祁 釗，汪 振，岳振宇，宋祥軍

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，安徽 合肥 230036）

0 引言

消毒防疫與生物安全防控是獸醫(yī)公共衛(wèi)生防疫體系的重要組成部分。生物安全管理中，消毒貫穿在人員進(jìn)出管理、車輛管理、物料管理、生產(chǎn)區(qū)管理、生活區(qū)管理等生物安全體系的每個(gè)環(huán)節(jié)[1,2]。目前養(yǎng)殖場(chǎng)大多是以規(guī)?；B(yǎng)殖形式存在的，超大廠房導(dǎo)致消毒效果不佳，除了局部消毒，很多環(huán)節(jié)都沒有完整的消毒工作流程。鑒于當(dāng)今動(dòng)物疫病防控的實(shí)際需求，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，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]。

鑒于此，本文提出一種基于納米TiO2抗菌特性的消殺設(shè)備和環(huán)控設(shè)備對(duì)畜禽的生活環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而精準(zhǔn)判斷畜禽舍內(nèi)部空氣情況，便于及時(shí)改善飼養(yǎng)環(huán)境，降低安全隱患，阻斷疫病發(fā)生與流行，對(duì)規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展有著重要的實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 整體思路

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[5,6]，采集規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部空氣溫濕度、氨氣含量、CO2含量等環(huán)境信息，應(yīng)用Web 技術(shù)，構(gòu)建準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)和系統(tǒng)框架，將畜禽生長(zhǎng)環(huán)境的溫濕度、空氣質(zhì)量等數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳，在數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)消毒防疫的精準(zhǔn)管理系統(tǒng)；將規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部通風(fēng)設(shè)施、消毒設(shè)施、攝像頭和傳感器組網(wǎng)上云，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場(chǎng)消毒防疫環(huán)節(jié)的物聯(lián)網(wǎng)化。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要包括傳感器采集層、網(wǎng)絡(luò)通信層、數(shù)據(jù)層、反饋應(yīng)用層。

（1）傳感器采集層包含氨氣傳感器、溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器和氧氣傳感器，實(shí)時(shí)采集畜禽生長(zhǎng)環(huán)境的空氣質(zhì)量。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信層是由 ZigBee 智能節(jié)點(diǎn)和以微控制器為核心的智能網(wǎng)關(guān)組成。該智能網(wǎng)關(guān)通過(guò)2.4 GHz 無(wú)線通信和各個(gè)ZigBee 智能節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，再通過(guò)協(xié)議將數(shù)據(jù)上云，從而進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。采用ZigBee、WiFi 等進(jìn)行數(shù)據(jù)接入，讓傳感網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)云端相互連接，可以多協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)共同使用，最多可以支持1 000 多個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接[7]。

（3）數(shù)據(jù)中心服務(wù)層是基于ThinkPHP 框架搭建的養(yǎng)殖場(chǎng)消毒防疫管理與數(shù)據(jù)處理的服務(wù)端程序。該程序?qū)@取的各個(gè)ZigBee 傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與存儲(chǔ)，作為養(yǎng)殖過(guò)程的數(shù)據(jù)積累與挖掘的數(shù)據(jù)源；然后通過(guò)預(yù)設(shè)的自定義腳本對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，自動(dòng)化地調(diào)取各裝置進(jìn)行消殺操作；最后將得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，為管理人員對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部環(huán)境質(zhì)量的把控提供精準(zhǔn)的信息。

數(shù)據(jù)中心客戶端層包括Android、Web、PC 端。管理人員通過(guò)云數(shù)據(jù)庫(kù)查看規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部的環(huán)境質(zhì)量，將實(shí)時(shí)環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行自動(dòng)比對(duì)，對(duì)反饋層進(jìn)行下一步操作，從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的；此外還可以實(shí)時(shí)查看采集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，并且客戶可以手動(dòng)控制通風(fēng)裝置和消毒設(shè)備對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行有效的管理。

（4）反饋應(yīng)用層包括輸出設(shè)備，如通風(fēng)裝置、消毒裝置等。當(dāng)數(shù)據(jù)中心檢測(cè)到空氣質(zhì)量高于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)或用戶客戶端手動(dòng)控制時(shí)，打開通風(fēng)裝置、消毒裝置進(jìn)行通風(fēng)消毒工作，并且按照設(shè)定時(shí)間及時(shí)進(jìn)行例行消毒工作并記錄在案。

2 軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

在規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)消毒防疫系統(tǒng)中，使用的是STM32F103系列智能電子測(cè)控系統(tǒng)[8-10]，擁有32 位內(nèi)核、高性能ARM Cortex-M3 處理器，擁有144 引腳、112 個(gè)IO，大部分IO 口都能耐受5 V（模擬通道除外），支持調(diào)試SWD 和JTAG，其中SWD 只要2 根數(shù)據(jù)線。通信接口多達(dá)13 個(gè)，包含2個(gè)I2C 接口、5 個(gè)串口、3 個(gè)SPI 接口、1 個(gè)CAN2.0、1 個(gè)USB FS、1 個(gè)SDIO。智能網(wǎng)關(guān)采用三星ARM Cortex-A9 S5P4418四核處理器/ARM Cortex-A53 S5P6818八核處理器，S5P4418 和S5P6818 CPU 引腳全部兼容，共用一套核心板設(shè)計(jì)方案，不用更改底板設(shè)計(jì)便可以將FET4418-C 核心板升級(jí)為FET6818-C?？偩€接口資源豐富，支持6 路UART、3 路SPI、3 路I2C、1 路千兆以太網(wǎng)、3 路I2S、14 位地址總線、16 位數(shù)據(jù)總線、2 路SD/MMC/SDIO，多媒體功能強(qiáng)大，顯示接口豐富；支持3D 硬件圖形加速；支持OPENGL ES 1.1；支持硬件視頻編解碼、1080P 60@fps 硬件解碼、1080P 30@fps 硬件編碼，視頻支持h.263、h.264、mpeg1/2/4；支持雙屏顯示；支持最大分辨率2 048×1 280。

（1）CO2-4K-3M 二氧化碳傳感器模塊（CO2傳感器）：負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)室內(nèi)二氧化碳濃度。二氧化碳是目前國(guó)際國(guó)內(nèi)通用的測(cè)量室內(nèi)空氣通風(fēng)狀態(tài)及空氣質(zhì)量好壞的主要參數(shù)。采用目前先進(jìn)的紅外自擴(kuò)散NDIR 測(cè)量CO2的方法，反應(yīng)快捷，穩(wěn)定性和一致性高。

（2）MS1088 溫度傳感器：該模塊的工作電流是75 μA，溫度測(cè)量范圍為-40～120 ℃。MS1088 是一個(gè)經(jīng)過(guò)全集成測(cè)試和校準(zhǔn)的數(shù)字低功耗溫度傳感器，典型的溫度測(cè)量精度為±0.3 ℃。它提供數(shù)字SPI 或I2C 接口和電池報(bào)EOL 測(cè)試。MS1088 可以采用方形扁平無(wú)引腳封裝QFN 或內(nèi)存芯片封裝CSP。

（3）NH3-B1 氨氣傳感器（NH3傳感器）：該模塊的響應(yīng)時(shí)間要小于60 s；氨氣檢測(cè)范圍為0～100 ppm；靈敏度達(dá)到25～45 nA/ppm。氨氣傳感器NH3-B1 主要用于檢測(cè)大氣中氨氣的濃度，NH3-B1 傳感器是四電極電化學(xué)氨氣傳感器，線性電流輸出，信號(hào)易于處理，靈敏度高，適合應(yīng)用于惡劣環(huán)境，如家禽養(yǎng)殖場(chǎng)、養(yǎng)豬場(chǎng)等環(huán)境。

（4）KE-50 氧氣傳感器（O2傳感器）：該模塊工作溫度為5～40 ℃，精度為±2%，顯著特點(diǎn)是使用壽命長(zhǎng)、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良，而且不易受CO2的干擾與影響。KE 系列傳感器是為了滿足各種行業(yè)不斷增長(zhǎng)的氧氣檢測(cè)的需求而開發(fā)的，譬如可燃?xì)怏w和住宅用燃?xì)馄骶邫z測(cè)、生物技術(shù)運(yùn)用、醫(yī)療器械運(yùn)用等。

（5）納米TiO2抗菌特性的消殺設(shè)備：在寬光譜紫外線與多種親水稀有金屬催化劑的作用下，產(chǎn)生包括過(guò)氧化氫離子、羥基離子、超氧離子和純負(fù)離子在內(nèi)的凈化因子。通過(guò)空氣流通設(shè)備的推動(dòng)，凈化因子與空氣中的污染物主動(dòng)結(jié)合，產(chǎn)生凈化反應(yīng)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要是系統(tǒng)初始化，包括外設(shè)接口化、存儲(chǔ)器初始化。主流程為先對(duì)規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部畜禽舍內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)中心將采集到的信息通過(guò)手機(jī)端或大屏呈現(xiàn)給管理層，管理層可以選擇自動(dòng)運(yùn)行或人工干預(yù)。在自動(dòng)模式下，處理器將溫濕度傳感器、氨氣傳感器、二氧化碳傳感器、氧氣傳感器得到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)實(shí)時(shí)值比標(biāo)準(zhǔn)值低時(shí)，環(huán)境質(zhì)量不利于畜禽生活，且空氣中含有的病原微生物含量也會(huì)超標(biāo)；通過(guò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸來(lái)控制控制器，控制器控制通風(fēng)裝置和消毒裝置對(duì)舍內(nèi)環(huán)境進(jìn)行凈化。在手動(dòng)模式下管理人員手動(dòng)操作設(shè)備運(yùn)行。

本軟件主要具備監(jiān)控規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的狀態(tài)并調(diào)節(jié)畜禽舍內(nèi)的環(huán)境來(lái)保證防疫效果的功能，管理人員可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行模式的選擇。用戶可以通過(guò)可視化頁(yè)面查看畜禽舍內(nèi)的環(huán)境，并選擇控制按鈕，控制通風(fēng)設(shè)備和啟動(dòng)消毒設(shè)備，改善舍內(nèi)環(huán)境；還可以提前設(shè)置時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)化消毒與通風(fēng)，提高規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)消毒防疫工作的效率。

2.3 測(cè)試

對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的測(cè)試，主要的測(cè)試項(xiàng)目包括：測(cè)試各個(gè)傳感器的連接是否有問(wèn)題；數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扰c準(zhǔn)確度；通風(fēng)消毒設(shè)備的運(yùn)行是否正常；規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)連接是否穩(wěn)定；對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做試運(yùn)行，對(duì)發(fā)現(xiàn)的漏洞進(jìn)行修復(fù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)以STM32F103 系列控制器作為核心部件，電腦通過(guò)網(wǎng)關(guān)與傳感器、通風(fēng)設(shè)備和消毒設(shè)備相連接，從而通過(guò)預(yù)設(shè)的指標(biāo)控制養(yǎng)殖廠內(nèi)部的空氣質(zhì)量。這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，還可以人工干預(yù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)把控，并且可以將每一次的消殺與通風(fēng)情況都記錄在案，為后期實(shí)現(xiàn)更加節(jié)能的通風(fēng)操作提供數(shù)據(jù)支持。與傳統(tǒng)人工操作通風(fēng)設(shè)備相比，對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)環(huán)境的調(diào)控更加科學(xué)；與人工消毒相比，本系統(tǒng)的消毒操作更加有跡可循，并且更加充分和徹底。對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行智能化改造，提高養(yǎng)殖場(chǎng)工作人員的工作強(qiáng)度，降低人員因素導(dǎo)致的防疫問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖過(guò)程的數(shù)據(jù)積累與挖掘，為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供助力。