引 言

隨著我國養(yǎng)豬行業(yè)向工廠化、集約化生產模式的快速轉變，我國傳統農戶采用的干飼料飼喂模式已經不適合現代化養(yǎng)豬行業(yè)。目前，丹麥、德國等國家約有 30% 的養(yǎng)殖場已經開始采用液態(tài)料飼喂模式來養(yǎng)豬，由于豬對液態(tài)料的采食量大且營養(yǎng)吸收好，未來液態(tài)飼喂模式將成為全球養(yǎng)豬行業(yè)的主流飼喂方式 [1]。液態(tài)料線飼喂系統通過計算機控制設備將固體料或液體料按照配方自動配料并攪拌均勻，再按照飼喂曲線精準控制每一頭豬的飼喂量。系統自動化程度高，降低了勞動成本，且液態(tài)料采用管道運輸，降低了豬舍內的粉塵含量和飼料的浪費 [2-3]。

目前，液態(tài)飼喂系統研究已經有了突破性進展。高巖 [4] 等深入分析了液態(tài)飼喂系統在生產中的優(yōu)勢并對液態(tài)飼喂系統設計和工作原理做了深入分析。徐峰 [5] 等設計了基于Profibus 總線的全自動液體飼喂系統，通過 PLC 分散控制系統實現液態(tài)飼喂的精準控制。但這些系統都是直接架設在豬場本地，受地理位置限制較大，因此本文在前人研究的基礎上，提出了一種基于物聯網技術的液態(tài)料飼喂遠程監(jiān)控系統。系統將物聯網相關技術與液態(tài)飼喂系統相結合 [6-8]，突破了液態(tài)飼喂系統受豬舍位置的限制，用戶可以通過網絡實現對飼喂現場的實時監(jiān)測和精準化、智能化調控。

1 系統總體設計方案

本系統按照功能可分為現場控制系統、數據平臺系統和用戶交互平臺系統 [9-11]。系統的總體設計框圖如圖 1 所示?，F場控制系統主要實現對飼喂流程的自動化控制以及飼喂數據的采集和上傳，采用 PLC 控制器作為核心控制系統，其附加的 ARM Cortex-M3 嵌入式數據采集終端通過 RS 232 串口按照 Modbus 協議與 PLC 通信，采集 PLC 上的飼喂數據， 再通過 GPRS 無線網絡連接到數據平臺系統，將數據上傳至服務器并從服務器中接收控制指令。

圖 1 系統整體設計方案

數據平臺系統作為物聯網系統的核心，其主要功能包括終端接入、數據解析處理、將核心數據存儲到數據庫、控制流處理以及數據服務接口的提供。用戶交互平臺系統允許用戶通過瀏覽器或者手機 APP 來監(jiān)控現場設備的運行狀態(tài)以及查詢分析歷史飼喂數據。

2 方法及實現

2.1 現場控制系統的設計

2.1.1 基于 PLC 的現場飼喂控制模塊

PLC 是一種可編程控制器，具有可靠性強、抗干擾能力強、便于安裝和拓展的特點，非常適合豬場復雜的分布格局和惡劣的環(huán)境 [12-13]。液態(tài)飼喂流程分為加水、加料、攪拌、充管、分送、清管、洗灌、回槽、噴淋、返水共 10 個步驟，其可操作運行界面如圖 2 所示。

圖 2 控制系統可操作運行界面圖

設備的控制模式分為手動控制和自動控制兩種，默認采用自動控制模式，適合無人監(jiān)控的環(huán)境。而手動控制模式下方便管理人員或專家通過 Web 頁面監(jiān)控現場，并依據專家經驗對不同豬舍的個性化要求進行調控，設備維護人員也可以通過該模式遠程調試設備，排查故障發(fā)生的原因，降低設備的維護成本。

2.1.2 基于 ARMCortext-M3 的數據采集終端

STM32 單片機是 ST 公司在業(yè)界最先推出的基于 ARM Cortex-M3 內核的，專為高性能、低功耗、低成本嵌入式應用設計的 32 bit 微控制產品 [14-15]。其內部集成多路 USART 控制器、PWM 控制器、SPI 控制器、CAN 控制器、DMA 控制器、USB 控制器、以太網控制器等，有利于簡化控制系統外圍電路設計，可靠性更高。采集終端以 STM32 微處理器作為控制單元，外部集成了 GPS/BD 定位模塊、GPRS 通信模塊以及RS 232，RS 485 串口通信模塊。終端工作流程如圖 3 所示。

采集終端在完成初始化并連接到數據處理服務器后，開始采集數據及監(jiān)聽服務器發(fā)來的控制指令。對于需要實時監(jiān)測的數據則及時上傳，每隔 6 s 進行一次數據讀取與上傳， 需要實時上傳的數據包括設備報警信息、設備各閥門的開關狀態(tài)、設備內各系統的運行狀態(tài)。當天的飼喂量、給水量、配方和飼喂曲線數據在每天 11 ：30 飼喂結束后一次性采集上傳。控制指令分為修改參數指令和開關控制指令，修改參數需要修改 PLC 控制器內對應內存地址的數據，開關控制指令則需要將 PLC 對應開關的內存從 0 置為 1 或從 1 置為 0 來產生脈沖，控制繼電器打開或關閉對應閥門。

2.2 數據平臺系統的設計

數據平臺系統分為基于 Socket 的網絡通信模塊、數據解析處理模塊、控制指令和數據請求處理模塊。系統內部設計如圖 4 所示。

圖 4 數據處理系統架構圖

2.2.1 基于 Socket 的網絡通信模塊設計

該模塊借鑒新浪 FastSocket 開源通信框架，在模塊內部實現了一個動態(tài)連接庫 libfsocket.so 來攔截 socket，bind，listen 等并進行處理，實現了多進程擁有多個 accept 隊列的模式， 適用于系統自身 TCP 短連接較多的情況。當通信模塊監(jiān)聽到終端連接時會通過終端的Token 編號來校驗終端的合法性， 如果合法則將該連接維護到連接列表中并開始接收終端上傳的數據，再將接收的數據傳入數據解析處理模塊進行處理。

2.2.2 數據解析處理模塊

終端數據格式如圖 5 所示。數據分為 Header（數據頭） 和 Data（數據區(qū)）兩部分。Header 包含了本條數據的標識信息，其中終端編號作為終端唯一標識，mType 標識出本條數據的類型，crcCheck 是將數據區(qū)按照 CRC 校驗算法（Cyclic Redundancy Check，CRC）產生的 CRC 校驗碼，CRC 是數據通信領域中一種常用的查錯校驗碼，用來保證數據的完整性和正確性 [16]。Data 則包含了數據的具體內容。

數據解析完成后將根據數據類型的不同將歷史數據存入數據庫，實時數據存入系統內存中方便調用，控制結果數據直接交由控制指令處理模塊處理。

圖 5 終端數據結構圖

2019年 / 第5期 物聯網技術 103

2.2.3 控制指令和數據請求處理模塊

該模塊主要負責處理用戶在對設備進行監(jiān)控時發(fā)送到服務器的實時數據請求和控制指令，考慮到這些需求對實時性要求比較高，處理模塊與用戶端之間采用 WebSocket 通信協議。WebSocket 協議在瀏覽器與服務器“握手”成功后允許服務器向瀏覽器推送數據，實現二者的雙工通信，與傳統的長連接和多輪詢方式相比效率更高、實時性更好 [17-18]。模塊處理流程如圖 6 所示。

服務器啟動后根據配置文件開始監(jiān)聽指定端口的用戶請求，如果是請求設備實時數據，則直接從服務器內存讀取對應的數據并返回給該用戶。如果是控制指令則交給設備連接模塊，連接模塊從其維護的所有設備連接中找到對應設備并發(fā)送該控制指令。模塊內部設有超時機制，如果設備長時間未回復執(zhí)行結果則重新發(fā)送控制指令，如果重復次數超過最大次數則回復用戶設備執(zhí)行指令超時并記錄到系統日志中。

3 應用效果及討論

3.1 用戶交互平臺系統

用戶交互平臺系統主要包括 PC 端和 APP 端兩部分。PC端包含了平臺全部功能，適合工作人員遠程監(jiān)控管理所有豬場。APP 端得益于移動終端便于攜帶的特點，適合操作人員在現場作業(yè)時使用移動終端操作飼喂設備。PC 端系統界面如圖 7 所示。

PC 端核心業(yè)務包括設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控、所有下料口飼喂量調整、各階段豬的飼喂曲線的調整、不同豬舍飼喂配方的調整、設備報警信息統計以及設備飼喂量的統計 [19-20]。Browser 端采用目前流行的 HTML5，CSS3 技術和流式布局技術，能夠自動適應 PC，Pad，手機等顯示器的大小，方便用戶使用。

3.2 遠程手動控制實驗

本文以登封一豬場作為實驗地點，該豬場的面積約為720 m2，共 5 棟豬舍，約 100 個下料口，1 200 頭豬?，F場設備部署完成后，試驗了在手動控制模式下，通過無線遠程方式來控制設備的運行。

試驗方法 ：使用一臺電腦的瀏覽器登錄液態(tài)料線監(jiān)測平臺，通過點擊實際運行中最常用的點控按鈕來控制設備運行。實驗完成后，在數據平臺系統的后臺輸出界面輸出信息，如圖 8 所示。本次測試共點擊了 10 次點控按鈕，從輸出信息可以看出，在現場網絡信號良好的情況下，從控制指令發(fā)出到設備回復用時均可控制在 2 s 以內，且指令都能夠成功執(zhí)行?？梢姡瑸g覽器、數據服務器、采集終端、PLC 控制器、飼喂設備的控制鏈可靠性強且實時性好，達到了預期效果。

4 結 語

本文簡要介紹了基于物聯網技術的液態(tài)料飼喂遠程監(jiān)控系統的設計方法和系統開發(fā)的主要流程，然后檢測實際應用效果。通過研究和應用表明，該系統通過使用物聯網技術，實現了飼喂設備與嵌入式采集終端之間、終端與數據服務器之間、服務器與用戶之間的信息交換和通信，實現了豬舍液態(tài)飼喂的自動化、飼喂信息的精準調控和遠程實時監(jiān)控 [21]。該系統的功能還可以拓展到對豬舍環(huán)境的自動監(jiān)控，實現讓豬舍長期保持最適宜生長環(huán)境的目標，在農牧領域具有很好的應用發(fā)展前景。