引 言

規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖已成為當(dāng)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(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為奶牛的精細(xì)化養(yǎng)殖提供了有力手段，與奶牛養(yǎng)殖結(jié)合可更新現(xiàn)有傳感器和控制系統(tǒng) [1]。通過應(yīng)用最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)控奶牛養(yǎng)殖的各個(gè)環(huán)節(jié)，在奶牛的生長過程中，養(yǎng)殖環(huán)境對(duì)奶牛的影響尤為明顯牛舍環(huán)境因素包括溫濕度、光照強(qiáng)度、有害氣體濃度等 [2]。惡劣的環(huán)境條件會(huì)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(chǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)顯得極其重要

除此之外，系統(tǒng)還可利用物聯(lián)網(wǎng)對(duì)牛舍進(jìn)行環(huán)境調(diào)控對(duì)奶牛進(jìn)行精細(xì)化管理，從而達(dá)到節(jié)約設(shè)備成本，提高奶牛產(chǎn)奶量的目的

本文在參考和借鑒相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)下相關(guān)新興技術(shù)，開發(fā)出一套適用于中小規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)的小型養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)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(wù)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(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析及可視化，并根據(jù)設(shè)定好的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)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(jìn)而獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益 [2]

1 系統(tǒng)的總體方案

1.1 系統(tǒng)的總體目標(biāo)

本系統(tǒng)主要適用于小型奶牛場(chǎng)，通過使用多種傳感器采集溫濕度、光強(qiáng)、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(diǎn)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(wù)器，網(wǎng)站后臺(tái)程序訂閱MQTT 服務(wù)后，會(huì)從 MQTT 服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)并存進(jìn)數(shù)據(jù)庫通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理，判斷當(dāng)前數(shù)值是否符合標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此動(dòng)態(tài)調(diào)控相關(guān)設(shè)備，保持牛舍溫濕度的穩(wěn)定。最終將信息實(shí)時(shí)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(dòng)調(diào)控和手動(dòng)調(diào)控功能，隨時(shí)控制牛舍的各種設(shè)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(shí)現(xiàn)動(dòng)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(jì)算機(jī)和多平臺(tái)終端的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警服務(wù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、預(yù)警和控制，達(dá)到養(yǎng)殖場(chǎng)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(diǎn)取樣法布置五個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)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(diǎn)使用 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通信模塊將空氣溫度等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將信息收集到協(xié)調(diào)器上，協(xié)調(diào)器將每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(wù)器

(3) 數(shù)據(jù)庫建模 ：利用 Navicat設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，在云服務(wù)器上建立 MySQL數(shù)據(jù)庫，并且存儲(chǔ)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(jì)及分析 ：采用維護(hù)性強(qiáng)，開放性高的 JavaWeb技術(shù)搭建網(wǎng)站，使用 MQTTClient訂閱服務(wù)獲取感知層數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中

(5) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：網(wǎng)站后臺(tái)程序?qū)ι蟼鞯臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)數(shù)據(jù)變化超出設(shè)定值的范圍后，程序?qū)⒆詣?dòng)控制相關(guān)設(shè)備保持牛舍環(huán)境穩(wěn)定

(6) 手動(dòng)控制 ：管理員通過登陸管理員賬號(hào)，可在網(wǎng)頁上查看設(shè)備工作狀態(tài)并手動(dòng)操作相關(guān)設(shè)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(guān)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(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，可靠性強(qiáng)，準(zhǔn)確度高 [4]。采用 GY-30 數(shù)字光強(qiáng)傳感器，穩(wěn)定性好，準(zhǔn)確度高。MQ135 傳感器對(duì)氨氣硫化物、苯系物蒸汽的靈敏度高，對(duì)煙霧和其他有害物的監(jiān)測(cè)也較理想，可靠性強(qiáng)，適合牛舍這類糞尿較多，氨氣濃度高的場(chǎng)景

2.2 ZigBee芯片

ZigBee 采用 TI 公司設(shè)計(jì)的 CC2530 芯片，該芯片成本低可擴(kuò)展能力強(qiáng)，能夠以較低的總材料成本建立非常強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，且運(yùn)行模式之間轉(zhuǎn)換的時(shí)間短，能源消耗低

2.3 ESP8266芯片

該芯片體積小，功耗低，性能強(qiáng)大，支持透傳，丟包現(xiàn)象不嚴(yán)重，且價(jià)格較低，資源豐富，易于開發(fā)，是當(dāng)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(chǔ)于終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中的程序

3.1 終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器程序

終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器程序使用ZigBee_Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā)，協(xié)議棧集成了 ZigBee的全部協(xié)議。可以根據(jù)我們的需求來開發(fā)相關(guān)功能，減少開發(fā)時(shí)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(wù)器上

3.3 終端節(jié)點(diǎn)控制程序

使用Z-Stack 協(xié)議棧開發(fā)控制程序，設(shè)置節(jié)點(diǎn)編號(hào)。通過配置 GPIO 和使用繼電器，讓不同的設(shè)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(shè)計(jì)

4.1 MQTT Client和MQTT Server

在云服務(wù)器上搭建 MQTT Server，接收 ESP 網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)站后臺(tái)程序中搭建 MQTT Client，通過訂閱服務(wù)獲取服務(wù)器端發(fā)送的數(shù)據(jù)，再對(duì)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(tái)程序使用 MyEclipse 開發(fā)采用維護(hù)性強(qiáng)，開放性高的 Java Web 技術(shù)搭建網(wǎng)站，采用MySQL 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。此種技術(shù)搭建的網(wǎng)站維護(hù)方便可靠性和安全性較高。網(wǎng)站后臺(tái)程序采用 Java 語言，前端采用jQuery 和AJAX 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示的功能，還可以在網(wǎng)頁上手動(dòng)控制牛舍中設(shè)備的開關(guān)[7]。網(wǎng)站界面如圖 2 所示

圖 2 網(wǎng)站界面

5 智能控制設(shè)計(jì)

5.1 控制溫濕度變化

當(dāng)溫濕度發(fā)生的變化超出奶牛最適合的范圍時(shí)，后臺(tái)程序會(huì)根據(jù)當(dāng)前各傳感器的值來判斷是否需要啟動(dòng)風(fēng)扇，噴霧加熱器等設(shè)備工作。如需要，后臺(tái)程序控制設(shè)備采取操作，控制對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇和噴霧器。風(fēng)扇安裝在牛舍不同的位置就會(huì)有不同的功能，高處的排風(fēng)扇用來換氣，低處的排風(fēng)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(fēng)的降溫扇如何合理啟停設(shè)備是系統(tǒng)工作的重要任務(wù)

系統(tǒng)控制相關(guān)設(shè)備的指令下達(dá)后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境信息等待溫濕度發(fā)生變化，當(dāng)溫濕度的變化符合要求時(shí)，關(guān)閉相關(guān)設(shè)備，從而保持牛舍溫濕度的穩(wěn)定

5.2 控制光照

當(dāng)天氣陰暗，光照強(qiáng)度過弱時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開日光燈補(bǔ)光。系統(tǒng)還會(huì)調(diào)取當(dāng)天的天氣 API 接口獲取當(dāng)天光照時(shí)長若不夠則補(bǔ)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(dāng)有害氣體濃度過高時(shí)，采取噴霧和排風(fēng)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(jié) 語

奶牛養(yǎng)殖業(yè)在我國國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，但從目前規(guī)?；B(yǎng)殖奶牛的實(shí)際情況來看，容易在規(guī)?；B(yǎng)殖肉牛中出現(xiàn)環(huán)境調(diào)控不及時(shí)，影響奶牛生長，降低奶牛養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益等問題 [9]。而僅靠個(gè)人難以判斷牛舍的各種環(huán)境指標(biāo)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(tái)整合 MySQL，Java，Web，HTML 開發(fā)動(dòng)物養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用低功耗的 MQTT 協(xié)議進(jìn)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(cè)不同節(jié)點(diǎn)的溫度、濕度、空氣指標(biāo)。實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)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(jì)效益