惲蓓蓓 曾松偉 唐 瑞 曾冠瑋

（浙江農(nóng)林大學(xué)光機(jī)電工程學(xué)院，浙江杭州 311300）

當(dāng)前，人們對(duì)豬肉產(chǎn)品需求量的增加使得我國(guó)養(yǎng)豬業(yè)處在轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，但是由于精細(xì)化、智能化飼養(yǎng)程度不高導(dǎo)致豬群飼料浪費(fèi)嚴(yán)重、豬場(chǎng)養(yǎng)殖環(huán)境惡劣、豬群衛(wèi)生安全得不到保障，造成豬肉的品質(zhì)不高[1]。國(guó)外尤其是歐美地區(qū)，對(duì)豬場(chǎng)的精細(xì)化飼喂與智能化養(yǎng)殖管理的研究比較早，養(yǎng)殖模式的工廠化、集約化程度較高，信息化養(yǎng)殖技術(shù)已相當(dāng)普遍和成熟。荷蘭Nedap公司的Velos 智能化母豬管理系統(tǒng)采用智能化福利養(yǎng)豬實(shí)現(xiàn)了單體母豬的精確飼喂，同時(shí)母豬發(fā)情監(jiān)測(cè)器和自動(dòng)分欄器的配置，使得母豬發(fā)情鑒定更準(zhǔn)確[2]。美國(guó)奧斯本工業(yè)公司的全自動(dòng)種豬生產(chǎn)性能測(cè)定系統(tǒng)FIRE 實(shí)現(xiàn)了對(duì)豬群的準(zhǔn)確識(shí)別，并計(jì)算被識(shí)別豬的日增重和日采食量[3]。由于數(shù)據(jù)在不干擾豬只活動(dòng)的前提下獲取，因此所測(cè)數(shù)據(jù)更接近實(shí)際情況。國(guó)外的精細(xì)化飼喂設(shè)備適用于大群飼養(yǎng)的豬場(chǎng)，設(shè)備費(fèi)用較高昂。我國(guó)的養(yǎng)豬行業(yè)中，多為中小豬場(chǎng)且以散戶為主[4]，無力負(fù)擔(dān)高昂的設(shè)備費(fèi)用，因此我國(guó)現(xiàn)代化養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展立足于向智能化和低成本的方向發(fā)展。刁一峰等[5]基于多傳感器ARM 工控技術(shù)開發(fā)的畜禽自動(dòng)飼喂控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了精確投喂剩余飼料量的最小化控制，該系統(tǒng)可以有效減少人力消耗，節(jié)約飼料成本。國(guó)內(nèi)外規(guī)?；i場(chǎng)通常采用無限射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）對(duì)豬只進(jìn)行個(gè)體識(shí)別、行為監(jiān)測(cè)及身體狀況數(shù)據(jù)采集。該技術(shù)的應(yīng)用需要給豬只佩戴電子耳標(biāo)[6]，然后分別在豬的活動(dòng)區(qū)、飲食區(qū)等安裝RFID 讀寫器，可以監(jiān)測(cè)豬只的活動(dòng)軌跡。由于RFID 技術(shù)具有存儲(chǔ)量大、精確度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，且使用成本低，故已被廣泛應(yīng)用于畜牧養(yǎng)殖領(lǐng)域。

基于以上分析，本設(shè)計(jì)以我國(guó)目前各大養(yǎng)豬場(chǎng)遇到的精細(xì)化飼喂程度不高、豬舍環(huán)境得不到改善等問題為出發(fā)點(diǎn)，研發(fā)一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生豬智能化養(yǎng)殖集成系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與養(yǎng)豬行業(yè)結(jié)合起來，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)我國(guó)養(yǎng)豬場(chǎng)的智能化、信息化管理，實(shí)現(xiàn)豬只的高效健康養(yǎng)殖，并減少豬場(chǎng)的環(huán)境污染。本設(shè)計(jì)的實(shí)施可以實(shí)現(xiàn)3 個(gè)重要目標(biāo)，第一，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生豬養(yǎng)殖過程的精細(xì)化、定制化和自動(dòng)化；第二，實(shí)現(xiàn)生豬養(yǎng)殖過程中豬舍環(huán)境惡劣問題監(jiān)控同時(shí)調(diào)節(jié)的解決方案；第三，實(shí)現(xiàn)生豬身份追蹤，建立完善的個(gè)體身份檔案的解決方案。

1 系統(tǒng)總體功能要求

所設(shè)計(jì)的生豬智能化養(yǎng)殖集成系統(tǒng)不僅需要符合動(dòng)物福利的要求，而且也需要適應(yīng)我國(guó)養(yǎng)豬業(yè)的生產(chǎn)要求，其主要解決的問題是實(shí)現(xiàn)豬只的精確飼喂，即需要在豬的群養(yǎng)環(huán)境下能夠快速且準(zhǔn)確地識(shí)別生豬個(gè)體，針對(duì)不同體況、不同生長(zhǎng)階段的豬只進(jìn)行飼料的精細(xì)飼喂。由于豬是恒溫動(dòng)物，其自身代謝和產(chǎn)熱散熱情況與豬舍環(huán)境溫濕度有密切關(guān)系[7]，因此，豬舍的環(huán)境監(jiān)測(cè)也十分必要，做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)豬舍環(huán)境，保持豬只生長(zhǎng)環(huán)境良好。系統(tǒng)總體功能如下：①為避免豬群之間爭(zhēng)搶飼料，保證豬只有獨(dú)立的進(jìn)食環(huán)境，飼喂裝置是全封閉的；②每頭豬佩戴電子耳標(biāo)，擁有獨(dú)一無二的ID 號(hào)碼，豬舍設(shè)有身份自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，能夠通過ID 號(hào)讀取豬只的身份信息，準(zhǔn)確且快速地獲取該頭豬只的體征參數(shù)、進(jìn)食數(shù)據(jù)等；③智能地根據(jù)豬只身體狀況、生長(zhǎng)階段設(shè)置單次投料量，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化飼喂，下料的同時(shí)可以下水，為豬只提供濕拌料，提高飼料的適口性；④根據(jù)豬舍安裝的環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器采集的數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)控豬舍環(huán)境，為豬只生長(zhǎng)營(yíng)造一個(gè)舒適的環(huán)境；⑤人機(jī)界面方便管理人員查詢與下載豬只身份信息，人工設(shè)置飼料投喂參數(shù)。為實(shí)現(xiàn)上述功能，整個(gè)系統(tǒng)包括2 個(gè)子系統(tǒng)：電子識(shí)別與精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)和豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

2 電子識(shí)別與精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于STM32 和RFID 的電子識(shí)別與精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示。飼喂裝置入口處設(shè)置有接近開關(guān)，用于檢測(cè)裝置封閉性，當(dāng)沒有豬只進(jìn)食時(shí)，裝置入口處的翻轉(zhuǎn)門保持敞開。當(dāng)佩戴有電子耳標(biāo)的豬只需要采食時(shí)可以直接進(jìn)入飼喂裝置，隨后翻轉(zhuǎn)門會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，保證了豬只進(jìn)食環(huán)境的獨(dú)立性。當(dāng)豬只將頭伸進(jìn)采食槽進(jìn)食時(shí)，安裝在采食槽側(cè)面的RFID 耳標(biāo)讀取器會(huì)立刻讀取該頭豬只的耳標(biāo)編號(hào)并發(fā)送給STM32 微控制器，控制器通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，方便飼養(yǎng)人員通過顯控觸摸屏查詢?cè)擃^豬只設(shè)定的飼喂量和當(dāng)日已進(jìn)食飼料量。系統(tǒng)智能地根據(jù)豬只身體狀況、生長(zhǎng)階段設(shè)置單次投料量，控制投料電機(jī)和電磁水閥為該豬只投放飼料并供給相應(yīng)的飲水。采食完畢后豬只后退離開飼喂裝置，翻轉(zhuǎn)門打開等待下頭豬只進(jìn)食。

圖1 電子識(shí)別與精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架

3 豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于ZigBee 的豬舍環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)由感知層、傳輸層、平臺(tái)層和應(yīng)用層4 個(gè)部分組成，具體如圖2 所示，實(shí)現(xiàn)對(duì)豬舍環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能調(diào)控。

圖2 豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖3 STM32F103RCT6 芯片及外圍電路

感知層主要包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊和視頻監(jiān)控模塊。環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊采用的是集測(cè)量溫度、相對(duì)濕度、氨氣和二氧化碳濃度為一體的無線傳感器，該傳感器讀取環(huán)境數(shù)據(jù)信息，通過ZigBee 無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控節(jié)點(diǎn)；視頻監(jiān)控模塊是攝像頭采集豬舍內(nèi)部的畫面信息，經(jīng)WiFi 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器。傳輸層主要以協(xié)調(diào)器和STM32 微控制器為核心實(shí)現(xiàn)感知層和平臺(tái)層的數(shù)據(jù)交互。平臺(tái)層包括服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)，服務(wù)器主要用于接收由傳輸層發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息和攝像頭模塊傳來的視頻信息，經(jīng)分析處理后儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫(kù)中。應(yīng)用層包括PC 端的Web 監(jiān)控界面，豬場(chǎng)管理人員可以實(shí)時(shí)查看豬舍內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)和觀測(cè)豬舍視頻畫面，并且可以遠(yuǎn)程操作外接設(shè)備。

豬舍外接設(shè)備主要有風(fēng)機(jī)、保溫爐、濕簾、卷簾等，與STM32 通過繼電器連接。研究表明不同生長(zhǎng)階段的豬只對(duì)環(huán)境溫度、濕度的要求有較大差異，綜合考慮后，豬舍內(nèi)溫度一般維持在15～24℃為宜，濕度保持在50%～70%之間[8]。當(dāng)STM32 檢測(cè)到的傳感器數(shù)據(jù)顯示溫度過高時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)工作，使豬舍溫度下降，相反溫度過低時(shí)，啟動(dòng)保溫爐工作，使豬舍溫度回升；當(dāng)STM32 檢測(cè)到的傳感器數(shù)據(jù)顯示濕度過高時(shí)，啟動(dòng)除濕機(jī)構(gòu)，包括通風(fēng)換氣、釋放除濕劑等[9]，相反濕度過低時(shí)，啟動(dòng)濕簾工作。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 主控模塊

主控芯片需要與上位機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)還要能夠?qū)邮盏降男畔⒖焖僮龀雠袛嘁韵逻_(dá)指令，因此，主控芯片不僅需要具有較高的存儲(chǔ)能力，還應(yīng)具備較快的運(yùn)算處理能力?；谝陨弦?，電子識(shí)別與精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)和豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的主控模塊均選用STM32F103RCT6 作為主控芯片。該款芯片采用ARM Cortex-M3 內(nèi)核[10]，其最高時(shí)鐘頻率可達(dá)到72 MHz，芯片內(nèi)含256 Kb 的閃存（FLASH）、48 Kb 的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）和豐富的I/O 外接端口，具有高性能、高存儲(chǔ)、高運(yùn)算速度等優(yōu)點(diǎn)，非常適合處理大量數(shù)據(jù)。

4.2 RFID 射頻識(shí)別模塊

典型的RFID 射頻系統(tǒng)由3 部分組成，如圖4 所示，分別是具有唯一電子編碼的電子標(biāo)簽；由天線、讀寫模塊、控制模塊、接口模塊組成的用以讀取電子標(biāo)簽信息的讀寫器；接收通過RS232 串行通信發(fā)送信息的上位機(jī)。

圖4 RFID 射頻系統(tǒng)組成

為了克服低頻RFID 與讀寫器之間的傳輸距離有限的弊端，電子識(shí)別與精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)采用915 MHz 超高頻無源的電子標(biāo)簽作為豬只的電子耳標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)至少5 m 的射頻通信。電子標(biāo)簽利用波束供電技術(shù)將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電源為卡內(nèi)電路供電[11]，當(dāng)豬只耳朵上佩戴的電子標(biāo)簽進(jìn)入天線工作區(qū)域時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，電子標(biāo)簽獲得能量被激活，將豬只身份ID 號(hào)等信息通過內(nèi)置的發(fā)送天線發(fā)送出去，大功率接收天線接收到從電子標(biāo)簽發(fā)出的載波信號(hào)，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫模塊，讀寫模塊再對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼后傳送給PC 端的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

4.3 環(huán)境參數(shù)采集模塊

通過對(duì)試驗(yàn)豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與分析，發(fā)現(xiàn)豬舍內(nèi)部主要超標(biāo)參數(shù)為空氣溫濕度、氨氣和二氧化碳濃度，研究表明豬舍環(huán)境達(dá)不到安全標(biāo)準(zhǔn)非常容易引發(fā)豬病[12,14]。傳感器模塊選用龍騰偉業(yè)LT-CG-S/D-303-M1220-00，該傳感器是集溫度、濕度、氨氣和二氧化碳濃度為一體的無線傳感器，可支持ZigBee 協(xié)議，且檢測(cè)精度相對(duì)較高。傳感器集成模塊通過USART 端口可以在異步模式下將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至STM32 微控制器。

4.4 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

利用WiFi 網(wǎng)絡(luò)建立豬舍內(nèi)部視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，該模塊可有效縮短豬舍內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開發(fā)周期，提升豬舍內(nèi)部視頻監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 身份自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)軟件流程

電子識(shí)別與精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)工作時(shí)，讀寫器一直處于檢測(cè)狀態(tài)。當(dāng)讀寫器檢測(cè)到有佩戴電子耳標(biāo)的豬只進(jìn)入到它發(fā)射的磁場(chǎng)范圍時(shí)，上位機(jī)隨即可以智能控制投料電機(jī)和電磁水閥工作；當(dāng)豬只離開飼喂裝置時(shí)，微控制器暫時(shí)保存此次數(shù)據(jù)，并發(fā)送至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)該豬只的進(jìn)食數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，然后進(jìn)入下1 次循環(huán)。身份自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)軟件流程如圖5 所示。

圖5 身份自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)軟件流程

5.2 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)首先初始化傳感器集成模塊和外接設(shè)備，其次是建立基于主控節(jié)點(diǎn)的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)成功后，將采集的環(huán)境參數(shù)信息發(fā)送給STM32 微控制器，微控制器將數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值做出比較，當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)參數(shù)不在設(shè)定范圍時(shí)，微控制器將相應(yīng)驅(qū)動(dòng)外接設(shè)備工作，以達(dá)到改善豬舍環(huán)境的目的[14,15]。環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程如圖6 所示。

圖6 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程

6 結(jié)論

隨著信息技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與畜牧業(yè)養(yǎng)殖技術(shù)有效的結(jié)合，完全符合黨的十九大報(bào)告提出的“發(fā)展現(xiàn)代畜牧業(yè)，打造綠色農(nóng)畜經(jīng)濟(jì)”的要求。為了滿足人們對(duì)食品質(zhì)量、動(dòng)物福利和環(huán)境保護(hù)等方面的需求，本研究設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生豬智能化養(yǎng)殖集成系統(tǒng)，該系統(tǒng)將生豬從群養(yǎng)模式中解放出來，讓生豬可以自由活動(dòng)、安全采食。智能系統(tǒng)通過射頻識(shí)別技術(shù)獲取每頭豬的身份ID，然后智能地根據(jù)豬的身體狀況、生長(zhǎng)階段設(shè)置單次投料量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、精準(zhǔn)的供給飼料。本研究實(shí)現(xiàn)了基于感知、數(shù)據(jù)分析及精準(zhǔn)飼喂的閉環(huán)控制。環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)豬舍內(nèi)部環(huán)境，達(dá)到了對(duì)豬舍內(nèi)設(shè)備的開閉，優(yōu)化了豬舍環(huán)境，提高了生豬健康水平和生產(chǎn)水平。