杨东轩，张建伟，张刚刚，侯堃

(1.北京工商大学农产品质量安全追溯技术及应用国家工程实验室，北京市，100048；2.北京市畜牧总站，北京市，100107；3.首都师范大学数字校园建设中心，北京市，100048)

0 引言

物联网技术是现代农业走向精细化和信息化的重要手段，已广泛应用于种植业、水产业以及畜牧业等领域。其中应用于禽舍环境的监控系统能够有效提高肉禽或蛋禽的个体健康和生产效率[1]。尽管此类系统技术先进且功能完善，但因其普遍的高造价和复杂的部署方式对于中小规模禽舍而言投入大、风险高，因此较难广泛地落地推广。沈翠凤[2]基于LoRa技术，提出了从感知层采集各项参数后传输给远程后端系统的方案，但该方案需在现场环境中部署多个LoRa汇聚节点以及互联网网关，且需租用云端服务器，一次性投入和长期维护成本均较高。张红欣[3]采用多频段无线模块结合气体传感器的方案实现了禽舍环境的监控，但没有说明其系统性能和成本。任玲[4]和徐光[5]等提出了一种利用ZigBee技术设计的禽舍环境监测系统，但是该方案在网络部署方面需要额外部署转换网关，提高了系统复杂度和成本。还有研究利用NB-IoT等窄带技术实现监测方案，但该类方案需要长期支付窄带通信费用[6]。陈羊阳等[7]设计的家禽管理系统具备完善的监测方案，但其仅从管理层面提高了生产效率，未使用环境数据对环控装置进行管控。本文提出的环境监控系统利用低功耗Wi-Fi技术设计了禽舍环境监测器，使用子任务同时处理传感器调零和网络连接等耗时操作，提高了硬件运行效率。系统采用低成本的树莓派单板电脑作为业务服务器，基于Spring Boot框架实现了用户服务接口和自动控制策略，采用Pi4J硬件接口库实现对环控设备的实时控制。通过在实际禽舍环境中的长期试验运行，验证了系统的有效性。

1 系统架构与原理

1.1 禽舍监控系统架构设计

本文提出的禽舍监控系统结构方案基于物联网体系架构，包含感知层、网络层和应用层[8]。系统的架构如图1所示，虚线框体代表了系统的三个主要组成部分。其中，感知层由本文设计的若干个低功耗Wi-Fi环境监测器构成，负责对禽舍内的主要环境参数进行采集，是整个系统的关键部分。尽管目前大部分规模化运作的禽舍都具有环境监测器等相关设备，但是其仅具有环境数据采集和展示的功能[9]，不能直接应用于本文设计的监控系统。本文设计的监测器，作为系统中的底层设备，仅需要实现低功耗无线传输和精准的数据采集即可，无需实现数据的处理、运算和展示等额外功能，因此其具有低功耗和低成本的优势。

图1 系统架构图

网络层是系统中数据传输和信息交换的中枢部分，传统的物联网体系架构将网络层的研究重点聚焦于范围可扩展、传输距离远和自组网等特点上[10]。而本系统针对中小规模禽舍的特定环境，提出了网络层只要满足低数据传输率、低功耗和易于组网等特性即可。因此在底层设备的网络接入方面，采用了大部分养殖场已经具备且更加成熟的2.4 GHz频段Wi-Fi无线路由器进行组网。在该网络环境的基础上，监测器和服务器之间采用MQTT消息传输协议的发布和订阅机制，实现采集数据和控制参数的传输。

应用层位于系统的顶层，通过网络层提供的MQTT服务与感知层的环境监测器进行信息交换。其中业务服务是核心部分，通过I/O接口控制禽舍内环控设备的运作，对禽舍外部通过以太网提供用户接口服务，禽舍管理员在养殖场内部、外部均能查看和控制系统的运行。

1.2 系统部署及运行原理

为了降低养殖场的使用成本和不影响正常的生产流程，本系统不对禽舍内部现有的环境监控设备进行改造。如图2所示，无线环境监测器悬挂于养殖架首尾端等靠近底部粪坑的位置，采集并上报该位置的氨气浓度、硫化氢浓度、二氧化碳浓度以及温湿度等环境数据。由于该监测器通过Wi-Fi进行通讯，因此兼容大部分使用IEEE802.11标准的无线路由器，无需采购或定制开发基于其他物联网通讯协议(ZigBee、6LoWPAN等)的专用网关。使用基于ARM架构的树莓派单板电脑作为系统的服务器，该设备可以运行基于Linux系统的Raspberry Pi OS操作系统[11]。该设备相比于高性能的通用服务器而言虽然在处理性能上有一定的限制，但其优点在于同时兼备一定的运算能力和硬件接口控制能力，且设备具有能耗极低、成本低廉的特点。系统使用该设备运行MQTT消息转发服务器和监控系统业务服务器等应用层程序。将该单板电脑安装部署于禽舍内部的电源箱旁边，通过板载的RJ45以太网接口接入禽舍内部局域网实现网络通信。应用层程序根据感知层采集的环境参数计算控制模式，最终由树莓派的硬件I/O接口控制继电器模块对禽舍内的排风扇、水帘和暖风机等设备实施通断电源的操作。由于整套系统可以实现PID闭环自动控制，因此用户无需主动关注禽舍内的环境情况。当禽舍内的环境情况达到预设报警值时，服务器的接口服务会向禽舍管理员发送短信进行告警。表1给出了本系统中监测器所采用的主要传感器硬件的相关性能参数。

图2 系统部署示意图

表1 传感器性能参数

2 禽舍环境监测器设计

2.1 硬件电路设计

无线环境监测器是禽舍环境监控系统的关键组成部分，其中负责气体浓度采集的信号处理电路和无线微控制器电路是硬件设计的重点。分别采用型号为ME3-NH3和ME3-H2S的传感器采集氨气和硫化氢浓度。二者同为3引脚结构的电化学(EC)传感器，其内部通过与被测气体发生氧化还原反应而产生微弱电流，因此需要设计信号处理电路将该微弱信号转换成电压信号。由于传统设计方案使用独立元器件构建信号处理电路的恒电位、I/V转换和短路保护等模块，因此电路的整体性能易受不同元器件的个体差异影响，对校准时的调零操作带来不便。本文使用先进的AFE电路方案，选用型号为LMP91000的集成IC处理传感器输出的信号。通过其内部的可编程偏置电压和跨组增益模块，将微弱电流信号放大至可识别的电压信号，电路原理图如图3所示。

图3 LMP91000电路原理图

采用型号为CC3200的微控制器(MCU)作为监测器的核心处理单元和无线收发单元。该控制器是基于SimpleLink技术实现的低功耗Wi-Fi微控制器，在具备ARM Cortex-M4内核的同时，还集成了负责无线通讯的2.4 GHz频段收发器。相比独立设计处理器和无线收发器的方案[12]，本监测器的核心电路可进一步精简，从而增加电路的稳定性。

电路设计如图4所示，除了用于射频信号的带通滤波电路，其优势还在于无需使用额外的元器件便可以直接通过I2C总线接口与传感器模块进行通讯。其他用到的引脚还包括用于采集气体浓度和电池电压等模拟信号的A/D输入、用于控制监测器换气风扇的PWM输出以及控制I2C芯片使能的数字I/O。二氧化碳传感器和温湿度传感器的型号分别为SGP30和SHT31，均使用I2C总线与微控制器进行通讯，无需占用更多引脚。

图4 微控制器电路原理图

2.2 软件程序设计

监测器的软件开发基于FreeRTOS实时操作系统，如图5所示。

(a)传感器调零任务

为了提高运行效率，软件创建了两个子任务，分别执行MQTT客户端任务和传感器调零任务。传感器调零任务耗时较长，因此在硬件上电后只运行一次，调零结束后将传感器的相关调零参数存入Flash存储器，以避免因意外重启而造成的数据丢失。在运行调零任务的同时，MQTT客户端任务并行处理网络认证和服务器连接操作，待成功连接至服务器后便进入循环采集周期。至此监测器开始循环执行数据采集、消息发送及接收和系统休眠操作，在休眠期间大部分硬件电路停止运行，只保留运行微控制器的睡眠时钟，因此可最大程度地降低硬件功耗。

3 服务器端设计

3.1 业务逻辑

服务器端的硬件载体为树莓派单板电脑，在其系统中运行多个服务程序。首先为监控系统中监测器和业务服务之间的通讯提供MQTT消息转发服务。考虑到单板电脑的处理能力有限，选用轻量级的开源软件Mosquitto作为MQTT通讯协议中的转发服务器(Broker)。

其次，作为MQTT通讯协议中的订阅者(Subscriber)，该单板电脑中运行的业务服务需要接收来自消息发布者(Publisher)环境监测器的采集数据，并将数据写入到MySQL数据库。然后，业务服务根据历史和实时的禽舍环境数据，使用多路PID控制模型分别将每种环境参数作为输入变量，将计算得出的结果根据权重系数进行加权平均处理，最终做出是否开启或关闭排风扇、水帘或暖风机等设备的决策。若计算结果超出用户设置的阈值，则通过短信平台接口发送报警短信给用户。业务服务基于Spring Boot框架设计，使用跨平台语言Java编写。在定时执行传感器数据存储和PID控制等业务服务的同时，还通过RESTful风格API为用户提供HTTP接口。服务器端的程序结构如图6所示，用户登录及监控界面如图7所示。

图6 服务器端业务流程

(a)监测器节点列表界面

3.2 设备控制方法

为了对禽舍内现有设备的220 V交流电源进行开关控制，需要使用继电器模块来实现小电流驱动大电流。树莓派单板电脑对外提供多种I/O引脚，可用于控制各种硬件模块，从而节约传统控制系统中需要额外设计的微控制器硬件的成本。服务器的业务逻辑采用Java语言编写，因此选取Pi4J库函数对GPIO引脚进行控制，该库函数是针对树莓派硬件以Java语言实现的，可直接由Spring Boot框架调用。排风扇控制示意图如图8所示，从树莓派的扩展引脚分别引出5 V、GND以及I/O引脚至继电器模块的电源和信号输入。再将继电器的公共COM端接入排风扇电源的火线端，在继电器的常开NO端和排风扇的电源零线接入端之间加入市电插头并接至供电箱。使用Pi4J库提供的GpioPinDigitalOutput类控制数字引脚输出高低电平，从而实现排风扇的启动和关闭。

图8 排风扇控制示意图

4 测试方法与分析

系统的测试运行包含实验室环境中的监测器硬件调试和禽舍现场环境进行的实地长期测试，现场环境为位于北京市平谷区内的某一小规模蛋鸡养殖场。环境监测器的性能决定系统感知层的可靠性，因此需要对系统中监测器的运行功耗和环境数据的采集准确性进行测试。首先在实验室环境运行该设备，使用型号为RIGOL DM3058E的精密电流表实时记录监测器在周期性数据采集过程中的运行电流，电流表可以将连续采集的电流值通过存储设备导出为历史记录。如图9所示，根据记录绘制出监测器在一个气体浓度采集周期下的电流曲线，可知监测器在睡眠模式时运行功耗最低，电流仅为330 uA；以120 s为周期出现的65 mA 波峰是温湿度传感器运行时的电流；气体浓度的采集点出现在风扇运行结束之后，可明显地看出在最高电流280 mA之后出现的68 mA波峰即为气体浓度采集时的电流。试验表明，该设备的平均运行电流为1.04 mA，通过延长监测器的睡眠时间，可进一步降低设备的平均运行电流。根据电荷量库伦算法t=Q/I可知，其中I为平均运行电流，采用一块电池容量为Q=22.4 Ah的锂电池，可计算出监测器以电池供电时可以连续运行897 d。

图9 采集周期电流曲线

为了验证监测器采集数据的准确性，在本文试验中使用了多种工业用途的手持检测仪的检测结果作为对照组，在实际环境中连续记录环境数据并与监测器采集的结果进行对比。表2给出了同一试验环境下，本监测器采集值与对照组的平均相对误差，以及对照组手持检测仪的具体型号。试验结果表明，本文设计方案的监测结果符合《GB 12358—2006》国家标准中对于有毒气体检测误差的要求。结合表1给出的该监测器所用传感器的硬件相关参数，可见在采集性能接近的情况下本监测器的实现更具性价比。

表2 采集值与真实值平均相对误差对比

通过对比两组蛋鸡舍的长期运行状况来验证本禽舍环境监控系统的总体运行效果。如图10所示，选定的该养殖场具有两栋同等规模的鸡舍，该鸡舍大致呈东西走向，宽度约为15 m，长度约为75 m。其内部布局也基本一致，分别具有4组养殖架、养殖架下面是装有刮粪器的粪坑和5条过道。鸡架西面尽头的墙上装有5组排风扇，东面则是4组水帘分别正对每组鸡架，除此之外还具有暖风机、轨道式饲料喂撒器和药水喷淋器等设备。

图10 鸡舍所在地卫星地图

两组试验鸡舍的饲养品种同为海兰褐壳蛋鸡，其中一组鸡舍保持原有设备和人工操作方式不变，另一组鸡舍部署本文设计的环境监控系统。部署方式为分别在养殖架的首尾端悬挂无线监测器，如图2所示；对排风扇、水帘、暖风机等环境控制设备的供电箱加装继电器控制模块，并由树莓派服务器端的数字I/O引脚控制；服务器与监测器间通过鸡舍内现有的Wi-Fi无线路由器实现数据通信。系统测试运行始于2019年6月，数据统计结束于2020年7月，共计378个自然日。该品种蛋鸡饲养周期一般为500 d左右，因此试验时间段覆盖了饲养周期的大部分时间。表3给出了两组试验蛋鸡舍的对比数据，分别对比了起始和结束时的总体耗电量以及鸡只淘汰数量等参数。由耗电量对比可知，该养殖场在使用本环境监控系统的情况下，单一鸡舍可节约用电2 656 kW·h，节电率约为7.71%。由鸡只淘汰率对比可知，由于系统可及时地自动启动减排和控制温控装置，提高了禽类的生存率。

表3 鸡舍的耗电与鸡只存活数量对比

5 结论

设计并实现的禽舍环境监控系统包含低功耗W-Fi环境监测器、低成本业务服务器以及相应的监控程序。

1)部署简便，仅需要部署环境监测器、树莓派单板电脑和对应环控设备的控制继电器即可，禽舍内其他已有的环控设备可直接利旧。硬件成本低，系统中的无线监测器无需配置专用频段和协议的网关，可接入以太网环境，且服务器端硬件运行于禽舍内部从而不需要在云端托管，对于中小规模的禽舍来说一次性投入成本少，无需支付服务器托管费。

2)高有效性，经过长时间的运行测试对比，由于禽舍的各种环境控制设备可以实现自动化运行，因此能够在节约人力成本的同时节约更多电力成本，年节电率为7.71%。由于系统可以持续改善禽舍内的温湿度和空气质量等环境，提升了禽类的动物福利，使得淘汰率降低0.8%。