基于物聯(lián)網(wǎng)技術的牛舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計

引 言

規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖已成為當下奶牛養(yǎng)殖的主流方式。養(yǎng)殖過程中尤其要注意養(yǎng)殖環(huán)境的舒適度和養(yǎng)殖過程中疫病的防控，這樣才能提高牛奶產(chǎn)量

物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展和應用為奶牛的精細化養(yǎng)殖提供了有力手段，與奶牛養(yǎng)殖結合可更新現(xiàn)有傳感器和控制系統(tǒng) [1]。通過應用最新的物聯(lián)網(wǎng)技術，可實現(xiàn)無線監(jiān)控奶牛養(yǎng)殖的各個環(huán)節(jié)，在奶牛的生長過程中，養(yǎng)殖環(huán)境對奶牛的影響尤為明顯牛舍環(huán)境因素包括溫濕度、光照強度、有害氣體濃度等 [2]。惡劣的環(huán)境條件會使奶牛生產(chǎn)能力下降，發(fā)病率和死亡率增加因此，奶牛場的環(huán)境監(jiān)測顯得極其重要

除此之外，系統(tǒng)還可利用物聯(lián)網(wǎng)對牛舍進行環(huán)境調(diào)控對奶牛進行精細化管理，從而達到節(jié)約設備成本，提高奶牛產(chǎn)奶量的目的

本文在參考和借鑒相關研究的基礎上，結合當下相關新興技術，開發(fā)出一套適用于中小規(guī)模養(yǎng)殖場的小型養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過傳感器采集牛舍的環(huán)境信息，利用 B/S（瀏覽器 / 服務器）模式，把歷史數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)經(jīng)分析分類呈現(xiàn)在網(wǎng)站中，實現(xiàn)各節(jié)點環(huán)境數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析及可視化，并根據(jù)設定好的數(shù)據(jù)進行自動調(diào)控。從而為奶牛提供舒適的環(huán)境，提升奶牛產(chǎn)奶品質(zhì)和產(chǎn)量，進而獲得更大的經(jīng)濟效益 [2]

1 系統(tǒng)的總體方案

1.1 系統(tǒng)的總體目標

本系統(tǒng)主要適用于小型奶牛場，通過使用多種傳感器采集溫濕度、光強、氨氣等牛舍環(huán)境信息，使用 ZigBee 協(xié)議將數(shù)據(jù)從節(jié)點上傳到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)打包通過板載的ESP8266 WiFi 芯片上傳到 MQTT 服務器，網(wǎng)站后臺程序訂閱MQTT 服務后，會從 MQTT 服務器獲取數(shù)據(jù)并存進數(shù)據(jù)庫通過對數(shù)據(jù)的分析處理，判斷當前數(shù)值是否符合標準，據(jù)此動態(tài)調(diào)控相關設備，保持牛舍溫濕度的穩(wěn)定。最終將信息實時顯示到網(wǎng)站上，方便管理者查看。該系統(tǒng)還可幫助管理者減少工作量，具有網(wǎng)頁自動調(diào)控和手動調(diào)控功能，隨時控制牛舍的各種設備，使得奶牛養(yǎng)殖環(huán)境保持最佳狀態(tài)，使奶牛生活得更加舒適，節(jié)省人力成本，提高產(chǎn)奶量，實現(xiàn)動物養(yǎng)殖的效益最高、成本最低和利益最大化

1.2 系統(tǒng)工作流程

通過計算機和多平臺終端的實時監(jiān)測、預警服務，實現(xiàn)遠程監(jiān)測、預警和控制，達到養(yǎng)殖場的利益最大化 [3]

(1) 環(huán)境數(shù)據(jù)采集 ：牛舍的數(shù)據(jù)采集采用五點取樣法布置五個節(jié)點，每個點均包括一組傳感器，每組傳感器采集溫濕度信息，光照信息，有害氣體濃度。系統(tǒng)綜合分析各組數(shù)據(jù)減小誤差

(2) 數(shù)據(jù)傳輸 ：傳感器節(jié)點使用 ZigBee 網(wǎng)絡通信模塊將空氣溫度等模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過ZigBee網(wǎng)絡將信息收集到協(xié)調(diào)器上，協(xié)調(diào)器將每個節(jié)點的數(shù)據(jù)封裝好，通過 MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器

(3) 數(shù)據(jù)庫建模 ：利用 Navicat設計數(shù)據(jù)庫，在云服務器上建立 MySQL數(shù)據(jù)庫，并且存儲數(shù)據(jù)庫文件信息，開放數(shù)據(jù)庫端口

(4) 網(wǎng)站數(shù)據(jù)顯示統(tǒng)計及分析 ：采用維護性強，開放性高的 JavaWeb技術搭建網(wǎng)站，使用 MQTTClient訂閱服務獲取感知層數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)分類存儲到數(shù)據(jù)庫中

(5) 實時監(jiān)測：網(wǎng)站后臺程序?qū)ι蟼鞯臄?shù)據(jù)進行實時監(jiān)測當數(shù)據(jù)變化超出設定值的范圍后，程序?qū)⒆詣涌刂葡嚓P設備保持牛舍環(huán)境穩(wěn)定

(6) 手動控制 ：管理員通過登陸管理員賬號，可在網(wǎng)頁上查看設備工作狀態(tài)并手動操作相關設備

2 硬件組成

本系統(tǒng)的硬件部分主要由傳感器、ZigBee 無線自組網(wǎng)和WiFi 網(wǎng)關組成

2.1 傳感器

DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，可靠性強，準確度高 [4]。采用 GY-30 數(shù)字光強傳感器，穩(wěn)定性好，準確度高。MQ135 傳感器對氨氣硫化物、苯系物蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其他有害物的監(jiān)測也較理想，可靠性強，適合牛舍這類糞尿較多，氨氣濃度高的場景

2.2 ZigBee芯片

ZigBee 采用 TI 公司設計的 CC2530 芯片，該芯片成本低可擴展能力強，能夠以較低的總材料成本建立非常強大網(wǎng)絡節(jié)點，且運行模式之間轉(zhuǎn)換的時間短，能源消耗低

2.3 ESP8266芯片

該芯片體積小，功耗低，性能強大，支持透傳，丟包現(xiàn)象不嚴重，且價格較低，資源豐富，易于開發(fā)，是當前 WiFi 開發(fā)的不二選擇

3 硬件功能開發(fā)

在該系統(tǒng)中，固件程序即指存儲于終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點中的程序

3.1 終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器程序

終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器程序使用ZigBee_Z-Stack協(xié)議棧進行開發(fā)，協(xié)議棧集成了 ZigBee的全部協(xié)議?？梢愿鶕?jù)我們的需求來開發(fā)相關功能，減少開發(fā)時間

3.2 ESP8266程序

系統(tǒng)主要使用芯片自帶的 AT 指令功能。ZigBee 協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)后通過 UART 口將數(shù)據(jù)以 AT 指令的形式發(fā)給ESP8266 模塊，通過 POST 方式將數(shù)據(jù)提交到服務器上

3.3 終端節(jié)點控制程序

使用Z-Stack 協(xié)議棧開發(fā)控制程序，設置節(jié)點編號。通過配置 GPIO 和使用繼電器，讓不同的設備都能受協(xié)調(diào)器下發(fā)指令的控制，使之能和系統(tǒng)相互配合

4 軟件功能設計

4.1 MQTT Client和MQTT Server

在云服務器上搭建 MQTT Server，接收 ESP 網(wǎng)關上傳的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)站后臺程序中搭建 MQTT Client，通過訂閱服務獲取服務器端發(fā)送的數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)分類，使用 JDBC 連接數(shù)據(jù)庫，將收集的環(huán)境數(shù)據(jù)寫入 MySQL 數(shù)據(jù)庫的各字段中 [5,6]

4.2 MySQL數(shù)據(jù)庫建立

本系統(tǒng)使用 Navicat 數(shù)據(jù)庫可視化工具建立數(shù)據(jù)庫，分別建立了用戶表、管理員表、棟舍表及數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)庫流程如圖 1 所示

圖1 數(shù)據(jù)庫流程

4.3 網(wǎng)站開發(fā)

本系統(tǒng)的 Web 頁面和后臺程序使用 MyEclipse 開發(fā)采用維護性強，開放性高的 Java Web 技術搭建網(wǎng)站，采用MySQL 數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲。此種技術搭建的網(wǎng)站維護方便可靠性和安全性較高。網(wǎng)站后臺程序采用 Java 語言，前端采用jQuery 和AJAX 技術，實現(xiàn)實時顯示的功能，還可以在網(wǎng)頁上手動控制牛舍中設備的開關[7]。網(wǎng)站界面如圖 2 所示

圖 2 網(wǎng)站界面

5 智能控制設計

5.1 控制溫濕度變化

當溫濕度發(fā)生的變化超出奶牛最適合的范圍時，后臺程序會根據(jù)當前各傳感器的值來判斷是否需要啟動風扇，噴霧加熱器等設備工作。如需要，后臺程序控制設備采取操作，控制對應的風扇和噴霧器。風扇安裝在牛舍不同的位置就會有不同的功能，高處的排風扇用來換氣，低處的排風扇用來除濕還有在室內(nèi)加快空氣循環(huán)的循環(huán)扇和直接給牛吹風的降溫扇如何合理啟停設備是系統(tǒng)工作的重要任務

系統(tǒng)控制相關設備的指令下達后，實時監(jiān)測環(huán)境信息等待溫濕度發(fā)生變化，當溫濕度的變化符合要求時，關閉相關設備，從而保持牛舍溫濕度的穩(wěn)定

5.2 控制光照

當天氣陰暗，光照強度過弱時，系統(tǒng)會自動打開日光燈補光。系統(tǒng)還會調(diào)取當天的天氣 API 接口獲取當天光照時長若不夠則補足，使奶牛在牛舍中也可享受充足的光照

5.3 控制有害氣體濃度

當有害氣體濃度過高時，采取噴霧和排風扇協(xié)同工作的方式來降低有害氣體濃度，水霧可有效地吸附氨氣，保持牛舍空氣的潔凈 [8]

6 結 語

奶牛養(yǎng)殖業(yè)在我國國民經(jīng)濟中占有重要地位，但從目前規(guī)模化養(yǎng)殖奶牛的實際情況來看，容易在規(guī)模化養(yǎng)殖肉牛中出現(xiàn)環(huán)境調(diào)控不及時，影響奶牛生長，降低奶牛養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益等問題 [9]。而僅靠個人難以判斷牛舍的各種環(huán)境指標是否滿足奶牛生長發(fā)育的需要。本研究通過MyEclipse 開發(fā)平臺整合 MySQL，Java，Web，HTML 開發(fā)動物養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用低功耗的 MQTT 協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，該系統(tǒng)可極大地減少養(yǎng)殖人員精力的投入，監(jiān)測不同節(jié)點的溫度、濕度、空氣指標。實現(xiàn)各節(jié)點環(huán)境數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析及可視化，為奶牛提供舒適的環(huán)境，提升奶牛產(chǎn)奶品質(zhì)，從而獲得更大的經(jīng)濟效益