示這個命令屬于哪個網(wǎng)關(guān)。Order_sensor是對應(yīng)命令在命令表上和傳感器相關(guān)的外鍵，表示這個命令屬于哪個網(wǎng)關(guān)的相關(guān)傳感器。其它字段的信息在表中有備注。

2.4 MySQL的安裝及配置

MySQL數(shù)據(jù)庫被用于數(shù)據(jù)的存儲及處理。MySQL數(shù)據(jù)庫具體的安裝步驟包括7個部分，分別敘述如下：

（1）在安裝過程中可選Typical安裝方式，該方式可以安裝MySQL數(shù)據(jù)庫的常用程序，滿足一般程度的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用；

（2）點(diǎn)擊Developer Components前面的X號，選擇下拉列表中的第二項(xiàng)：“This feature， and all subfeatures， will be installed on local hard drive”，點(diǎn)擊Next，確認(rèn)選項(xiàng)無誤后，點(diǎn)擊install開始安裝；

（3）在安裝過程中，點(diǎn)擊Next，再點(diǎn)擊Next，在紅框內(nèi)的選擇打鉤，意思是現(xiàn)在就配置MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，然后點(diǎn)擊finish完成配置步驟；

（4）在隨后的MySQL配置助手首頁，點(diǎn)擊Next。然后，選取Detailed Configuration選項(xiàng)來進(jìn)行MySQL數(shù)據(jù)庫實(shí)例的詳細(xì)配置，并點(diǎn)擊Next；

（5）在數(shù)據(jù)庫連接并發(fā)數(shù)配置中，配置頁面選擇能同時連接到MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的最大數(shù)目。數(shù)據(jù)庫連接的配置有Decision Support（DSS）/OLAP（20個左右連接）、 Online Transaction Processing （OLTP）（500個左右連接）和 Manual Setting（手動設(shè)置連接數(shù)目）三個選項(xiàng)， 可在這里選擇第一個選項(xiàng)，并點(diǎn)擊Next進(jìn)入另一個配置頁面；

（6）點(diǎn)擊Next進(jìn)入數(shù)據(jù)庫用途選項(xiàng)。MySQL服務(wù)器的用途包括 Multifunctional Database （通用多功能型）、 Transactional Database Only （專注于事務(wù)處理型）和Non-Transactional Database Only （非事務(wù)處理型），這里選擇第一個通用多功能型，點(diǎn)擊Next。這一步為innodb數(shù)據(jù)庫實(shí)例選擇一個存儲空間，默認(rèn)為存儲在數(shù)據(jù)庫的安裝目錄下，不用修改，點(diǎn)擊Next；

（7）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信配置可啟用TCP/IP。如果啟用了TCP/IP，就可以通過IP， 在網(wǎng)絡(luò)上訪問到此MySQL服務(wù)器，默認(rèn)端口是3306。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的配置包括字符集的配置、操作系統(tǒng)相關(guān)配置和數(shù)據(jù)庫安全配置，分別敘述如下：

（1）在數(shù)據(jù)庫字符配置頁面中，有三種字符配置選項(xiàng)：Standard Character Set（西文字符）、Best Support For Multililngualism （UTF8字符）和 Manual Selected Default Character Sec/Collation（手動選擇一個字符集）。這里配置的字符集就是指在創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫的時候，如果沒有指定字符集，就采用這里設(shè)置的默認(rèn)字符集；如果指定了，則以創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫時指定的字符集為準(zhǔn)。如果整個監(jiān)控系統(tǒng)都用一個字符集的話，可以在這里設(shè)定好，然后每次建數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)表的時候就不用指定了。這里手動選擇UTF8，并點(diǎn)擊Next；

（2）在Windows操作系統(tǒng)相關(guān)配置頁面中，第一項(xiàng)是選擇是否安裝成為Windows的一項(xiàng)服務(wù)，如果勾選了，則可以通過Windows的控制面板→ 管理工具→服務(wù)來開啟或停止MySQL服務(wù)器。選項(xiàng)“Launch the MySQL Server automatically”是開機(jī)自動啟動此服務(wù)；另一選項(xiàng)是選擇是否將BIN目錄加到Windows的PATH變量中去，如果勾選了，則可以通過dos控制臺直接執(zhí)行MySQL命令；

（3）在數(shù)據(jù)庫安全選項(xiàng)配置頁面中，第一項(xiàng)是為MySQL服務(wù)器的root帳戶設(shè)置密碼，需要輸入兩遍。下面的Enable root access from remote machines意思是是否允許root帳戶從遠(yuǎn)程計算機(jī)訪問，如有需要可以勾選這個選項(xiàng)；但一般而言處于安全策略，不要勾選這個選項(xiàng)。另外一個選項(xiàng)為創(chuàng)建一個匿名賬號，出于安全考慮，不要勾選。

所有配置都已準(zhǔn)備好了后，點(diǎn)擊Execute執(zhí)行配置后的安裝操作。在使用MySQL數(shù)據(jù)庫的過程中，可使用dos命令 “net stop mysql”與“net start mysql”重新啟動數(shù)據(jù)庫。利用“mysql –u root -p”登錄MySQL后，使用“show global variables”命令可查看數(shù)據(jù)庫的相關(guān)變量配置。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

在大型養(yǎng)豬場管理系統(tǒng)的開發(fā)過程中，我們選取了大型養(yǎng)豬場中一個大約500平方米的豬舍來進(jìn)行硬件的安裝，所需的硬件配置如表6所列。根據(jù)所監(jiān)控豬舍數(shù)目的變化，設(shè)備配置的數(shù)目可進(jìn)行相關(guān)調(diào)整。

3.1 設(shè)備介紹

無線繼電器PC控制盒可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)對各路電器設(shè)備的電源的“開”或“關(guān)”進(jìn)行無線方式控制，它擺脫了有線繼電器需要拉很長電線的制約。PC智能控制盒通過使用RS 232接口同網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。通過標(biāo)配的無線遙控模塊，可以發(fā)射無線信號來控制可視距離1 000米范圍內(nèi)的無線繼電器設(shè)備。與PC智能盒進(jìn)行無線通信的設(shè)備為無線繼電器控制終端，它也被稱為C型控制盒。C型控制盒為無線繼電器電路控制部分，該終端使用250 V AC 10 A優(yōu)質(zhì)繼電器，可以單獨(dú)控制功率為2 500 W的設(shè)備。

氨氣傳感器用來測量環(huán)境中氨氣的濃度。在監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)過程中，利用MQ137氣體傳感器來測量氨氣的濃度。MQ137的氣敏材料是二氧化錫，其電導(dǎo)率隨氨氣濃度的變化而變化，加上適當(dāng)溫度補(bǔ)償，可以測出相對準(zhǔn)確的氨氣含量。同時，硫化氫傳感器用來測量環(huán)境中硫化氫的濃度。所開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)利用MQ136氣體傳感器來測量空氣中硫化氫氣體的濃度。

養(yǎng)豬場溫濕度數(shù)據(jù)是通過SHT11系列單芯片傳感器來獲取的。SHT11傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，它是一款溫濕度復(fù)合傳感器。該產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括溫度傳感器、濕度傳感器、運(yùn)算放大器、校準(zhǔn)寄存器、A/D轉(zhuǎn)換器和串口接口等。該傳感器具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

本監(jiān)控系統(tǒng)所使用的CO2傳感器為紅外吸收型二氧化碳傳感器，它具有測量范圍寬、靈敏度高和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。所使用的光照傳感器模塊采用光敏電阻，該傳感器的測量范圍為0～1 400 W/m2，可對全光譜進(jìn)行檢測， 傳感器的輸出為線性電壓信號。

3.2 網(wǎng)關(guān)制作

監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)過程中所使用的網(wǎng)關(guān)設(shè)備是由常見的嵌入式設(shè)備來進(jìn)行組裝的，該嵌入式設(shè)備上可運(yùn)行Android、Debian或Ubuntu等Linux操作系統(tǒng)。所使用的硬件設(shè)備擁有多個USB接口和多個RS 232串口，可用來進(jìn)行多種傳感器的數(shù)據(jù)收集和多種設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

用串口線連接PC控制盒和網(wǎng)關(guān)，并將PC控制盒接上電源。圖5所示是養(yǎng)豬場智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)備及其連接方式示意圖，其中USB線一端的轉(zhuǎn)串口接口連接PC控制盒，USB線的另一端通過USB接口連接網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)可以通過PC控制盒發(fā)送控制命令給無線繼電器，以此來實(shí)現(xiàn)通風(fēng)設(shè)備、加熱設(shè)備和送水設(shè)備的自動開閉。網(wǎng)關(guān)采用自動識別程序，能自動識別新接入的串口。

同時，ZigBee傳感器基站也通過USB轉(zhuǎn)串口線連接到網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過基站收集各種傳感器的數(shù)據(jù)，并使用Httppost方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。Httppost是客戶端與Web服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的一種方法。Httppost數(shù)據(jù)傳輸方式把提交的數(shù)據(jù)放置在Http包的包體中。理論上，利用Httppost所傳輸數(shù)據(jù)的大小是不受限制的，但實(shí)際各個Web服務(wù)器會對post提交數(shù)據(jù)的大小進(jìn)行限制，Apache、IIS6都有各自的配置。當(dāng)Web服務(wù)器接收到來自Httppost方式發(fā)來的數(shù)據(jù)后，專門的Web服務(wù)程序會對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并將其存儲到數(shù)據(jù)庫中。

4 養(yǎng)豬場監(jiān)控系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

大型養(yǎng)豬場監(jiān)控數(shù)據(jù)服務(wù)中心接收網(wǎng)關(guān)發(fā)來的傳感器及視頻數(shù)據(jù)，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后，通過Web服務(wù)器向用戶展示。同時，用戶可通過Android手機(jī)客戶端或者PC客戶端對遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行控制，控制命令通過Web服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給安裝在養(yǎng)豬場豬舍中的網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過RS 232或者RS 485串口向繼電器設(shè)備發(fā)送控制命令來實(shí)現(xiàn)通電電路打開和關(guān)閉，進(jìn)而控制設(shè)備的運(yùn)行。本系統(tǒng)運(yùn)用了模塊劃分的方式來進(jìn)行開發(fā)，主要模塊的功能設(shè)計與實(shí)現(xiàn)分別介紹如下：

4.1 系統(tǒng)登錄界面

管理員需要輸入賬號、密碼及驗(yàn)證碼，經(jīng)后臺驗(yàn)證通過后才算登錄成功。成功登錄后，系統(tǒng)會自動給管理員發(fā)送郵件提示。登錄界面設(shè)計及實(shí)現(xiàn)如圖6所示。

4.2 養(yǎng)豬場的地圖顯示

圖7所示是養(yǎng)豬場監(jiān)控系統(tǒng)地理位置顯示界面。通過地圖可顯示養(yǎng)豬場不同地點(diǎn)養(yǎng)殖區(qū)的分布，可選擇局部區(qū)域或者大范圍區(qū)域進(jìn)行查看。用戶點(diǎn)擊紅點(diǎn)可看到該養(yǎng)殖區(qū)的基本信息，并可進(jìn)入該養(yǎng)殖區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控管理。

4.3 靜態(tài)數(shù)據(jù)管理

圖8所示是靜態(tài)數(shù)據(jù)管理界面，通過區(qū)域管理模塊可實(shí)現(xiàn)對用戶、養(yǎng)殖區(qū)、設(shè)備等靜態(tài)信息的基本管理，包括增加、刪除、修改和查詢等操作。

4.4 傳感器實(shí)時數(shù)據(jù)分析處理及動態(tài)顯示界面

圖9所示是實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控頁面，通過實(shí)時數(shù)據(jù)處理模塊可對收集的各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過報表的方式顯示實(shí)時環(huán)境監(jiān)控信息以及網(wǎng)關(guān)下屬傳感器組成比例等信息。報表方式有折線圖、時序分布圖和餅狀圖等。同時，用戶通過查看報表可更直觀地了解養(yǎng)豬場的實(shí)時環(huán)境信息。

4.5 養(yǎng)豬場視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控如圖10所示，用戶進(jìn)入養(yǎng)殖區(qū)域管理界面后，點(diǎn)擊Web頁面的相關(guān)連接，可以通過控制攝像頭查看豬舍現(xiàn)場視頻，觀察豬的生長情況。同時，還可以對遠(yuǎn)程攝像頭作出一些控制，比如上下左右的移動和拍攝存儲等。

4.6 設(shè)備的手動控制及智能化控制管理界面

養(yǎng)豬場設(shè)備的手動控制如圖11所示。用戶通過查看養(yǎng)豬場不同區(qū)域的數(shù)據(jù)分析后，如發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境因素不在合適的范圍內(nèi)時，可主動對遠(yuǎn)端的相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行控制。

通過圖11所示的管理界面，還可實(shí)現(xiàn)溫濕度調(diào)節(jié)、光照調(diào)節(jié)及加強(qiáng)空氣流通性等。例如，當(dāng)溫度過高的時候，對風(fēng)扇、水簾（電磁閥）進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對豬舍的降溫處理；當(dāng)空氣中的有害氣體成分過高時，對門窗，風(fēng)扇等進(jìn)行控制，加強(qiáng)空氣的流通性等。

同時，為了避免對豬舍環(huán)境調(diào)節(jié)的不精確性，以及人工監(jiān)控的不足，還可以通過設(shè)置“智能模式”來實(shí)現(xiàn)對養(yǎng)豬場環(huán)境的智能化調(diào)節(jié)。通過設(shè)置傳感器的參數(shù)，并啟用該模式，服務(wù)器將會傳輸相關(guān)的配置參數(shù)到不同的網(wǎng)關(guān)，并將智能化控制參數(shù)存儲到網(wǎng)關(guān)的嵌入式數(shù)據(jù)庫中。網(wǎng)關(guān)根據(jù)嵌入式數(shù)據(jù)庫控制命令管理表格中的參數(shù)，對各自收集的數(shù)據(jù)做出分析處理，在無須人工干涉的情況下，就可實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的智能控制，達(dá)到養(yǎng)豬場生長環(huán)境自動調(diào)節(jié)的目的。

5 Android手機(jī)客戶端監(jiān)控管理

手機(jī)客戶端的用法主要是根據(jù)使用者的習(xí)慣來設(shè)計的。手機(jī)客戶端頁面大致有歡迎頁面、登錄頁面、區(qū)域顯示頁面、個人信息頁面、數(shù)據(jù)動態(tài)頁面、控制調(diào)節(jié)頁面、圖像監(jiān)控頁面和警報分析頁面等。

為了開發(fā)大型養(yǎng)豬場智能化管理平臺手機(jī)客戶端并實(shí)現(xiàn)其主要功能，需要實(shí)施以下幾個主要步驟。包括搭建軟件開發(fā)框架、收集程序開發(fā)資料、手機(jī)客戶端和服務(wù)端交互、手機(jī)客戶端顯示數(shù)據(jù)、手機(jī)客戶端控制設(shè)備、播放實(shí)時視頻及警報分析等，具體分別敘述如下：

（1）搭建Android開發(fā)環(huán)境，安裝JDK，在系統(tǒng)中運(yùn)行Java程序，并進(jìn)行簡單試驗(yàn)測試環(huán)境是否搭建成功；

（2）收集跟需求相關(guān)的開發(fā)資料，了解每個流程使用的組件，熟悉每個組件，搭建手機(jī)客戶端的基本框架；

（3）使用JSON字符串，實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)端的數(shù)據(jù)交互，并對字符串進(jìn)行相關(guān)的解析；

（4）手機(jī)客戶端接收來自服務(wù)端的傳感器數(shù)據(jù)，解析后顯示在手機(jī)客戶端中；

（5）使用手機(jī)客戶端對設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的開關(guān)功能；

（6）使用手機(jī)客戶端查看當(dāng)前攝像頭所拍攝到的實(shí)時環(huán)境信息；

（7）根據(jù)養(yǎng)豬場區(qū)的各種信息，對場區(qū)的各種警報因素進(jìn)行分析，并使用圖表的方式進(jìn)行顯示。

5.1 手機(jī)客戶端登錄頁面

手機(jī)登錄頁面如圖12所示，用戶登錄后，可以從這個頁面進(jìn)入功能操作頁面。主要功能模塊包括數(shù)據(jù)動態(tài)、控制調(diào)節(jié)、圖像監(jiān)控和警報分析。其中，數(shù)據(jù)動態(tài)頁面如圖13所示，它可以顯示當(dāng)前登錄用戶所管理豬舍的實(shí)時環(huán)境信息。

5.2 控制調(diào)節(jié)與圖像監(jiān)控

豬舍設(shè)備的控制調(diào)節(jié)頁面如圖14所示。控制調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)是基于手機(jī)與服務(wù)器之間的命令交互來實(shí)現(xiàn)的。手機(jī)發(fā)送設(shè)備控制命令到Web服務(wù)器，其進(jìn)一步將命令發(fā)送給管理特定設(shè)備的網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的“打開”或者“關(guān)閉”，從而控制豬舍的生長環(huán)境。

養(yǎng)豬場手機(jī)客戶端圖像監(jiān)控頁面如圖15所示。當(dāng)管理人員出門在外時，可以通過移動通信網(wǎng)絡(luò)隨時隨地由Android客戶端登錄服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對養(yǎng)豬場的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控管理。當(dāng)觸摸特定攝像頭旁邊的“進(jìn)入”按鈕時，也可以看到特定攝像頭所監(jiān)控豬舍的實(shí)時環(huán)境圖像信息。

6 結(jié) 語

本論文運(yùn)用C編程技術(shù)、Java編程技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)信息化技術(shù)及數(shù)據(jù)融合技術(shù)，開發(fā)了大型養(yǎng)豬場健康養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)。本監(jiān)控系統(tǒng)包括Web服務(wù)器端及智能手機(jī)客戶端。Web服務(wù)器端的開發(fā)是基于Java EE企業(yè)級平臺及使用Struts、Hibernate和Spring三大框架來實(shí)現(xiàn)的，其可實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控、自動水簾降溫、自動風(fēng)機(jī)換氣、恒溫?zé)犸L(fēng)及信息化管理功能。同時，通過手機(jī)客戶端，還可實(shí)現(xiàn)大型養(yǎng)豬場的遠(yuǎn)程智能化管理；包括豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時顯示、豬舍設(shè)備實(shí)時控制和豬舍生長環(huán)境實(shí)時視頻監(jiān)控。

由此可見，該大型養(yǎng)豬場監(jiān)控管理系統(tǒng)的開發(fā)及推廣，對提高豬場的豬產(chǎn)品質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益具有顯著的作用。

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