畜禽养殖环境监控系统篇1

1系统设计的意义及作用

畜牧业是中国农业增效、农民增收的重要产业，近年来取得了长足的进展。随着畜牧业的集约化、规模化发展，特别是大群体、高密度饲养畜禽的日益增加，养殖环境变得恶劣，饲养动物处于亚健康或不健康状态，导致畜禽各类疫病呈大范围流行态势，人畜共患病更是威胁到人类的健康。环境因素对家禽养殖的重要性已被国内外大量的科学研究和生产实践所证实，畜禽舍内的环境质量已经上升为影响畜禽健康状态与生产性能、人类安全和维护社会稳定的首要问题。适宜的养殖环境可以充分发挥畜禽的生产潜力，增强动物抵抗力，减少疾病的发生，继而提高畜牧业的生产效益。但是，当前国内对畜禽设施养殖环境的监测手段主要是靠养殖人员的经验进行人工观测，人工调节，调节有滞后性，生产效率低，占用人力资源多，这一做法基本无法适应现代化的养殖要求，导致我国的畜禽业生产水平处于落后水平。查阅相关研究资料表明，目前国内90%左右的鸡场环境条件不够合理，同发达国家相比，我国家禽养殖在品种、饲料和疾病控制方面的差距逐渐缩小，但是在环境控制技术与设施方面的研究与国外相差较远。而对于某些已采用环境监测系统的养殖场，多数采用的单片机作为现场主控单元，采用有线方式分布设备。虽能有效地实施监测，但存在布线复杂，容易造成接触不良，维护困难且成本也较高等缺点，同时由于系统的扩展性差使监测容量相对较小，因而系统性价比较低。而无线网络监测系统配置灵活，无需布线；同一个传感器节点上能同时集成多个传感器、监控多个参数，降低了系统成本。因此，本文开发了基于ZigBee环境参数采集和以太网技术及RS485技术数据传输，以PLC制器监控程序开发和监控中心（上位机）为监控终端的畜禽舍环境实时监控系统，对畜禽的健康成长、控制疾病的发生与疫情的传播、提高经济效益具有重要意义。

2畜禽舍环境自动控制系统总体设计

系统开发基于ZigBee环境参数采集和以太网技术及RS485技术数据传输，以PLC监控程序开发和监控中心（上位机）为监控终端的畜禽舍环境监控系统研究，建立畜禽舍养殖环境监控系统基本框架，实现远程实时监测畜禽舍内部环境因子（包括温湿度、光照度、二氧化碳、硫化氢、氨气等），并进行数据信息处理，通过和终端的软件设置的相应阀值实现舍内设备手/自动控制转换，获得畜禽生长所需的最适环境状，确保畜禽的健康成长、抑制疾病的发生与疫情的传播、增加养殖户经济效益态。养殖环境自动监控系统总框架。

3系统的实现

3.1硬件的设计

（1）PLC可编程控制器PLC可编程控制器选用台达DVP16ES200R系列可编程控制器，PLC是整个系统的核心，通过PLC采集现场各种传感器传回数据，并通过预设的阀值自动匹配相关控制节点的运行状态。加设工业触摸屏实现现场的数据查看和人工操作。（2）无线传感器无线传感器模块为ZigBee网络中的各监测终端节点，负责采集畜禽舍养殖环境中的各参数子。该模快下又细分为温湿度采集、光照度采集、氨气浓度采集、硫化氢气体浓度采集和二氧化碳浓度采集，这些传感器通过不同区域的组合设置实现对现场环境的整体监控，并为相关系统的控制提供参数依据。（3）现场控制模块现场控制模块主要有泵、风机、卷帘等工业控制机械组成，通过中心控制PLC的指令传给无线继电器组做出相关运行状态的变化。（4）远程控制平台远程控制平台主要由计算机和组态软件构成，通过组态编程技术，实现和PLC中心控制模块的对接，可提供数据的实时察看、数据报警、预设阀值修改、人工控制等功能。（5）系统的接入模式该系统按照标准工业控制系统模式设置，传感器等采集设备均选用现成工业级的串口传感设备。无线接入方面，ZigBee主节点与PLC连接，Zig－Bee终端节点与各传感器连接，各传感器都是RS485转ZigBee模块，然后节点下面接RS485的传感器模块，将传感器信号转为无线方式发送至主节点。Zig－Bee主节点与各终端节点构成星型无线网络结构[1]。

3.2软件的设计

（1）监控界面软件设计主要实现人机交互，通过该平台界面可以实现现场环境数据的实时监控、历史数据的回看、变化曲线的查看、数据报警、手/自动切换以及数据阀值的修改等功能[2]。系统监控软件选用的是北京亚控公司的Kingview组态王软件。人机交互界面如图2所示。（2）PLC程序设计台达PLC采用WPLSoft软件编程，使用梯形图编程语言进行编程。图3为光照参数的读取程序（3）PLC与组态的通信外部设备与组态软件之间的数据通信任务是利用外部设备与设备驱动程序的通信来完成的，包括发送设备命令和数据采集命令[3]。设备驱动程序是由各种通信协议的处理程序所组成，用于在设备运行时采集其特征数据并且发送出去。实现PLC和组态软件之间的通信，需要对通用串口设备的通信参数和通信端口进行设置，通信参数按照所选择的PLC型号进行设置。将“通用串口父设备”和“台达系列编程口”添加到设备组态窗口中，即可将组态监控系统与PLC设备进行通信连接。

4系统测试

系统模型借助于江苏农牧科技职业学院养殖场进行了测试，试验表明，系统运行正常，能有效进行环境的的监控。但对于不同气候条件下、不同畜禽种类养殖场主要环境特征以及相应节点空间配置方案还需进一步试验研究，以便更好的实现系统的实用性和拓展性。

5结束语

系统基于ZigBee和PLC技术畜禽舍环境监控系统，实现无线实时监测和控制畜禽舍内部环境因子，获得畜禽生长所需的最适环境状，确保畜禽的健康成长、抑制疾病的发生与疫情的传播。如进一步结合畜牧科学开展养殖环境特征及节点空间配置方案的研究，将增加系统的实用性和拓展性，从而能加快大型养殖场环境控制向智能化、远程化、信息化的发展，实现经济效益惠民。

作者:马吉庆 崔勇 张路 高志鹏 沙莎 周涛 单位:江苏农牧科技职业学院

畜禽养殖环境监控系统篇2

畜禽健康养殖是指动物养殖过程的安全、健康以及饲料营养的无公害，达到保护人类安全和维护社会稳定的目的[1]。环境、品种、饲料和疾病是构成畜禽健康养殖的4大技术限制因素，其中，环境监测是畜禽健康养殖关键限制因子[2]。畜禽的生长环境直接影响畜禽的健康，尤其是封闭式的畜禽舍，光照有限，温度、湿度波动比较大，有害气体不容易散发，这些均对畜禽的生长繁殖影响比较大[3]。因此，根据畜禽养殖环境的特点，对温度、湿度、有害气体浓度等主要环境参数准确和实时监测是十分有必要的。以监测数据为参考依据，对畜禽舍养殖环境进行调控，能大大提高畜禽舍管理效率。计算机技术、传感器技术、自动化控制技术和网络通信技术的发展，为畜禽健康养殖环境监测、预警和控制提供了很好的技术手段。传感器网络采用无线通信技术，可实现分布式部署，能最大程度的减少器件连线，降低系统搭建、维护的费用和难度，同时提高系统的可扩展性[4]。本文设计的畜禽养殖环境远程监控系统，将传感器技术、无线通信网络技术、自动化控制技术以及远程管理技术等先进技术结合在一起，能实现畜禽养殖环境实时监测、数据处理与分析、自动预警、远程调控等功能。

1系统总体设计方案

系统主要由环境参数传感器、远程数据传输模块（DTU）、Wi-Fi模块、移动巡检车、车载终端、服务器、客户终端等设备组成。在每个畜禽舍内，移动巡检车按照预定轨道行驶，安装在移动巡检车上的车载终端通过无线Wi-Fi模块采集安装在畜禽舍各处的温度、湿度、硫化氢、氨气、PM1.0和PM2.5等传感器值；然后通过串口通信传输到DTU，DTU通过GPRS网络将数据传输到监控中心的数据库服务器；系统平台通过Web服务对外提供服务；用户通过客户终端设备访问系统服务，实现对畜禽舍养殖环境的远程管理和调控。

2系统硬件设计

2.1传感器采集设计

畜禽舍养殖环境因素主要包括温度、湿度、硫化氢含量、氨气含量以及空气洁净度，其中，空气洁净度又分为PM1.0和PM2.5两种参数。因此，本文主要采用的传感器有温湿度传感器、硫化氢传感器、氨气传感器、PM1.0传感器和PM2.5传感器，完成6个参数的测量。传感器信息采集采用PIC单片机完成，其结构框图如图2所示。单片机通过CAN总线采集温度与湿度值，通过485总线采集有毒有害气体含量值以及空气洁净度值，经数据处理后，通过SPI接口输出至液晶屏显示，并通过USART串行口输出给Wi-Fi模块，将所有传感器信息发送给移动巡检车。另外，预留了I/O输出，可以控制电磁阀开关，对畜禽舍内设施进行调控。

2.2车载终端设计

车载终端是以单片机为核心开发的，其主要功能包括：接收传感器信息、数据处理和存储、远程数据传输。整个系统的网络采用的是无线Wi-Fi和GPRS网络的方式。移动巡检车在畜禽舍内按规划路径行走，其车载终端通过Wi-Fi模块读取传感器节点信息，最终把数据集中到远程数据传输模块（DTU），并由DTU经过GPRS网络传送到远程的服务器上，经服务器把数据保存到数据库上并对上层应用提供服务。这样的方式可以灵活部署传感器节点，不受地域距离限制，并且具备充分的可扩展性。

3系统软件设计

系统软件设计要充分考虑硬件系统的特点和网络拓扑结构，不但要满足系统的功能需求，还要满足用户对系统操作的方便性。本文设计的软件系统主要分为两部分：数据通信服务程序和基于Web的应用服务系统。数据通信服务程序主要是接收DTU发送过来的数据，并对数据进行解析、处理并保存于数据库中；应用服务系统的主要功能是为用户提供环境参数实时展示、参数查询、分析、调控及其他管理功能。

3.1数据通信服务程序设计

数据通信服务程序通过多线程技术监听、接收和处理远程数据传输模块发送来的请求。数据通信服务程序会监听指定的端口，当监听到远程数据传输模块发送来的请求后，会创建一个线程来处理该请求，解析请求中的功能代码，根据不同的功能代码分配相应的处理流程，处理流程根据制定好的通信协议解析请求数据并将数据存到数据库中。数据传输流程如图3所示。

3.2Web应用服务系统设计

应用服务系统是基于Spring3.0的MVC框架搭建的。前台展示层运用了JSP和JQuery技术，JSP（JavaServerPage）是Sun公司推出的新一代动态网站开发语言，完全解决了目前ASP和PHP脚本级行的缺点。JSP可以在Servlet和JavaBean的支持下，完成功能强大的动态网站程序开发，JSP页面展示技术所拥有的强大标签库和JQuery所提供的丰富JS脚本库，强有力地保障了绚丽的页面展示效果。持久层采用Spring的JDBCTemplete技术与数据库进行交互，Spring的JDBCTeamplate技术实现了对数据库资源的全面管理，包括异常处理和资源的创建和释放，提高了系统性能，增强了系统异常处理能力。业务逻辑处理过程采用Spring的Transaction声明式事务管理机制进行事务管理，有效地防止了“脏”数据的出现，防止了数据库数据出现问题，保证了事务的原子性、一致性、隔离性、持久性。系统采用Spring的Security框架进行系统角色、权限管理，该框架提供了多种用户身份认证功能，并提供了角色判断功能，对企业级平台中定制模式的权限管理方式提供了稳定且严密的解决方案。系统主界面如图4所示。2015年1月底在北京大信禽业有限公司的某养殖场安装配置了该整套系统，共安装了4个传感器节点，经过一段时间的运行和调试，系统运行稳定，应用平台能实时采集显示畜禽舍的环境参数数据，在环境参数超出设定阈值时，能及时预警，畜禽舍管理人员可以远程对现场设备进行调控。

4结束语

本文针对畜禽健康养殖对智能化环境监测、预警和制的需求，设计开发了一套畜禽养殖环境远程监控系统。系统采用移动巡检车通过Wi-Fi无线采集传感器数据，并通过GPRS网络远程发送给服务器，在服务器上进行基于B/S的Web应用开发。这样的方式可以灵活部署传感器节点，不受地域距离限制，并且具备充分的可扩展性。经过实际应用及用户操作体验，结果表明，该系统工作性能稳定可靠、数据采集实时、准确性好，在环境参数超出设定阈值时，能及时预警，畜禽舍管理人员可以远程对现场设备进行调控，有效提高了畜禽养殖环境的管理效率和自动化水平。

作者:刘阳春 胡小安 伟利国 李亚硕 周丽萍 单位:中国农业机械化科学研究院

畜禽养殖环境监控系统篇3

畜禽养殖是经济中的一个重要组成部分，规模化畜禽养殖已经成为畜禽养殖的趋势。养猪业的未来正逐步由小规模向集约化、工厂化发展。养猪业的信息化管理日益重要，对猪舍内的环境调控是决定养猪业生产水平高低的重要因素。目前，一些大型养猪场配置了传统的环境监控系统，采用PLC(可编程逻辑控制器)作为现场监控中心，采用有线方式分布设备。其系统布线复杂，容易造成接触不良，导致维护困难，成本也较高。李立峰等研发了一套基于PLC的猪舍环境智能监控系统，改善了分娩猪舍的环境质量，提高了养殖效益。但是，该系统只对猪舍环境进行整体控制，没有进一步调节各猪栏的小环境。目前，物联网技术的不断发展与成熟，为精细农业发展中存在的问题提供了新的解决方案，并在精细管理农业环境领域取得很大的进展。SoldatosAG、刁智华等对设施环境的无线监控系统信息采集做了研究;吴秋明等基于物联网的干旱区智能化微灌系统，设计并实现了棉花智能化微灌系统。本文在前面研究的基础上，提出了一种基于物联网技术的规模化畜禽养殖环境监控系统。系统采用物联网技术及簇型网络结构设计，有效地保证了通信稳定性。同时，设计了智能化管理模型，为畜禽养殖的智慧化提供了理论基础。用户可以在线监测猪只的生长环境信息，调控各猪舍的生长小环境条件，真正意义上实现科学决策和智能控制。

1系统总体方案设计

1．1系统总体方案

系统由感知层、传输层和应用层组成，总体方案如图1所示。感知层主要包括相关传感器以及相应的设备，用于采集现场的环境信息参数的采集;感知到的信息参数通过传输层上传至应用层，为最终的应用服务。

1．2无线传感器节点设计

传感器节点是组成无线传感器网络的基本元素，系统采用了统一的供电处理单元(市电、电池与太阳能可选)及基于IEEE802．15．4标准的传感器模型的思想。其中，NACP为网络应用处理器，TEDS为变送器电子数据表单。传感器采集到的信息通过A/D转换，经微处理器进行处理，通过NACP模块将传感器网络与其它公网进行信息交互;同时，微处理器将信号经过D/A转换送至光耦，最终对被控设备进行控制。

1．3智能管理模型设计

智能管理模型如图3所示。模型的设计主要包括3个部分:基于WSN的数据采集、领域数据库库和知识库、智能信息处理专家。将WSN采集到的数据通过领域数据库和知识库处理，最终建立环境预警与控制模型以及精细饲喂模型，为畜禽养殖的精准化预测和预警、饵料投喂的科学化和规范化管理提供理论基础。

2簇型无线传感器网络设计

通信安全和能耗管理是组网方式需要考虑的两个重要因素。对于实际应用环境，现场布线通常受到环境的制约，大多数情况下采用无线的方式。考虑采用分簇(分区域)的能量供应方式，每个簇的簇内节点采用太阳能板的供电方式，中心节点则采用市电供应能量。基于通信的稳定性和能耗，本文中采用簇型无线传感器网络设计，将畜禽养殖场进行分簇(分区域)组网，依据养殖品种(小猪和母猪)，按养殖场地进行分簇。全网分成多个簇团，每个簇团都有一个簇头节点，由簇头节点组成上一层传输网络。在每一簇内采用特定的结构组网，簇内采用交叉双链通信方式，各簇首之间采用自组网的结构进行组网。簇型无线传感器网络结构图如图4所示。交叉双链通信方式如图5所示。采用这一通信方式，有效地解决了在通信链路中某一传感器节点出现故障而导致的整条链路通信失败的情形，保证了通信的稳定性。

3效果与验证

3．1网络可靠性验证

丢包率PLＲ(PacketLostＲate)定义为数据帧丢失字节数与完整数据帧字节数之比。接收节点如果接收到的数据帧不完整，则说明存在丢包。本文中采用了簇型网络结构，簇内采用交叉双链通信方式。对丢包率进行测试，结果如图6所示。由图6可以看出:采用簇型组网方式，并且选用交叉双链通信方式，丢包率有很大程度的降低，大大提高了网络通信的稳定性。

3．2系统运行效果

监控中心计算机监控软件用C#语言编程。监控系统软件具有实时监控现场情况、保存历史数据、对系统配置、提供帮助等功能。监控软件界面图如图7所示。该养猪场由多个饲养棚组成，主要饲养对象为小猪和母猪。刚出生仔猪体温调节中枢不全，缺乏体温调节能力，对猪舍的环境要求很高。小猪猪舍的适宜温度在22～30℃之间，湿度为60%～80%之间。通过控制界面可以调控至适宜温度，主要是通过控制热风炉和降温设备来实现。2013年8月28日，自动控制模式下舍内平均温湿度变化情况。由图8可以看出:小猪猪舍内的温度在22～28℃之间，且波动比较小;湿度为60%～80%。

4结语

简要介绍了基于物联网的规模化畜禽养殖环境监控系统的设计方法，从组网方式和智能管理模型上进行了研究。将其应用到实际畜禽养殖环境中，结果表明，系统的稳定性和精准性有了明显改善。1)采用簇型组网方式，系统的丢包率有很大程度的下降，网络的稳定性有了很大程度的提高。2)通过智能化管理模型的建立，实现了畜禽养殖的精准化预测和预警、饵料投喂的科学化和规范化。由于规模化养殖的需要，对于现场环境的采集信息量比较大，所需传感器数目和种类比较多，如何有效部署传感器、保证网络通信的稳定性，以获得更精准更全面的环境信息，将有待于进一步的研究。

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作者:张伟 何勇 刘飞 阮艳凤 单位:嘉兴学院机电工程学院 浙江大学生物系统工程与食品科学学院  嘉兴市宏联电子科技有限公司