田松山，黄剑林，马林，丁朝阳，马晓花
（西北民族大学电气工程学院，甘肃兰州，730030）
中国是一个农业大国，畜牧养殖业是国民经济的支柱产业之一，随着我国畜牧业的快速发展，养殖技术也随之在发生变化。但是通过对于国内多家养殖企业调研发现，大多数的养殖企业并没有对动物的健康状况并没有一个完整的疾病检测检测系统，更多的只是对于养殖场内环境的检测，以及一些自动喂食的系统。
现在我们对于动物的疫病的监测及控制更加的重视，对于畜牧产品的信息追踪要求更加严格。而现在在市场上出现的对于饲养场动物健康状况的自动记录分析装置很少，对于牲畜产品的流通过程追踪系统不够完善，且价格高昂，局限性较多，对于养殖技术的推广和发展有一定的影响。许多的饲养场没有系统的免疫程序，不按程序设防，“重养轻防，轻防重治”的思想意识十分严重，而且疫苗保存使用不当、免疫效果低下，这些都容易导致动物疫病传播，给动物疫病防控带来隐患。
针对上述问题，本项目设计出了基于大数据和现代通信技术的饲养场动物健康状况记录分析装置，利用大数据的5V特点：Volume（大量）、Velocity（高速）、Variety（多样）、Value（低价值密度）、Veracity（真实性），对于大量数据的处理分析更加科学合理，可以更加方便高速快捷真实的实现对于饲养场动物的采食量以及相关数据的分析进而对动物的健康状况做出最终的记录和分析，同时依据现代通信技术与RFID技术，实现对于牲畜产品自养殖至屠宰出售全程追踪，以及牲畜的治疗记录、免疫记录等等的可视化处理，极大的方便了人们对于牲畜的管理。
1 系统总体设计
本项目是基于大数据和现代通信技术而设计出的饲养场动物健康状况记录分析装置，利用RFID技术以及舵机模块、语音识别模块、按键模块、温湿度传感器、显示屏模块、红外测温传感器、称重模块等组成。各类传感器模块对于动物的采食量、体温、体重等数据上传至云端从而实现对于动物健康状况的检测和监控，在云端对大量数据结合软件算法进行处理分析，最终达到可以方便、高速、快捷、准确的实现对于饲养场动物的健康状况做出判断并进行记录和预警。
本项目的目的是解决现代智能养殖中对于动物健康状况情况的检测，涉及了防疫问题、奶牛产量检测以及对于饲养场环境条件的检测，同时还包括牧产品自饲养场至屠宰售卖的全程追踪，在动物出现问题的第一时间发出警报，降低了损失，极大的方便了管理者的管理压力。同时项目具有很好的扩展性，例如对于动物的族谱、出生死亡、以及配种等信息的记录和统计，可以方便管理者对于动物的数据进行详细处理，更好的促进推现代技术在养殖业中的发展和推广。其系统框图如图1所示。
图 1 系统框图
2 系统硬件设计及实现
■ 2.1 系统主要功能
本项目主要实现的功能是对于饲养场动物身体健康状况的检测以及预警，同时也具备对于饲养场内温度、湿度、光照强度等的数据检测和报警等功能，并且可以通过云端下发命令，达到控制风扇、电机等以实现调节饲养场内部温度、湿度的功能，系统扩展性较强。可帮助饲养人员更好的管理饲养场，减少劳动力消耗，使牧场管理更加便利，促进国内养殖技术的发展。下面介绍一下本项目的一些主要功能：
（1）饲养场环境情况检测，使用各类传感器获取饲养场内温度、湿度、二氧化碳浓度、挥发性有机化合物浓度等信息，并且可以将信息显示在本地OLED显示屏上，同时也可以将数据上传至云端，显示在网页上，以供管理人员随时随地查看。
（2）体温体重数据检测，通过红外测温模块和称重模块，将动物进食、进水时的体温体重信息获取，同时将数据及时反馈给饲养者，并且数据可及时保存至云端或本地，以便于对于动物的进食情况和健康状况进行分析，当出现异常数据时及时发出警报，提醒饲养人员。
（3）生长发育情况，通过对于动物的体重变化以及其年龄、性别等的综合分析，得出动物的发育状况是否正常，同时使用电子标签，可以将数据准确到每一头动物身上，如果出现异常数据，提示工作人员对可能出现问题的动物进行处理。
（4）进食量数据，通过动物进食前后的体重变化，得出动物的进食量数据，数据上传存储，结合现有数据，如果数据量不够，可以从网络获取相关数据进行辅助分析，当分析数据得出异常结果时及时报警提醒工作人员。
（5）产奶管理，如果是奶牛等动物，在其产奶时，同样可以使用类似的方法测得每头奶牛的产奶量，以及每头奶牛产量的变化趋势等。
本项目具备很强的扩展性，目前实现的有自动清粪功能，在云端发送命令给主控芯片，从而控制电机转动，进而带动刮板将动物的粪便集中到以其，实现自动清粪功能，本项目可以根据不同的应用场景，修改相对应的功能，满足不同应用场合不同的功能需要。
■ 2.2 系统主要硬件
当饲养场动物到达指定地方进食、喝水，使用RFID电子标签来识别每只动物的身份，这是进行数据处理的前提和基础，通过多种传感器收集其来回时的体重、体温、以及在此区域停留的时间等数据，将质量产生的重力压力信号转换成数字电信号，这是取得质量数据的核心内容，将收集到的数据发送至云端进行存储。本项目主要硬件：
（1）RFID读卡器，无线射频识别即射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID），是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对电子标签进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的。使用RFID读卡器识别动物身上电子耳标的身份信息，从而可以获取每个动物ID，以便于将数据进行正确的存储。
（2）HX711称重模块，使用称重模块，当动物在指定地方进食进水等，可以获取动物的体重信息，同动物的身份信息一同上传至云端。后期可以通过分析动物的体重变化来分析其可能出现疾病或着出现发育异常等情况，及时提示饲养员进一步确认动物身体是否出现异常并处理异常。
采用问卷调查的方式对两组患者进行两次测评,时间是在进行疼痛护理和疼痛护理干预之后,两次测试间隔为15d。
（3）红外测温模块，在对动物的体重信息测量的同时，对于动物的体温信息也及时测量并上传，随时检测动物的温度信息，体温异常及时报警提示饲养者。
（4）DHT11温湿度检测模块，采用此模块，时刻检测饲养场内部的温度湿度变化，同时该数据时刻更新至云端，并设置合理的阈值，当结果超出设置的阈值时，自动开启风扇等装置，及时调节饲养场内温湿度。
（5）SGP30环境质量检测模块，采用此模块测量饲养场内部的二氧化碳浓度和挥发性有机化合物浓度，时刻检测饲养场内部环境温度。上传至云端显示在用户终端。
（6）ESP8266物联网模块，采用此模块将传感器接收的各类数据通过路由器发送至云端，在云平台上显示动物的实时的各项数据，并且也可以通过此模块接收云端发送的数据，使得主控芯片控制电机、风扇等实现对应的功能。
■ 2.3 系统硬件设计
本项目使用12.6V的锂电池作为电源，整个系统还需要使用到5V电源为MCU以及部分模块供电、3.3V电源为部分模块供电。需要使用到两个可调降压模块使锂电池电源供来的电压分为两种不同大小的电压以满足系统需要，保证能够为MCU及所用到的模块提供其所需要的电压是使它们正常工作完成项目需求的前提。
根据MCU不同I/O口所具有的硬件资源将不同模块接在合适的I/O口上，以实现硬件资源的合理使用，此外大多数模块采用到串口通信，为了满足模块能够实现其功能并能够进行相互间的通信从而满足项目需要，需要将MCU的串口资源进行分配使其不存在冲突顺利完成项目所需要的功能。其中，SGP30环境质量检测模块使用USART1，SYN6288语音播报模块使用USART2，ESP8266模块使用USART3，RFID读卡器模块使用USART4，剩下的串口当作备用。此外MCU的定时器资源也需要合理分配给各个模块使用。其系统硬件设计电路原理图如图2所示。
图2 硬件设计原理图
■ 2.4 用户终端
通过网站将数据结果以及分析得出的动物健康状况展示给使用者，用户可以使用手机或电脑等终端，随时随地登录网站，查看饲养场的运行状况，当牲畜可能出现或已经出现疾病时及时报警，并准确给出异常牲畜的ID，提醒饲养人员及时处理。也可以远程发送指令，控制风扇、电机等的运行。针对不同的用户，可以根据用户的需求调整显示的内容，定制多种多样的页面，从而满足不同的需求。
我们采用了MQTT通信协议，首先是通过各类传感器（温湿度传感器，光照传感器，红外测温传感器等）的数值，实时上报于对外开放的公共的MQTT服务器，然后编写MQTT服务器对接获取单片机上传的信息，接着对数据进行下一步的分析，并且在云平台上定制规则，下发到单片机执行对应的操作。在单片机上使用C语言开发，获取传感器的数值，然后通过MQTT协议实时上传到MQTT的web服务器，这里我们使用的是阿里云的IoT Studio服务，同时可以将采集到的数据接入阿里云的数据库服务当中，进行进一步的分析，并最终将结果展现在网页上，供用户使用。
软件部分的工作流程为：接收数据时，对传感器进行软件智能化补偿校正，这将会提高传感器精度，接着判断数据是否完成，若没有完成，则重新进行接收，完成之后，对数据进行分类处理，并结合大数据进行分析学习，一方面利用历史数据对于动物当前数据进行分析判断动物是否可能发生了疾病，并进一步采集相关动物的数据，以便于得出最终较为准确的结果，如果出现疾病则报警提醒饲养者。另一方面，由于一次一次的数据处理、存档，系统自身功能也将得到完善和加强，对于动物可能产生的疾病，例如：感冒、消化道疾病、呼吸道疾病等等，动物在患相同的疾病时的一些数据会有一些相似的特征，通过这些特征，系统将可以对于动物在某些病症的早期数据进行匹配，从而达到可以预测该种病症的发生，相应的可以提前让用户做好相应的应对措施。
同时用户可随时自主进行选择需要显示的信息，如动物的产奶量变化，体温体重数据、环境数据等。监测各个方面的具体情况，同时对各项数据做出分析判断，如果出现异常，则报警提醒管理人员处理异常。最后是通过RFID技术实现对牧产品的全程追踪，动物的电子耳标标码是终身携带的，通过这个电子标码可以追溯到这头牲畜的生产场、收购场、屠宰场、以及销售流向。这样如果发生疫情和畜产品质量等问题，即可追踪（追溯）其来源，分清责任，堵塞漏洞，同时利用标识功能，有利于打击售卖病死牲畜的一系列参与者，监管国内畜产品的安全，确保民众食用到健康的牧产品。其系统流程图如图3所示。
图3 系统流程图
3 系统软件设计及实现
4 总结与展望
本项目设计的“基于大数据和现代通信技术的饲养场动物健康状况记录分析装置”在模拟的饲养场环境下，各模块运行正常，响应较快，数据上传及时，可以在网页端随时随地查看饲养场动物的生命体征，以及饲养场的环境情况，并且可以在网页端下发命令控制风扇等的运行，或者通过系统设置的阈值，当数据超出设置的阈值时自动运行风扇。本项目设计的该装置具有一定的使用价值，可以适用于多种动物的养殖，例如牛、羊、猪等，但是功能还不够完备，比如数据处理还有一定的问题，缺少一种较为完美准确判断出动物的健康状况的算法，数据量较少，对于动物早期疫病数据匹配失误率较高，后期将针对多种动物分别建立对应的数据库，提高结果的准确率。
根据市场需求，本项目的设计与实现，可以促进我国规模养殖场的升级，针对不同规模以及不同类型的牲畜养殖给出相对应的解决方案，扩大其应用范围，提高养殖效率，大大减少劳动力消耗。最终达到从根本上改变现有生产模式，实现资源完全使用，让中国的畜牧业变得更加科技化、智能化。
