引 言

隨著我國(guó)養(yǎng)豬行業(yè)向工廠化、集約化生產(chǎn)模式的快速轉(zhuǎn)變，我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)戶采用的干飼料飼喂模式已經(jīng)不適合現(xiàn)代化養(yǎng)豬行業(yè)。目前，丹麥、德國(guó)等國(guó)家約有 30% 的養(yǎng)殖場(chǎng)已經(jīng)開始采用液態(tài)料飼喂模式來養(yǎng)豬，由于豬對(duì)液態(tài)料的采食量大且營(yíng)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(tǒng)通過計(jì)算機(jī)控制設(shè)備將固體料或液體料按照配方自動(dòng)配料并攪拌均勻，再按照飼喂曲線精準(zhǔn)控制每一頭豬的飼喂量。系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，降低了勞動(dòng)成本，且液態(tài)料采用管道運(yùn)輸，降低了豬舍內(nèi)的粉塵含量和飼料的浪費(fèi) [2-3]。

目前，液態(tài)飼喂系統(tǒng)研究已經(jīng)有了突破性進(jìn)展。高巖 [4] 等深入分析了液態(tài)飼喂系統(tǒng)在生產(chǎn)中的優(yōu)勢(shì)并對(duì)液態(tài)飼喂系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工作原理做了深入分析。徐峰 [5] 等設(shè)計(jì)了基于Profibus 總線的全自動(dòng)液體飼喂系統(tǒng)，通過 PLC 分散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)液態(tài)飼喂的精準(zhǔn)控制。但這些系統(tǒng)都是直接架設(shè)在豬場(chǎng)本地，受地理位置限制較大，因此本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的液態(tài)料飼喂遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)與液態(tài)飼喂系統(tǒng)相結(jié)合 [6-8]，突破了液態(tài)飼喂系統(tǒng)受豬舍位置的限制，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)飼喂現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)化、智能化調(diào)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)按照功能可分為現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)和用戶交互平臺(tái)系統(tǒng) [9-11]。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖 1 所示。現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)飼喂流程的自動(dòng)化控制以及飼喂數(shù)據(jù)的采集和上傳，采用 PLC 控制器作為核心控制系統(tǒng)，其附加的 ARM Cortex-M3 嵌入式數(shù)據(jù)采集終端通過 RS 232 串口按照 Modbus 協(xié)議與 PLC 通信，采集 PLC 上的飼喂數(shù)據(jù)， 再通過 GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)連接到數(shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器并從服務(wù)器中接收控制指令。

圖 1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

數(shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心，其主要功能包括終端接入、數(shù)據(jù)解析處理、將核心數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫、控制流處理以及數(shù)據(jù)服務(wù)接口的提供。用戶交互平臺(tái)系統(tǒng)允許用戶通過瀏覽器或者手機(jī) APP 來監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及查詢分析歷史飼喂數(shù)據(jù)。

2 方法及實(shí)現(xiàn)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1.1 基于 PLC 的現(xiàn)場(chǎng)飼喂控制模塊

PLC 是一種可編程控制器，具有可靠性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、便于安裝和拓展的特點(diǎn)，非常適合豬場(chǎng)復(fù)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(gè)步驟，其可操作運(yùn)行界面如圖 2 所示。

圖 2 控制系統(tǒng)可操作運(yùn)行界面圖

設(shè)備的控制模式分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種，默認(rèn)采用自動(dòng)控制模式，適合無人監(jiān)控的環(huán)境。而手動(dòng)控制模式下方便管理人員或?qū)＜彝ㄟ^ Web 頁面監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，并依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)不同豬舍的個(gè)性化要求進(jìn)行調(diào)控，設(shè)備維護(hù)人員也可以通過該模式遠(yuǎn)程調(diào)試設(shè)備，排查故障發(fā)生的原因，降低設(shè)備的維護(hù)成本。

2.1.2 基于 ARMCortext-M3 的數(shù)據(jù)采集終端

STM32 單片機(jī)是 ST 公司在業(yè)界最先推出的基于 ARM Cortex-M3 內(nèi)核的，專為高性能、低功耗、低成本嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的 32 bit 微控制產(chǎn)品 [14-15]。其內(nèi)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(wǎng)控制器等，有利于簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)外圍電路設(shè)計(jì)，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(shù)據(jù)處理服務(wù)器后，開始采集數(shù)據(jù)及監(jiān)聽服務(wù)器發(fā)來的控制指令。對(duì)于需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)則及時(shí)上傳，每隔 6 s 進(jìn)行一次數(shù)據(jù)讀取與上傳， 需要實(shí)時(shí)上傳的數(shù)據(jù)包括設(shè)備報(bào)警信息、設(shè)備各閥門的開關(guān)狀態(tài)、設(shè)備內(nèi)各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)天的飼喂量、給水量、配方和飼喂曲線數(shù)據(jù)在每天 11 ：30 飼喂結(jié)束后一次性采集上傳?？刂浦噶罘譃樾薷膮?shù)指令和開關(guān)控制指令，修改參數(shù)需要修改 PLC 控制器內(nèi)對(duì)應(yīng)內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)，開關(guān)控制指令則需要將 PLC 對(duì)應(yīng)開關(guān)的內(nèi)存從 0 置為 1 或從 1 置為 0 來產(chǎn)生脈沖，控制繼電器打開或關(guān)閉對(duì)應(yīng)閥門。

2.2 數(shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)分為基于 Socket 的網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)解析處理模塊、控制指令和數(shù)據(jù)請(qǐng)求處理模塊。系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)如圖 4 所示。

圖 4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2.1 基于 Socket 的網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)

該模塊借鑒新浪 FastSocket 開源通信框架，在模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了一個(gè)動(dòng)態(tài)連接庫 libfsocket.so 來攔截 socket，bind，listen 等并進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了多進(jìn)程擁有多個(gè) accept 隊(duì)列的模式， 適用于系統(tǒng)自身 TCP 短連接較多的情況。當(dāng)通信模塊監(jiān)聽到終端連接時(shí)會(huì)通過終端的Token 編號(hào)來校驗(yàn)終端的合法性， 如果合法則將該連接維護(hù)到連接列表中并開始接收終端上傳的數(shù)據(jù)，再將接收的數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)解析處理模塊進(jìn)行處理。

2.2.2 數(shù)據(jù)解析處理模塊

終端數(shù)據(jù)格式如圖 5 所示。數(shù)據(jù)分為 Header（數(shù)據(jù)頭） 和 Data（數(shù)據(jù)區(qū)）兩部分。Header 包含了本條數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)信息，其中終端編號(hào)作為終端唯一標(biāo)識(shí)，mType 標(biāo)識(shí)出本條數(shù)據(jù)的類型，crcCheck 是將數(shù)據(jù)區(qū)按照 CRC 校驗(yàn)算法（Cyclic Redundancy Check，CRC）產(chǎn)生的 CRC 校驗(yàn)碼，CRC 是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中一種常用的查錯(cuò)校驗(yàn)碼，用來保證數(shù)據(jù)的完整性和正確性 [16]。Data 則包含了數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容。

數(shù)據(jù)解析完成后將根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同將歷史數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)內(nèi)存中方便調(diào)用，控制結(jié)果數(shù)據(jù)直接交由控制指令處理模塊處理。

圖 5 終端數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

2019年 / 第5期 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 103

2.2.3 控制指令和數(shù)據(jù)請(qǐng)求處理模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)處理用戶在對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控時(shí)發(fā)送到服務(wù)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)請(qǐng)求和控制指令，考慮到這些需求對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，處理模塊與用戶端之間采用 WebSocket 通信協(xié)議。WebSocket 協(xié)議在瀏覽器與服務(wù)器“握手”成功后允許服務(wù)器向?yàn)g覽器推送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)二者的雙工通信，與傳統(tǒng)的長(zhǎng)連接和多輪詢方式相比效率更高、實(shí)時(shí)性更好 [17-18]。模塊處理流程如圖 6 所示。

服務(wù)器啟動(dòng)后根據(jù)配置文件開始監(jiān)聽指定端口的用戶請(qǐng)求，如果是請(qǐng)求設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，則直接從服務(wù)器內(nèi)存讀取對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)并返回給該用戶。如果是控制指令則交給設(shè)備連接模塊，連接模塊從其維護(hù)的所有設(shè)備連接中找到對(duì)應(yīng)設(shè)備并發(fā)送該控制指令。模塊內(nèi)部設(shè)有超時(shí)機(jī)制，如果設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間未回復(fù)執(zhí)行結(jié)果則重新發(fā)送控制指令，如果重復(fù)次數(shù)超過最大次數(shù)則回復(fù)用戶設(shè)備執(zhí)行指令超時(shí)并記錄到系統(tǒng)日志中。

3 應(yīng)用效果及討論

3.1 用戶交互平臺(tái)系統(tǒng)

用戶交互平臺(tái)系統(tǒng)主要包括 PC 端和 APP 端兩部分。PC端包含了平臺(tái)全部功能，適合工作人員遠(yuǎn)程監(jiān)控管理所有豬場(chǎng)。APP 端得益于移動(dòng)終端便于攜帶的特點(diǎn)，適合操作人員在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)使用移動(dòng)終端操作飼喂設(shè)備。PC 端系統(tǒng)界面如圖 7 所示。

PC 端核心業(yè)務(wù)包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、所有下料口飼喂量調(diào)整、各階段豬的飼喂曲線的調(diào)整、不同豬舍飼喂配方的調(diào)整、設(shè)備報(bào)警信息統(tǒng)計(jì)以及設(shè)備飼喂量的統(tǒng)計(jì) [19-20]。Browser 端采用目前流行的 HTML5，CSS3 技術(shù)和流式布局技術(shù)，能夠自動(dòng)適應(yīng) PC，Pad，手機(jī)等顯示器的大小，方便用戶使用。

3.2 遠(yuǎn)程手動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)

本文以登封一豬場(chǎng)作為實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，該豬場(chǎng)的面積約為720 m2，共 5 棟豬舍，約 100 個(gè)下料口，1 200 頭豬。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備部署完成后，試驗(yàn)了在手動(dòng)控制模式下，通過無線遠(yuǎn)程方式來控制設(shè)備的運(yùn)行。

試驗(yàn)方法 ：使用一臺(tái)電腦的瀏覽器登錄液態(tài)料線監(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過點(diǎn)擊實(shí)際運(yùn)行中最常用的點(diǎn)控按鈕來控制設(shè)備運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)完成后，在數(shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)的后臺(tái)輸出界面輸出信息，如圖 8 所示。本次測(cè)試共點(diǎn)擊了 10 次點(diǎn)控按鈕，從輸出信息可以看出，在現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)良好的情況下，從控制指令發(fā)出到設(shè)備回復(fù)用時(shí)均可控制在 2 s 以內(nèi)，且指令都能夠成功執(zhí)行?？梢?，瀏覽器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、采集終端、PLC 控制器、飼喂設(shè)備的控制鏈可靠性強(qiáng)且實(shí)時(shí)性好，達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié) 語

本文簡(jiǎn)要介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的液態(tài)料飼喂遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)開發(fā)的主要流程，然后檢測(cè)實(shí)際應(yīng)用效果。通過研究和應(yīng)用表明，該系統(tǒng)通過使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了飼喂設(shè)備與嵌入式采集終端之間、終端與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間、服務(wù)器與用戶之間的信息交換和通信，實(shí)現(xiàn)了豬舍液態(tài)飼喂的自動(dòng)化、飼喂信息的精準(zhǔn)調(diào)控和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控 [21]。該系統(tǒng)的功能還可以拓展到對(duì)豬舍環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)讓豬舍長(zhǎng)期保持最適宜生長(zhǎng)環(huán)境的目標(biāo)，在農(nóng)牧領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用發(fā)展前景。