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第 31 卷

2015 年

增刊 2

11 月

农 业 工 程 学 报

中国农业工程学会学报

Vol.31 Supp.2 2015年11月

·农业生物环境与能源工程·

基于物联网的层叠式鸡舍智能监控系统

李华龙1,2，李淼1※，展凯3，杨选江1，翁世庄1,2，

袁元1，陈胜1,2，罗伟1,2，高慧仪1

（1.中国科学院合肥机械研究所，安徽合肥230031;

1. 中国科学技术大学，合肥230026;
2. 安徽省农业科学院畜牧兽医研究所，安徽合肥230031）

摘要：目前采用各种单参数测量仪器测量环境参数，操作复杂，检测效率低。而且测量点太少不能反映整个鸡舍的环境。 针对这一问题，提出了一种基于物联网的层叠式鸡舍智能监控系统，设计了一种复杂结构的传感器分布拓扑结构。通过本地存储和远程传输测量数据，实现对鸡舍环境参数的实时在线监测。通过网页或智能手机APP，用户可以查询到鸡舍环境实时数据。实验结果表明，空气温度，二氧化碳浓度，氨氮浓度和硫化氢浓度均符合国家畜禽养殖场环境质量标准的要求。但光强，相对湿度，风速和PM10均处于不合理的范围。相应地，给出了相应的优化方法。实际上，我们发现该系统适合对鸡舍环境进行稳定运行和准确监测，在大规模畜牧精准农业中应用前景广阔。

关键词：监控，网络，环境工程，嵌入式系统，鸡舍 doi：10.11975 / j.issn.1002-6819.2015.z2.032

中图分类号：S83 文件代码：A 文章ID：1002-6819（2015）-Supp.2-0210-06

李华龙李淼詹凯杨选江翁世庄袁远陈胜罗伟高慧一 基于物联网的层叠式鸡舍智能监控系统[J]。中国农业工程学会学报（社会科学版），2015，31（Supp.2）：210-215。 （英文和中文摘要）doi：10.11975 / j.issn。 1002-6819.2015.z2.032http://www.tcsae.org

李华淼，李淼，詹凯，杨选将，翁士状，袁媛，陈晟，罗伟，高会议。基于物联网的层叠式鸡舍环境智能监控系统[J]。 农业工程学报，2015,31（增刊2）：210-215。 DOI：10.11975 / j.issn.1002-6819.2015.z2.032http://www.tcsae.org

介绍

随着近年来蛋鸡养殖规模的不断扩大和土地资源的约束，养殖方式正在从梯式笼养转向层叠笼养。由于层叠式鸡舍饲养密度的增加，环境控制技术的要求越来越高。相关研究表明鸡舍的不利环境会导致生产性能下降

收到日期：2015-10-01

基金项目：国家高技术研究发展计划（2013AA102302）; 国家自然科学基金（31501223）

简历：李华龙，博士生，农业物联网技术专业研究助理。 中国科学院合肥智能机械研究所，230031。中国。 电子邮件：lihualong2007@163.com。

※相关信息：李淼，农业信息专业教授

技术。 中国科学院合肥智能机械研究所，230031.电子邮箱：mli@iim.ac.cn。

10％-20％[1 -4]。采用各种单参数测量仪器测量环境参数，操作复杂，检测效率低。而且测量点也不足以反映整个鸡舍的环境。无法实现方便实时的在线监测[5-9]。

针对这一问题，提出了一种基于物联网的层状鸡舍智能监控系统，并针对其复杂结构设计了一种监控拓扑结构。通过本地存储和远程传输测量数据，实现对鸡舍环境参数的实时在线监测。通过网页或智能手机APP，用户可以查询到鸡舍环境的实时数据。监测实验在8层的层叠自动控制鸡舍中进行，其中包含5百万鸡的铜陵县

增刊 2 李华龙等：基于物联网的层叠式鸡舍环境智能监控系统 211

安徽太阳日用农业生态食品有限公司。对鸡舍环境质量参数进行不同位置测量，分析养殖环境问题，科学地评价鸡舍环境，为鸡舍的标准化和自动化控制提供相应的优化方法。

监控系统的总体设计

如图1所示，系统由三部分组成：数据采集终端，服务器和客户端[10-12]。 数据采集

终端包括数据采集器和空气温度，相对湿度，CO₂，光强度，风速，NH3，H2S和PM10等传感器。所有的传感器都通过RS-485总线连接到数据采集器。实现数据的本地存储和远程传输的STM32F103VB（ARM 32位Cortex-M3 CPU）被用作数据采集器中的核心处理器。该服务器是基于Web平台，SQL Server 2008和ASP.NET开发的。它用于接收数据存储和处理。客户端包含两部分：Web查询和Android手机客户 ^[13-15].

数据采集​​终端

服务器

客户端

空气温度传感器

远程传输

相对湿度

传感器

CO2传感器光强度传感器RS-485

赖养母鸡

智能环境监控系统

Web查询客户端

数据收集器

风速传感器

总线

Android客户端

H2S传感器

NH3传感器

PM10传感器

图1蛋鸡养殖智能监控系统框架

• 1. 硬件设计

数据采集​​器采用低功耗微处理器STM32F103VBT6作为CPU。系统功能模块包括RS-485数据采集，GPRS无线数据发送，实时时钟，SD卡数据存储，人机交互和电源管理（图2）。

GPRS无线数据

发送模块

人机

交互模块

RS-485数据

采集模块

STM32F106VBT6

能源管理

模

SD卡数据

存储模块

即时的

时钟模块

图2数据采集器的数据结构图

RS-485数据采集模块用于连接空气温度，相对湿度，光强度，CO2（CG-01，合肥海因福德电子科技有限公司）传感器。气温测量范围为-40-85℃，测量精度为plusmn;0.3℃。相对湿度的测量范围为5％-95％，测量精度为plusmn;2％。光强度测量范围为0-100 lx，测量精度为plusmn;1 lx。 测量范围

CO2为0-1 000 mg / m3，测量精度为plusmn;10 mg / m3）。 风速用HD403TS2（意大利DELTA公司）测量，测量范围为0.08-5.0m / s，测量精度为plusmn;0.2m / s; TM-AQ（邯郸沂蒙电子有限公司）检测NH3，测量范围0〜100times;10-6，测量精度plusmn;10-6）; H2S由TM-LHQ（邯郸沂蒙电子有限公司）测量，测量范围为0〜100times;10-6，测量精度为plusmn;10-6，PM10通过DS-200（深圳蓝控），测量范围为0-100mu;g/ m3，测量精度为plusmn;1mu;g/ m3。所有传感器在出厂前已经过校准。GPRS无线数据发送模块（厦门卡莫尔通信技术有限公司）可实现环境数据实时传输到远程服务器。采用低功耗的TCP透明传输模式。结合SD卡数据存储模块和实时时钟模块，将环境数据记录并存储在SD卡中。由于大部分家禽养殖场位于偏远地区，鸡舍钢结构对GPRS信号具有屏蔽作用，部分鸡舍的GPRS信号较差，可能导致远程传输数据丢失。 这种设计可以有效解决这个问题以避免数据丢失[16-18]。

人机交互模块包括一个4.3英寸液晶显示屏和键盘。

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所有的环境参数都可以在LCD上实时显示，并且可以控制显示模块。 液晶电源在电气工作5分钟后可自动切断，液晶显示屏可通过配置自动复位开关重新启动，可降低系统功耗，延长液晶显示器的使用寿命。键盘用于设置定期采样，过滤和数据传输的控制模式。电源管理模块包括一个DC12V 48AH大容量电池组和相应的电源转换电路。

在完成监测系统开发之后，我们还使用标准气体样本来校准系统收集的数据，以确保数据的可靠性和准确性。

• 1. 软件设计
     1. 数据采集​​器的软件设计

该系统是基于OSmu;COS-II开发的，它是一种开源，结构紧凑的高效率，实时性好的操作系统。首先，初始化mu;COS-II操作系统。然后根据系统功能需求设置了6个任务，包括采样周期管理任务，GPRS数据传输任务，数据采集任务，SD卡数据存储任务，LCD显示任务和键盘任务（图3），以及他们的优先级从高到低[19-20]。

键盘任务

采样周期管理任务

系统

初始化和相关外设配置

GPRS数据传输任务

OSInit（）

OSStart（）

数据采集​​任务

LCD显示任务

SD卡数据存储问

图3数据采集器软件设计图

整个系统的溢出如图2所示。采样周期管理任务用于控制系统的采样周期，采用实时时钟RTC ALARM中断机制，属于优先级最高的中断级任务。GPRS数据传输任务负责UART1向GPRS模块传输数据。为了保证数据传输的可靠性，优先级被设置为更高的优先级。在数据采集任务中，每个传感器首先供电，任务挂起10 s，以确保传感器的工作状态稳定。然后启动UART0，实时查询每个传感器以收集鸡舍

采用轮询模式的环境参数放置在DMA缓冲区中以供其他任务使用。SD卡数据存储任务负责调用传感器采集参数和采集时间。然后它被写入SD卡。LCD显示任务通过邮箱（消息）机制接收到传感器数据和实时显示输出。 键盘任务负责设置系统的工作模式，如启用GPRS模块，采样周期，数据过滤模式等。

• • 1. 监控系统的软件设计

Web服务器监控软件是基于SQL Server 2008，ASP开发的。Net和Visual Studio 2010网络平台。它实现了环境参数信息，用户管理，安全检查，表格和报表创建的实时存储。服务器包括两部分：第一部分是服务器和数据收集器之间的实时交互; 第二部分回应并处理了智能手机客户端[21-23]的请求。

Android移动监控软件是使用Eclipse配置在Android开发平台上开发的。并且使用了Java编程语言。通过它，可以在手机上查看鸡舍的环境参数（图4）。

图4基于Android手机平台的监控界面

监测实验的设计

2014年7月10日至9月7日，在铜陵市安徽太阳日用农场生态食品有限公司的一个8层层叠自动控制鸡舍中进行了监测实验，其中有500万只母鸡。设计了环境控制系统由广州广兴禽业设备集团有限公司提供。鸡舍长73.0米，宽16.0米，高6.3米。它有四列和五个过道。鸡舍内的笼子使用八层堆叠式笼子，分为上下四层，钢管网络中间。 纵向潮湿的窗帘

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通风系统安装在鸡舍内。小屋照明采用了11瓦白炽灯与阴影。

根据层状鸡舍的空间结构和鸡舍的分布情况，设计了一种监测分布拓扑结构。从湿帘到风机口监测4个点的气温，相对湿度，光强，CO2，风速，NH3，H2S和PM10，分别为3.7,18.3,39.0,59.7 m（L3.7 m， L18.3米，

L39.0米，L59.7米）5通道（图5a）。 同时0.6,1.3,1.9,3.8,4.5和5.1m（H0.6m，H1.3m，H1.9m，H3.8m，H4.5米和H5.1米）（图5b）从地面监测每个通道（图5c）。 每一分钟收集每个点的环境参数。使用SPSS 20.0进行方差分析，并且当与最小显着性差异方法（LSD方法）的差异显着时进行多重比较。

L18.3米

L39.0米

L59.7米

L3.7米

笼养母鸡的笼子

过道1

过道2

过道3

过道4

过道5

1. 纵向鸡舍过道采样点的拓扑

笼养母鸡的笼子

H5.1米

H4.5米H3.8米

H1.9米

H1.3米H0.6米

过道1

过道2

过道3

过道4

过道5

1. 横向鸡舍过道采样点的拓扑结构 C。 数据收集器的安装图

注意：图a，b中的回合是采样点。

图5鸡舍过道采样点拓扑图和数据采集器安装图

L59.7m P lt;0.05）。

结果与讨论

• 1. 数据分析

由于鸡舍实验自动化程度高，夏季通风良好，无法检测到NH3和H2S。表1显示了从湿帘到扇形港口的鸡舍环境参数结果

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