基于物联网技术的牛舍环境监控系统设计

引 言

规模化奶牛养殖已成为当下奶牛养殖的主流方式。养殖过程中尤其要注意养殖环境的舒适度和养殖过程中疫病的防控，这样才能提高牛奶产量

物联网技术的发展和应用为奶牛的精细化养殖提供了有力手段，与奶牛养殖结合可更新现有传感器和控制系统 [1]。通过应用最新的物联网技术，可实现无线监控奶牛养殖的各个环节，在奶牛的生长过程中，养殖环境对奶牛的影响尤为明显牛舍环境因素包括温湿度、光照强度、有害气体浓度等 [2]。恶劣的环境条件会使奶牛生产能力下降，发病率和死亡率增加因此，奶牛场的环境监测显得极其重要

除此之外，系统还可利用物联网对牛舍进行环境调控对奶牛进行精细化管理，从而达到节约设备成本，提高奶牛产奶量的目的

本文在参考和借鉴相关研究的基础上，结合当下相关新兴技术，开发出一套适用于中小规模养殖场的小型养殖环境监测系统。系统通过传感器采集牛舍的环境信息，利用 B/S（浏览器 / 服务器）模式，把历史数据和数据经分析分类呈现在网站中，实现各节点环境数据的统计分析及可视化，并根据设定好的数据进行自动调控。从而为奶牛提供舒适的环境，提升奶牛产奶品质和产量，进而获得更大的经济效益 [2]

1 系统的总体方案

1.1 系统的总体目标

本系统主要适用于小型奶牛场，通过使用多种传感器采集温湿度、光强、氨气等牛舍环境信息，使用 ZigBee 协议将数据从节点上传到协调器，协调器将数据打包通过板载的ESP8266 WiFi 芯片上传到 MQTT 服务器，网站后台程序订阅MQTT 服务后，会从 MQTT 服务器获取数据并存进数据库通过对数据的分析处理，判断当前数值是否符合标准，据此动态调控相关设备，保持牛舍温湿度的稳定。最终将信息实时显示到网站上，方便管理者查看。该系统还可帮助管理者减少工作量，具有网页自动调控和手动调控功能，随时控制牛舍的各种设备，使得奶牛养殖环境保持最佳状态，使奶牛生活得更加舒适，节省人力成本，提高产奶量，实现动物养殖的效益最高、成本最低和利益最大化

1.2 系统工作流程

通过计算机和多平台终端的实时监测、预警服务，实现远程监测、预警和控制，达到养殖场的利益最大化 [3]

(1) 环境数据采集 ：牛舍的数据采集采用五点取样法布置五个节点，每个点均包括一组传感器，每组传感器采集温湿度信息，光照信息，有害气体浓度。系统综合分析各组数据减小误差

(2) 数据传输 ：传感器节点使用 ZigBee 网络通信模块将空气温度等模拟信号转换成数字信号，通过ZigBee网络将信息收集到协调器上，协调器将每个节点的数据封装好，通过 MQTT协议将数据发送至服务器

(3) 数据库建模 ：利用 Navicat设计数据库，在云服务器上建立 MySQL数据库，并且存储数据库文件信息，开放数据库端口

(4) 网站数据显示统计及分析 ：采用维护性强，开放性高的 JavaWeb技术搭建网站，使用 MQTTClient订阅服务获取感知层数据，并且将数据分类存储到数据库中

(5) 实时监测：网站后台程序对上传的数据进行实时监测当数据变化超出设定值的范围后，程序将自动控制相关设备保持牛舍环境稳定

(6) 手动控制 ：管理员通过登陆管理员账号，可在网页上查看设备工作状态并手动操作相关设备

2 硬件组成

本系统的硬件部分主要由传感器、ZigBee 无线自组网和WiFi 网关组成

2.1 传感器

DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，可靠性强，准确度高 [4]。采用 GY-30 数字光强传感器，稳定性好，准确度高。MQ135 传感器对氨气硫化物、苯系物蒸汽的灵敏度高，对烟雾和其他有害物的监测也较理想，可靠性强，适合牛舍这类粪尿较多，氨气浓度高的场景

2.2 ZigBee芯片

ZigBee 采用 TI 公司设计的 CC2530 芯片，该芯片成本低可扩展能力强，能够以较低的总材料成本建立非常强大网络节点，且运行模式之间转换的时间短，能源消耗低

2.3 ESP8266芯片

该芯片体积小，功耗低，性能强大，支持透传，丢包现象不严重，且价格较低，资源丰富，易于开发，是当前 WiFi 开发的不二选择

3 硬件功能开发

在该系统中，固件程序即指存储于终端节点和协调器节点中的程序

3.1 终端节点和协调器程序

终端节点和协调器程序使用ZigBee_Z-Stack协议栈进行开发，协议栈集成了 ZigBee的全部协议。可以根据我们的需求来开发相关功能，减少开发时间

3.2 ESP8266程序

系统主要使用芯片自带的 AT 指令功能。ZigBee 协调器收到数据后通过 UART 口将数据以 AT 指令的形式发给ESP8266 模块，通过 POST 方式将数据提交到服务器上

3.3 终端节点控制程序

使用Z-Stack 协议栈开发控制程序，设置节点编号。通过配置 GPIO 和使用继电器，让不同的设备都能受协调器下发指令的控制，使之能和系统相互配合

4 软件功能设计

4.1 MQTT Client和MQTT Server

在云服务器上搭建 MQTT Server，接收 ESP 网关上传的数据，在网站后台程序中搭建 MQTT Client，通过订阅服务获取服务器端发送的数据，再对数据分类，使用 JDBC 连接数据库，将收集的环境数据写入 MySQL 数据库的各字段中 [5,6]

4.2 MySQL数据库建立

本系统使用 Navicat 数据库可视化工具建立数据库，分别建立了用户表、管理员表、栋舍表及数据表。数据库流程如图 1 所示

图1 数据库流程

4.3 网站开发

本系统的 Web 页面和后台程序使用 MyEclipse 开发采用维护性强，开放性高的 Java Web 技术搭建网站，采用MySQL 数据库进行数据存储。此种技术搭建的网站维护方便可靠性和安全性较高。网站后台程序采用 Java 语言，前端采用jQuery 和AJAX 技术，实现实时显示的功能，还可以在网页上手动控制牛舍中设备的开关[7]。网站界面如图 2 所示

图 2 网站界面

5 智能控制设计

5.1 控制温湿度变化

当温湿度发生的变化超出奶牛最适合的范围时，后台程序会根据当前各传感器的值来判断是否需要启动风扇，喷雾加热器等设备工作。如需要，后台程序控制设备采取操作，控制对应的风扇和喷雾器。风扇安装在牛舍不同的位置就会有不同的功能，高处的排风扇用来换气，低处的排风扇用来除湿还有在室内加快空气循环的循环扇和直接给牛吹风的降温扇如何合理启停设备是系统工作的重要任务

系统控制相关设备的指令下达后，实时监测环境信息等待温湿度发生变化，当温湿度的变化符合要求时，关闭相关设备，从而保持牛舍温湿度的稳定

5.2 控制光照

当天气阴暗，光照强度过弱时，系统会自动打开日光灯补光。系统还会调取当天的天气 API 接口获取当天光照时长若不够则补足，使奶牛在牛舍中也可享受充足的光照

5.3 控制有害气体浓度

当有害气体浓度过高时，采取喷雾和排风扇协同工作的方式来降低有害气体浓度，水雾可有效地吸附氨气，保持牛舍空气的洁净 [8]

6 结 语

奶牛养殖业在我国国民经济中占有重要地位，但从目前规模化养殖奶牛的实际情况来看，容易在规模化养殖肉牛中出现环境调控不及时，影响奶牛生长，降低奶牛养殖的经济效益等问题 [9]。而仅靠个人难以判断牛舍的各种环境指标是否满足奶牛生长发育的需要。本研究通过MyEclipse 开发平台整合 MySQL，Java，Web，HTML 开发动物养殖环境监测系统采用低功耗的 MQTT 协议进行数据传输，该系统可极大地减少养殖人员精力的投入，监测不同节点的温度、湿度、空气指标。实现各节点环境数据的统计分析及可视化，为奶牛提供舒适的环境，提升奶牛产奶品质，从而获得更大的经济效益