基于物联网技术的畜禽智能监测系统设计与开发

何敏欣 宋国柱

（山西农业大学软件学院 山西省太谷县 030801）

我国现有的蛋鸡养殖业存在疫病防控、环境污染、蛋品质量等安全问题，严重制约了产业的发展，已成为亟待解决的难题。目前蛋鸡养殖场已采用传感器检测鸡舍的温度、湿度、光照及有害气体浓度等环境信息，并对其进行实时控制[1]。本文就当前蛋鸡养殖场通过先进的物联网技术、高压静电场技术、高效光谱补光技术、智能控制技术、多媒体技术、云计算等技术，设计了一个基于物联网技术的畜禽智能监测系统，采用气体环境自动采集装置，智能控制装置和视频多媒体装置，实现了对蛋鸡养殖场进行补光、除异味、除灰尘和精准控温，实现蛋鸡养殖场远程、实时展示、信息预警和智能控制，达到精细化养殖、智能化管理[2]。

1 系统架构设计

本系统利用物联网技术，采用闭环控制的畜禽环境监测系统。系统架构由畜禽舍多点气体信息自动采集装置系统、畜禽舍物联网管理系统以及应用系统组成。应用系统又可分为：蛋鸡舍外围护结构建筑材料数据库查询系统、鸡舍“[”型湿帘布置与均匀通风技术、畜禽舍空气电净化自动防疫机、鸡舍灯光色调控制设备4部分。该闭环系统的结构如图1所示。

本系统的环境监测子系统通过数据库查询将4个应用系统的各项数据查询出来，汇总到畜禽舍多点气体信息自动采集装置系统中，最后再汇总至蛋鸡舍物联网管理系统中，形成一个完整的闭环运行系统。此外数据库查询部分还可提供远程查询服务，根据用户的需求向其提供各种时间维度的报表、图形显示以及各种权限控制。

2 系统详细设计

2.1 气体环境自动采集系统

本系统采用负压设计，可对进气的流量进行实时监测，以检查系统是否存在漏气情况，并可将检测结果进行实时的显示。该系统具有6个通道，分别对舍内的6个点进行气体等环境信息进行实时采样，以满足对现场环境监测的需求。测试时，5个测点布置在舍内，另外1个采样点布置在舍外，其可以对舍外的气体信息进行采样，形成对照组。并通过系统采样泵将采样点的气体抽到采样管中，调控电磁阀及系统管路的开关，将需要测试的气体输送到气体分析仪器中。整个系统的部件全部采用特氟龙材料或者特氟龙覆膜材料，以防止金属部件与氨气产生反应从而对部件造成损坏以及影响测试结果的准确性。此外，氨气易溶于水，而冬天在采样管内容易产生水汽冷凝，从而影响氨气浓度测试的误差以及冷凝水进入分析仪损坏仪器。因此为了避免冷凝现象的发生，在采样气体进入气体分析仪器之前，系统会利用采样器的加热性能对气体进行加热。

图1：系统架构

2.2 智能控制系统

2.2.1 温度控制模块

蛋鸡最适宜产蛋的温度是15～22℃，超过25℃时便会产生热应激反应，严重时可以致鸡死亡，一般每年6月下旬到9月上旬约3个月时间气候炎热，蛋鸡会有不同程度的热应激，会对鸡蛋产量造成严重影响[1][2]。当气温升高，鸡的采食量减少，肠道对钙的吸收率降低，高温使鸡呼吸加快排出二氧化碳增多，使血液中碳酸浓度下降，导致蛋壳变薄，因此鸡舍要采取冬季保温、夏季降温的措施。

温度控制分为夏季模式和冬季模式，通过在不同模式下所需的不同温度条件，系统进行智能学习，自主建立一套控制模型，实现智能化控制。

夏季模式：空气温度传感器实时采集上传鸡舍内空气温湿度参数，当温度高于规定值时，系统会指示智能控温模块依次打开鸡舍两侧的通风窗，通过控制通风窗开启幅度，来控制室内的温湿度。

如果气温仍然上升，通风窗全部打开仍然不能降低鸡舍内温度，系统会指示智能控温模块，开启1-2台风机，同时亦能通过控制变频模块来控制风机转速，以达到降温效果。

若温度继续攀高，系统将顺次增加风机开启数量，同时开启水幕通风口，通过控制水幕通风口水闸阀门开启的大小，来控制冷空气通气量，实现降温的目的；反之，温度下降后，传感器测量值降低，系统将指令发送给智能控温模块，依次关闭水幕、风机、通风窗等，通过闭环反馈指令，以达到智能控制鸡舍内温度经常保持在正常范围内的效果。

冬季模式：保温的同时也不能忽略了通风，因为鸡如果一直在一个密封的环境中，换气量少、潮湿，鸡舍内会产生大量的有害气体，很有可能会诱发鸡得慢性呼吸道病。所以在保温的前提下，应注意合理通风。

当冬季鸡舍气温低于蛋鸡正常生产温度时，控温系统通过智能控温模块来控制锅炉电磁阀的开启大小从而达到控制温度的效果。同时还能根据二氧化碳、氨气、硫化氢、PM2.5、PM10等传感器上传的传感数据分析判断，适时开启排风扇，增加空气流通，保持空气新鲜。智能温控模块如图2所示。

2.2.2 光照控制模块

蛋壳的主要成分是碳酸钙，含量约占83～85%，蛋鸡产蛋期每天摄入的钙主要是满足产蛋需要，一只鸡每天约需钙3～3.5克，摄入钙过低过高都会影响蛋壳质量，在机体内钙、磷的吸收总是协同的，所以适宜的含磷量可以促进钙的吸收[2][3]。在育雏、育成期钙磷比例约在1.5～2.0时钙磷的吸收利用率最高，而光照作用可使皮肤中的7～脱氢胆固醇转变为维生素D，促进钙磷的吸收[5]。

下午鸡舍内光线强度低于设定值时，系统会指示光照控制模块打开补光灯进行补光，到晚上要求鸡休息，不需要补光时，系统将自动切断补光灯电源。本系统可以控制补光灯打开时间、亮度百分比、运行天数等，以便更加精细化、智能化的调节鸡舍内光照强度，来增加鸡对钙磷的吸收，以达到提高产蛋率的效果。

2.2.3 空气清洁模块

当鸡舍内空气中的二氧化碳、氨气、硫化氢、PM2.5、PM10等浓度高于正常范围时，系统会指示空气清洁模块开启高压静电场，进行除尘除臭操作系统会控制风机开启，将有害气体排送出去，直到空气浓度达到正常范围，该系统自动关停。在除尘除臭的同时该系统还会电离氧气产生臭氧，因为臭氧具有消毒灭菌的作用，所以还可同时达到消毒防疫的效果。

图2：温度控制模块

2.3 视频多媒体系统

基于物联网的畜禽智能监测系统通过球型摄像机实现对养鸡场内部全方位的视频监控录像，并将养鸡场内的温度、湿度、有害气体浓度、光照强度等数据在监控中心的计算机上进行实时显示，定期存储。用户可以通过网络直接登录管理系统对养鸡场内的情况进行监督和遥控。

通过在现场部署视频监控摄像头，实时采集现场画面，还可以预约设置多个设备、多个预置点、多个时间点，进行拍照保存，以方便记录蛋鸡的生长过程，也利于提取素材做课题研究。

3 系统实现

由示范点的实际建设工作情况可知，整个的闭环智能感知操控体系，重点对鸡舍内蛋鸡饲养环境进行监测，包括温湿度、光照度、风速、二氧化碳、氨气、硫化氢、PM2.5、PM10等数据的收集，并通过智能控制模块实时控制通风口、风机、水幕通风口、高压静电场、锅炉电磁阀、补光灯等设备。创建感知数据传输网络，实现对空气质量的自动控制，以及蛋鸡饲养繁殖的相关综合信息推送。实现了实时展示、信息预警和智能控制，达到精细化养殖、智能化管理的目标。同时,加强场区安全防控，展示物联网智能管理成果，打造物联网智慧养殖示范基地。

4 结论

本系统利用先进的物联网监测技术，对鸡舍中各项环境参数进行实时监控与调整，可达到对养殖场精细化养殖，智能化管理的目的。进而保证畜禽的生长发育，有效解决了当前养殖业存在的疫病防控、环境污染、蛋品质量等安全问题，从而带动当地养殖业的发展，促进农民增收。