基于窄带物联网技术的肉鸡养殖环境监测系统设计

李文凤 李龙

（杨凌职业技术学院动物工程学院 陕西省咸阳市 712100）

1 前言

我国是一个农业大国，养殖业已成为农业生产中重要支柱，随着居民收人不断提高，对畜禽产品的需求也持续增长，因此，传统的养殖业正被智能化发展所代替。“物联网”被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，随着畜牧业信息化的快速发展，物联网技术已广泛应用于畜禽养殖、生产、畜产品追溯等环节，并作为畜牧互联网技术的延伸和有效发展途径。

物联网技术在现代畜牧业中的应用主要围绕设施化畜牧养殖场生产和管理环节，通过智能传感器在线采集养殖场舍内、舍外环境数据(二氧化碳、氨气、硫化氢、空气温湿度等)，同时集成改造现有的养殖场环境控制设备、饲料投喂控制设备，实现畜禽养殖场的智能生产与科学管理物。物联网和云计算的加入更快地推进了畜牧业科学、高效和高质量的发展，建立了畜禽养殖的多维空间系统和预警模型，实现了畜牧业高投入、高集约化和高产出的科学智慧管理。

物联网通常采用M2M、Zigbee、433MHz、Wi-Fi、有线等方式进行信息传输，主要问题集中在网络覆盖、供电和成本方面。窄带物联网（NB-IOT）是物联网络的一个重要分支，以室内覆盖、低成本、低功耗和广连接为特点，NB-IoT技术更适合静态业务、对时延低敏感、非连续移动、实时传输数据的业务场景，在应用场景中尤其适合畜牧业养殖方向。

基于窄带物联网的肉鸡养殖环境监测系统是利用窄带物联网的特点应用到现代畜牧业生产中，通过对畜禽养殖环境信息的智能感知，安全可靠传输以及智能处理，实现对肉鸡养殖环境信息的实时在线监测与智能控制，这也是现代畜牧业发展的重要趋势。

本系统采用窄带物联网技术和传感器技术相结合构建基于窄带物联网的肉鸡养殖环境监测系统。该系统利用物联网技术应用于肉鸡养殖过程中对养殖环境的监测和控制，通过气候类、气体类传感器和红外摄像等收集养殖场的温湿度、有害气体、肉鸡个体动态数据等信息，并根据这些数据参数对养殖环境进行分析，以便管理人员及时根据预警参数进行有效控制，管理者也可以根据PC 端或移动端来实时监控养殖环境参数信息并根据具体数值进行设备调控。同时，该系统的实现可以有效地减少肉鸡肉质下降、疫病发生和死亡等现象，能有效地增加养殖收益。

2 肉鸡养殖环境监测系统需求分析和结构设计

2.1 系统需求分析及功能目标

肉鸡养殖对环境依赖程度较高，如舍内是否保温、通风；温度、湿度环境指标超标；氨气、二氧化碳等有害气体超标等，均会导致肉鸡产生各种应激反应及免疫力降低并引发各种疾病，因此，饲养环境监测控制是有效防控重大疫病传播和流行的先决条件。同时，环境质量还将直接影响肉鸡健康和畜产品的品质。利用窄带物联网技术在鸡舍内部安装智能传感器，可实时监测畜舍环境参数，通过有线或无线传送到手机和计算机等终端平台，使管理者能够实时掌握养殖场环境信息，并根据监测结果远程控制鸡舍内相应设备来改变环境参数并达标，以实现肉鸡养殖管理自动化、智能化管理和节能减耗的目标（表1 环境要素采集）。

表1： 环境要素采集

环境是影响和制约肉鸡生长的重要因素，不同肉鸡品种的环境参数也各不相同，在密闭饲养环境中主要考虑温度、湿度、光照、风速和有害气体等环境参数。本系统以肉鸡饲养为例，根据其不同生长阶段对环境参数的要求进行系统设计，基于窄带物联网技术的肉鸡养殖环境监测系统就是为实现对鸡舍环境可实时监测、调整，并对阈值进行预警处理，从而保证最适宜的生长环境信息。

根据系统需求分析，在肉鸡养殖环境监测系统中可满足以下功能：

（1）对养殖环境进行全天24 小时实时监测，可以自主设定数据上报时限。对养殖场温度、湿度、光照、NH、CO等环境参数可实时监测并以数字形式反应在显示屏；

（2）可以查看实时数据和历史数据，并对同类数据参数进行可视化展示，如以折线、柱状图等形式体现，从而可以方便查询各种环境参数的动态变化；

（3）对不同圈舍进行分块监测，这样可以保证在某一圈舍因为设备原因无法上传时可以不影响其余圈舍信息的上传和和存储；

（4）环境参数具有动态性，对肉鸡养殖过程中的饲喂、疫病防控等都会产生相对影响，因此要保证系统运行过程中对环境参数的采集、传输、显示等过程的同步；

（5）系统要应用于实际生产，因此要保证其有效价值。

2.2 系统结构框架

系统结构框架如图1 所示。系统使用无线传感网络技术进行信息采集功能，利用NB-IOT 技术来实现对鸡舍环境、肉鸡个体标识和动态特征等信息参数的信息传输，将传感器数据高效稳定地传送到应用层，最终通过对数据信息分析管理来实现对鸡舍环境信息的实时监测和控制。系统构架主要包括感知层、传输层和应用层。感知层主要以信息采集为主，通过传感器模块、视频设备和电源模块等采集鸡舍环境的相关参数；传输层使用NB-IOT 技术来实现远距离的无线数据传播；应用层是户利用终端设备通过网络访问服务器上的数据实现对环境数据、数据分析以及参数设置等实时监测和管理。

图1： 系统结构框架图

3 肉鸡养殖环境监测系统硬件设计

肉鸡养殖环境监测系统的数据主要针对舍外环境和舍内环境进行监测采集，包括对温度湿度、光照强度、风速、风向、O、CO、CO、NH等信息的采集，以及养殖舍出入口、粪便处理、鸡舍内信息等的视频和图像及声音信息的采集。

3.1 感知层设计

3.1.1 气象环境类传感器

气象环境类传感器主要包括温湿度传感器、光照传感器、风速传感器等能实时感知肉鸡生长环境变化的技术设备。

肉鸡生长过程中对温度的控制在各个阶段均有所不同，1-43d 的育雏期分为6 个阶段的温度控制，43d 出栏的育肥期温度控制为21℃。如果温度控制不当将会严重影响肉鸡的生长育肥，高温会影响其肉质和产量降低经济效益。同时，湿度也是影响肉鸡养殖的重要因素，湿度过高或过低均会造成肉鸡生长缓慢、产量下降等不良效果。

针对鸡舍温度和湿度信息采集可以选用DHT11 数字温湿度传感器，这是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，可以用来测试环境温湿度，该传感器的温度测量范围为0-50℃，误差为2℃；湿度测量在0℃时范围为30%-90%RH，在25℃时，范围为20%-90%RH，在50℃时，范围是20%-80%RH。同时，这款传感器能快速、可靠的新型数据传输，其抗干扰能力强、性价比极高。

肉鸡在饲养过程中光照强度和时间都有不同的要求，育雏期根据日龄不同，分为4 个阶段，光照最长时间需要保证24h，43d-出栏的育肥期要保证20Lux 的光照强度和19-21h的光照时长。因此，光亮度传感器采用光敏电阻，其内部的光电效应和电极无关，可以使用直流电源，灵敏度和半导体材料、以及入射光的波长有关，性价比高。

通风是为了更好地保障鸡舍的空气质量，调节其温度和湿度，因此，风速传感器的信息可以有效地避免低温季节的风冷效应减少冷应激。

3.1.2 气体类传感器

肉鸡养殖过程中，由于鸡的呼吸、粪便发酵等会产生影响鸡健康生长的有害气体，若有害气体超标则会降低肉鸡免疫器官指数和胴体性状，带来经济损失。因此气体类传感器可以选择电化学传感器和光学传感器，如氧气传感器、氨气传感器、硫化氢传感器和一氧化碳传感器等。具体选择时可以考虑MH-Z14 型二氧化碳传感器、半导体气体传感器系列中MQ137 氨气传感器和MQ136 硫化氢传感器等。

3.1.3 多媒体传感器

主要利用视频、图像等多媒体传感器技术采集鸡舍可视化环境信息，也包括肉鸡的行为和声音等信息。

3.2 传输层设计

传输层主要是通过NB-IoT 模块连接到核心网和通信基站，将肉鸡养殖的环境信息通过有线或无线方式传送给用户，NB-IoT 无线通信方式适合中远距离的数据传输，连接运营商的基站，通过基站会将接收到的数据同步到远程云端服务。

安装传感器采集的各项环境信息，可通过总线将数据传输到NB-IoT 模块。传输层由NB-IoT 和互联网组成，将NB-IoT模块通过对应的网络将收集到的数据传输到互联网，后台服务器接收采集的数据，终端用户可通过网络访问这些参数。NB-IOT 网络架构如图2。

图2： NB-IOT 网络架构

NB-IoT 构建于蜂窝网络，使用License 频段，只消耗大约180KHz 的带宽。NB-IoT 不需要自己设计基站和中间数据处理平台，可以通过运营商基站连接到物联网中间平台来确保数据的稳定性和安全性。系统采用窄带物联网技术作为肉鸡养殖环境监测系统的无线传输部分，可以直接部署于5G 网络。占用带宽窄只用180KHz 的带宽，其“广覆盖、低功耗”的优势可以很好地满足系统的需求。

4 肉鸡养殖环境监测系统软件设计

系统采用基于Windows 平台NT/2000/2003 可使用IIS 的WEB 服 务 器、Oracle 数 据 库、 利 用HTML5.0 和JavaScript 等技术开发Web 应用，通过网络浏览器访问服务器数据资源，方便使用者随时了解相关数据参数。肉鸡养殖环境监测系统由智能传感子系统、信息传输子系统、智能调控子系统、预警子系统和监管平台四部分组成，主要功能如图3。

图3： 系统软件功能

（1）智能传感子系统主要是把传感器接收的信息转换为规定格式的内容输出，满足不同数据存储条件要求，便于其他子系统的调用和查找。在信息收集时要保证全天候24小时的数据自动采集和存储，对可远程监控的圈舍数据要保证其视频、图像资料的及时存储和有效显示。

（2）信息传输子系统是运用无线NB-IoT 通信和嵌人式测控等技术，采用无线采集节点、无线控制节点和无线监控中心，利用无线网络管理软件，保证采集信息的可靠传输，能有效地将数据信息上传至处理平台。

（3）智能调控子系统主要是实现对控制设备的远程自动或手动控制。根据环境参数的变化通过控制器调节温湿度、通风、光照等。通过鸡舍传感器获取的环境参数进行智能控制，包括温度控制、湿度控制、通风控制、光照控制、喷淋控制等。

（4）预警子系统是保证当鸡舍的环境参数发生异常超出设定阈值时，首先会在数控液晶显示屏上以报警指示灯和声音提醒，方便管理人员在圈舍可及时看到并进行有效处理。同时还会在移动端通过邮件或短信方式通知管理人员，便于管理人员可远程控制进行处理。并且，对于因设备原因造成的异常数据显示和设备故障等问题也可及时进行设备报警。报警系统还可显示圈舍单独报警和集中报警，即总控和分舍报警显示。

（5）监管平台主要实现对采集数据的存储、分析、显示和管理，采用B/S 结构方便用户随时访问系统了解鸡舍的环境状况，对环境参数进行控制，并以多种方式导出数据内容方便使用人员管理。管理人员可以查找当前环境数据和监控资料进行查看，或者分时段查询历史数据如一周前、一个月前的数据信息，并以图表或文字说明等多种形式进行显示。管理人员可以通过电脑端和移动端有效的进行远程监控查看和数据查找，并通过平台实现自动化和半自动化控制功能的实现。

软件系统设计是肉鸡养殖环境检测系统的核心，其具体应用是数据价值的直接体现。在保证各程序模块正常运行的情况下良好的人机交互界面是便于管理者进行操作的直接体现。良好的界面显示可以帮助管理者了解当前监测数据的具体运行状况和变化，保证在数据运行时同步匹配时间、日期。管理者可以通过界面方便的找到功能模块的实现入口和显示方式。

5 结语

随着畜牧业信息化的发展，养殖业从传统转变到智能化发展对物联网技术的需求会越来越大，尤其窄带物联网技术具有低功耗、低成本、高覆盖、高网络容量的特点，随着NB-IoT 技术的深入应用，可以把畜牧生产的各个环节与互联网相连，实现远程管理，可辅助畜禽生产上升一个台阶，大大提升养殖等高附加值的畜禽生产流通领域。本文设计的肉鸡养殖环境监测系统是利用NB-IoT 模块和传感器设备相结合构建了一种畜禽养殖环境监测系统，实现了对鸡舍环境信息的实时采集、传输、监测、控制和管理。

本系统的设计利用窄带物联网技术通信距离远、功耗低和高覆盖的特点将远程智能管理和养殖生产紧密结合，即可提高生产效率、降低劳动成本，也能实现跨地域随时监测和管理，从而为现代养殖业和智能控制技术的发展提供基础。同时，系统的开放性可以实现对功能模块的增加和调整，也便于应用于畜牧业生产的其他环节，实现高效便捷的有效管理。