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基于分布式对象的蛋鸡舍设施养殖数字化智能监测系统

更新时间：2019-12-12 16:52:27 大小：2M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：分布式对象智能监测系统物联网 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

为了在非人为干扰条什下,可实时监测预警蛋鸡生产环境和生产过程,保障动物福利,本文基于可被远程调用的分布式对象的3 Tiers物联网软件体系结构,将传感器技术和云技术结合在一起,设计了蛋鸡舍设施养殖数字化智能监测系统.3 Tiers物联网软件架构考虑了大量的异构数据集成和对传感器设备的监测、远程交互性能的需求,满足了本研究中对规模化蛋鸡生产过程的研究要求.系统实现了规模化蛋鸡舍的实时生产环境参数采集和视频监控、生产资料管理、生产过程管理、基础信息管理、统计管理、预警设置管理、系统管理和推送管理功能.考虑到温热环境对蛋鸡健康福利和生产性能有着重要的影响,利用系统中的大量环境数据,对中国农业大学上庄实验站大鸡舍内的小气候环境舒适度进行评价,并结合产蛋率、死淘率和耗料,在黄山养殖场对环境舒适度评价进行了验证.通过对上庄鸡舍24 h周期内和2016年11月-2017年4月的环境情况进行分析,结果表明实验蛋鸡舍内的小气候环境温湿指数始终小于70,蛋鸡群始终处于舒适区;而通过对养殖场鸡舍2016年7-10月份的环境数据和生产数据进行分析,验证了当蛋鸡处于舒适区时,产蛋率提升,死淘率下降,耗料更接近标准.

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2 O

7年10月

农业机械学报

第48卷第10期

doi：10．6041／j．issn．1000—1298．2017．10．037

基于分布式对象的蛋鸡舍设施养殖数字化智能监测系统

王

孟超英1

佳1

陈红茜2，3

李

辉1

(1．中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083；2．中国农业大学网络中心，北京100083；

张雪彬1

3．中国农业大学水利与土木工程学院，北京100083)

摘要：为了在非人为干扰条什下，可实时监测预警蛋鸡生产环境和生产过程，保障动物福利，本文基于可被远程调

用的分布式对象的3Tiers物联网软件体系结构，将传感器技术和云技术结合在一起，设计了蛋鸡舍设施养殖数字

化智能监测系统。3Tiers物联网软件架构考虑了大量的异构数据集成和对传感器设备的监测、远程交互性能的需

求，满足了本研究中对规模化蛋鸡生产过程的研究要求。系统实现了规模化蛋鸡舍的实时生产环境参数采集和视

频监控、生产资料管理、生产过程管理、基础信息管理、统计管理、预警设置管理、系统管理和推送管理功能。考虑

到温热环境对蛋鸡健康福利和生产性能有着重要的影响，利用系统中的大量环境数据，对中国农业大学上庄实验

站大鸡舍内的小气候环境舒适度进行评价，并结合产蛋率、死淘率和耗料，在黄山养殖场对环境舒适度评价进行了

验证。通过对上庄鸡舍24

h周期内和2016年11月一2017年4月的环境情况进行分析，结果表明实验蛋鸡舍内的

小气候环境温湿指数始终小于70，蛋鸡群始终处于舒适区；而通过对养殖场鸡舍2016年7—10月份的环境数据和

生产数据进行分析，验证了当蛋鸡处于舒适区时，产蛋率提升，死淘率下降，耗料更接近标准。

关键词：蛋鸡；分布式对象；物联网；环境舒适度；实时监测

中图分类号：s815；TP391

文献标识码：A

文章编号：1000一1298(2017)10—0292—08

for

House

Based on Distributed

Intelligent Monitoring System

Object

Layer

MENG_Chaoyin91

LI Huil ZHANG

Xuebinl

WANG Jial CHEN

Hongqian2，3

qnd EzeccricⅡz

(1．Cotsege《f币rmⅡtion

Engineering，ChiHq Agric“l￡Mr。z U弛妇ersity，Be瑶ing 100083，Chi他o

100083，C^ino

2．Ⅳe￡训or矗Cen把r，C^inⅡAgricMZfurnf Uni却ersi￡y，口e玎ing

ResoMrcesⅡnd

3．cozzege o，I阢￡er

ci口“E凡gineeri，。g，c^ino AgricMf￡“rof uni口e，ji￡y，Be玎ing 100083，c^inⅡ)

In view of the

situation that the

the traditional

of the f}om

layer breeding industry

Abstract：

present

development

methods cannot meet the of

requirements

scattered to intensivc and

large—scale，

breeding

warn the

egg production

the

In order to real· time monitor and

environment and the

early

hens under the conditions of non—human as weU as the

interfbrence，

development．

production process

laying

welfare， 3Tiers，

of animal

protection

the

software architecture based on distributed

networking

objects

that can be called

the sensor

and cloud

used to

remotely， combining

technology

technology，was

develop

house real-time

3Tiers

software architecture took

layer

monitoring system．

networking

sensors

integration

large

and interactiVe

remote

with

performance

amounts of

sensors into

demand of

heterogeneous data，the

which

monitoring

The

met the

realized

consideration，

house real—time

totally

requirements

environment

parameters acquisition

scaling farming．

system

and

video

real—time

scaling layer

production

basic information

monitoring， production management， production process management，

management，

statistical

and

functions．

push management

management，early warning management，system management

the

welfhre of

the thermal environment had an

health and

hens and

laying

Considering

important impact

in the

used

to evaluate the

number of environmental data

was

production performance．

large

system

Agricultural UniVersity Shangzhuang

henhouse in were used to

microclimate environmental comfort in China

death rate and f色ed

Station． Then

egg

the

production rate，

consumption

Huangshan

Verify

of the environmental comfon． The resuhs showed that

the 24

and the whole

cycle

evaluation

during

value of the mjcroclimate

h．om November 2016 to

environment

the

house

1ayer

period

Ap“l 2017，the

收稿日期：2017一叭一25修回日期：2017—02一14

基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFD0700204)

作者简介：孟超英(1958一)，女，教授，主要从事计算机科学与技术研究，E—mail：mcy@cau．edu．cn

万方数据

293

第lO期

孟超英等：基于分布式对象的蛋鸡舍设施养殖数字化智能监测系统

in the

Station was less than

which meant that the

hens was

laying

Shangzhuang

70，

group

always

comfbrt zone． With the environmental data and

data

of a henhouse ftom

July

production

analysis

zone，

was

rate

the

increased，

0ctober of 20

verified that when

hens were in comfort

6，it

laying

death rate was

and the feed

distributed

was more close to the standard．

decreased，

consumption

objects；

real—time

words：

Intemet of

environmental

comfort；

Key

hens；

laying

things；

monitoring

上层的构建是编程抽象模型管理，可以方便物联网

软件系统的开发。针对应用需求使用编程抽象的描

述方式，它所对应的物理实体的服务特性是异构性

和资源受限性。

引言

随着人们对禽蛋产品需求的增长和科学技术的

发展，养殖产业规模不断扩大，我国禽蛋产量在近

30年以来一直占据世界首位，是世界禽蛋总量的

40％左右。而我国的禽蛋生产结构也在不断优化变

革，蛋鸡养殖产业正在逐渐由散养小规模向集约化、

工厂化发展，如何在没有人为干扰的情况下实时获

取蛋鸡的生产过程信息和养殖环境数据，并且对这

些数据信息进行整合分析以便进行科学管理都是亟

需解决的关键技术问题¨ 。1。目前许多物联网系统

大多停留在使用传感器采集数据并初步展示的阶

段，或是小规模示范应用，采集到的数据没有经过处

理分析和决策预警。

3coFramework¨ 叫是一种基于分层Component

(组件)的软件体系结构，将物联网软件部分分为位

于物端的数据层组件、位于云端的信息层组件、知识

层组件和表达层组件4层。4层组件由被协调器

(Coordinator)管理的连接件(connector)连接构成一

个完整的物联网系统。针对应用需求使用业务流抽

象的描述方式，它所对应的物理实体的服务特性是

异构性、大规模性和不完整性。

Tiers。1¨ 架构中的Tiers就是层的概念，一个

Tier不是一个单一的前端或后端，而是一个具有特

定功能的计算机软件和硬件的组合。3Tiers是一个

将云端和物端，也就是云服务和物理实体服务结构

结合在一起的一个物联网软件体系结构，具体的分

层如图1所示。物端环境层的物理组件提供了感知

和执行物理实体世界的服务，可以采集物理设备数

据并与之交互；云端服务层是提供数据的存储运算

分析等功能；云端控制层组件则包括物理组件监测、

服务注册查找与动态组合、接口适配以及服务失效

本文旨在使用物联网技术对规模化堡鸡养殖现

场环境和生产过程的数据进行获取和计算分析反

馈，采用物联网软件体系结构将传感器设备与互联

网连接，实现智能化识别和监测管理蛋鸡养殖生产

过程口。41，并根据温度、相对湿度、二氧化碳浓度、氨

气浓度和温湿指数(Temperature-humidity index，

THI)来对中国农业大学上庄实验站大鸡舍(以下简

称上庄鸡舍)内的冬季小气候环境进行舒适度评

价，并结合产蛋率、死淘率和耗料，在位于黄山的大

型规模化养殖场父母代场一区(以下简称黄山鸡

舍)对环境舒适度评价进行验证。

管理。

一

：云端一控制层

基于分布式对象的物联网软件体系结构

|筌卜鬯

物联网被广泛地应用于农业领域的各个方面，

并对农业信息化和精细化管理等方面起到重要的推

动作用¨ 。1。针对复杂多变的应用范围和实际情

况，物联网软件体系结构可以用来定义应用系统的

构建模型和交互拓扑，从而可以解决物联网构建过

程中面临的不同应用系统互联互通、信息资源共享、

异构数据集成、动态维护系统等问题旧o。

^}匪}趣咽^{云端一服务层}

}巨卜母

}物端一环境层Ⅵ

图1

基于分布式对象的3Tiers软件体系结构

3Tiers software architecture based on distributed

Fig．1

objects

常用的基于可被远程调用的分布式对象的物联

网软件体系结构有Physicalnet、3coFramework、

在Physicalnet、3 CoFramework和3Tiers这些物

联网应用系统软件结构中，3Tiers架构采用基于云

端和物端之问的协同工作模式，采用分布式服务发

现方式和动态的服务组合方式，它所考虑的物理实

体的服务特性是异构性、与物理世界的交互性、动态

Tiers。

PhysicalnetH。架构是基于轻量级分布式对象，在

物端的构件为感知服务和网关服务，在云端负责服

务仓库连接物端的构件，以及相对应的服务解析，最

万方数据

农业机械学报

转。RFID标签和阅读器主要是应用于平养养殖模

性和不完整性，比其他两种参考模型多考虑了软件

与物理世界的交互性和动态性，并且在控制层的设

计中对应设计考虑了物理组件的监测、配置等来实

现物理实体的服务特性。3Tiers相比较其他的基于

分布式对象的软件体系结构更加适用于构建开发系

统复杂且规模较大、可用于远程调用物理实体和互

动的物联网应用系统。因此，本研究中针对规模化

蛋鸡养殖中大量异构数据集成和对传感器设备的监

测、交互性能的需求，采用3Tiers基于分布式对象的

物联网软件体系结构，开发蛋鸡舍设施养殖数字化

智能监测系统。

式下的蛋鸡舍内，在试验区域内的所有蛋鸡腿上捆

绑有RFID标签，在特定的试验区域底部放置RFID

阅读器以读取目标蛋鸡的相关信息。所有的RFID

数据信息均可通过串口通信在现场服务器上获取并

汇总显示。

软件设计

3．1

系统软件总体架构

基于3Tiers物联网软件体系结构，利用物联网

技术和云计算技术，实现对规模化蛋鸡养殖场的环

境参数和生产过程等的实时监测和异地多鸡舍异构

数据源的集成化管理。针对异地多鸡舍的蛋鸡舍物

联网监测系统的数据采集和处理，系统采取分散监

控、集中操作的管理方法。详细的软件总体架构如

图3所示。异构数据源包括图片、音频、日常报表、

视频、环境参数、RFID数据、设备状态、生产资料和

生产数据等，采用基于json中间件的数据集成方

法，可以屏蔽数据源的异构性，使得所有数据可以在

现场服务器上的数据中心进行统一管理和分析；也

方便平台对外提供统一透明的数据访问接口。

硬件设计

蛋鸡设施养殖数字化智能监测系统在硬件设计

上采取分散监控采集、集中操作的方法。在不同的

鸡舍内根据实际养殖现场情况和需求，会对其进行

有针对性的传感器部署，包括环境传感器、摄像头、

拾音器和RFID采集设备。本系统适用于规模化养

鸡场，具体的物联网监测系统硬件架构如图2所示。

所有的物理组件(相关的环境参数传感器、摄像头

和拾音器、RFID标签和阅读器)采集到的数据先存

储在现场服务器上。其次，现场数据经由Kafka集

群同步到远程服务器上，终端的用户可以使用计算

机和智能手机来访问服务器上的数据。

现场服务器卜_—叫因特网卜——叫分布式消息中间件

json中间件

远程weh服务器

器

髑嘲鲷

图2蛋鸡舍物联网监测系统硬件架构图

Hardware architecture

of real—time

diagram

house

layer

Fig．2

for

system

monitoring

本系统所涵盖的环境参数传感器主要有光照传

感器、温湿度传感器和氨气传感器。考虑到鸡舍的

环境布局和对环境参数数据的准确性要求，在大规

模的栖架式养殖模式下的鸡舍内会设置多个环境参

数采集点。环境参数传感器采集到的数据通过采集

卡经由汇聚节点处传输到现场服务器上，然后由

LabVIEw编写的环境采集程序在现场服务器上实

现数据采集并存储到数据库中。

摄像头选择130万像素2．5寸红外网络云台的

海康半球摄像机，带有拾音器，可以采集声音信息，

并且使用云台来调整镜头，可以达到350。水平旋

万方数据

295

第10期

孟超英等：基于分布式对象的蛋鸡舍设施养殖数字化智能监测系统

过将这些复杂繁琐的事项由原先的纸质化变成现在

的信息电子化，不仅方便生产资料的管理，还能够通

过将这些信息进行汇总计算分析，最大化地提高管

理效率。

实时信息

慧

每日报表管理

(3)生产过程管理模块：该模块主要是针对蛋

鸡养殖生产过程中的各项活动和检测指标进行记录

生产资料管理

}[总，包括转群计划管理、免疫记录管理、药品投入

管理、健康检测管理、鸡粪检测管理、种鸡检测管理、

水质检测管理和异常情况管理。这些第一手的信息

也都是由鸡舍现场工作人员进行人工录入系统，然

后管理员对其进行审核和信息共享，本模块可以实

现对蛋鸡生产过程的各个活动和检测指标的记录和

审核，使得对蛋鸡的管理规模化和规范化。

生产过程管理

蛋鸡舍环境和

产蛋行为监测

系统

(4)基础信息管理模块：考虑到本系统会广泛

应用于多个规模化示范鸡场养殖基地，因此需要对

实验的场区、鸡舍和采集点信息进行管理。本模块

则是由管理员进行填写提交，便于对多个鸡舍数据

源信息进行分类管理。

场区管理

一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一

鸡舍管理

基础信息管理

室外环境统计

盈亏曲线监测

统计管理

预警设置

(5)统计管理模块：本模块主要是根据数据库

中已经采集获取到的室内和室外环境参数，以及每

日报表和相关的消耗信息进行环境参数和盈亏曲线

的统计分析与监测。环境参数的统计查询主要是根

据年月日来进行统计，并将数据以曲线方式展示，方

便用户更直观地了解不同鸡舍室内外的不同环境参

数的变化趋势。盈亏曲线监测功能通过绘制鸡舍每

日盈亏曲线，为管理人员提供直观的鸡舍日盈亏情

况，方便相关人员进行查看和调整生产。

环境预警设置

系统管理

一一一一一一一

图4蛋鸡设施养殖数字化智能监测系统功能模块图

Function module

of real—time

monitoring

Fig．4

diagram

house

system岛r layer

(6)预警设置模块：本模块主要是对环境参数

预警值进行设置，并管理鸡舍的环境参数预警记录。

通过在系统预定的时间点将环境参数的实时数据与

(1)实时信息模块：该模块负责鸡舍现场的环

境参数、音视频数据、栖架蛋鸡数量和蛋鸡的体质量

等实时数据的采集处理和集中展示，这些数据来自

各个鸡舍现场内外的多个采集点，相对应的环境参

数传感器采用无线通信方式，经由数据采集卡传输

到现场服务器，然后通过编写好的LabVIEW程序，

将数据传人数据库。而相应的摄像头和拾音器则主

要是通过有线通信方式，将音视频数据传入现场服

务器上的数据库中。这些实时数据会经过实时的处

理和分析后展示给具有权限的用户查看，使用户能

够直观地了解蛋鸡养殖现场的实时情况。

设定的预警阈值进行比较，系统实现自动预警，通过

系统推送预警消息，或是给相关责任人发送邮件或

短信，以便管理人员和相关责任人员对警报进行处

理解决。

(7)系统管理模块：本模块主要是对用户信息、

权限信息、每日工作日志、推送管理、推送列表和

APP下载进行管理。用户和权限管理主要是对使用

本系统的不同角色的用户设置不同的权限，并对其

用户信息进行管理。每日工作日志则是由现场工作

人员和各级管理员每天填写提交自己当天的工作情

况。而推送管理和推送列表主要是对实现在系统内

对不同的用户进行消息的即时和定时发送。APP下

载则是为所有用户提供手机客户端的扫码下载，使

得用户使用系统更加便捷。

(2)生产资料管理模块：该模块负责对生产资

料进行管理，包括每日报表、日盈亏记录、水电消耗、

水电价格和设备运行情况管理。主要由在鸡舍工作

的人员使用计算机或是手机客户端填写鸡舍的每日

种蛋数、饲料消耗、饮水消耗、用电消耗、清粪情况、

存栏数、死淘率以及相关设备运行状态和故障原因

蛋鸡舍环境舒适度分析验证

等信息，由管理人员负责审核并管理这些信息。通

环境因素是制约家禽福利和生产性能的重要技

万方数据

296

农业机械学报

术要素

。蛋鸡是恒温动物，在一定温度、湿度范

计算THI，并且使用最高温度和最低相对湿度来计算最

大THI，最低温度和最高相对湿度来计算最小THI。

由图6可以看出，从00：00开始，舍内温度一直

较为平稳，在1l：00左右达到最高值，然后温度开始

下降直到16：20左右温度开始回升并趋于稳定，平

均温度为18．79℃，最高温度为21．5℃，最低温度为

17．2℃．

围内，蛋鸡会自行调整产热和散热来维持体温恒定，

身体机能并不会受环境温度所影响，但当环境温度

过高时，动物会产生热应激反应，蛋鸡的血流速度下

降，呼吸频率上升，产蛋量严重下降；当环境温度过

低时，蛋鸡会增大采食量，减少产蛋量来维持体

温。1“。温湿指数THI通过固化温度和湿度参数

的影响权重来表达对家禽体温调节的影响规律，被

广泛运用于家禽环境舒适度评价中¨ 。利用系统

中的大量环境数据和生产性能数据，选用温湿指数

THI模型 ‘2叫来表达蛋鸡的环境舒适度，对上庄鸡

舍内的小气候环境进行评价，并进一步在黄山鸡舍

对环境舒适度评价进行验证。

誉◆

4．1

上庄鸡舍环境舒适度评价

实验环境：上庄鸡舍内设置有2列一走道的

2套蛋鸡笼养设备，笼架为东西走向，其中南侧为半

架，北侧为全架，全架的笼体长1．8 m，宽3 m，高

图6

h内上庄鸡舍内温度变化

Shangzhuang

henhouse in 24 h

Fig．6

Temperaturechange

3．4

由图7可以看出，从00：00开始舍内相对湿度

一直较为平稳，在1l：00左右开始急速下降，在

15：00左右有一个波峰，达到最大值75．5％，后又急

速下降，直到16：30左右相对湿度开始回升并趋于

稳定，平均相对湿度在59．21％，在14：00左右达到

最低相对湿度36．9％。

m。其中半架为4层全阶梯式饲养方式，全架为

3层全阶梯式饲养方式，产蛋箱均设置在笼架顶层

上方。鸡舍顶部设有3个进气口，当舍内监测的二

氧化碳浓度超过一定阈值时，使用变频风机进行纵

800只从

向负压通风，如图5所示。舍内大约有1

北京华都峪口禽业有限公司引进的蛋鸡，其中半架

200只京

有约600只京白父母代蛋鸡，全架有约1

红商品代蛋鸡。

◇芦∥，◇∥， ◇，，芦

时刻

图7

h内上庄鸡舍内相对湿度变化

Relative

Shangzhuang

Fig．7

humidity change

henhouse in 24

图5上庄鸡舍

由图8可知，从00：00开始，舍内的c0：浓度较

为稳定，从11：00开始有一个急速的下降，然后从

16：30开始c0，浓度迅速回升并达到稳定值。稳定

757

Hellll(1 L1se in

shallgzll【Jallg

cam

Fjg．5

环境数据采集时间为2016年11月1日一2017

年4月11日。温湿度传感器监测点共计16个，其

中半架笼架有8个，全架笼架有8个，每个笼架按照

上下层2个剖面分别设置4个在水平方向上均匀分

布的温湿传感器监测点。二氧化碳传感器监测点

2个，分别在蛋鸡舍内的东侧和西侧，氨气传感器监

cO：浓度为l

mg／L，最低c02浓度为568 mg／L，

415

最高c0，浓度为2

mg／L。

由图9可知，从00：00开始，舍内的NH，浓度逐

步稳定升高，从ll：00开始，NH，浓度开始迅速下

降，在14：32时达到波峰，然后开始迅速下跌至波

谷，在15：30左右逐渐上升至稳定值。最高NH，浓

测点设置在西侧舍内墙上。温湿度、二氧化碳和氨

气这些环境参数的采集频率为每分钟一次。

利用SILANIKOVEl2叫在2000年提出的公式来

度为2．6

mg／L，最低NH，浓度为0．2 mg／L，平均稳

定的NH，浓度为1．53 mg／L。

万方数据

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