基于新型物联网的蚕室环境管理系统设计与应用

孙孝龙 吴洪昊 周卫阳 施建军

1(江苏联合职业技术学院盐城生物工程分院 江苏 盐城 224051)2(江苏省蚕种管理所 江苏 无锡 214151)3(盐城思源网络科技有限公司 江苏 盐城 224005)

0 引 言

物联网是继计算机、互联网和移动通信发展之后世界信息产业第三次革命的核心技术，是国家重点发展的战略新兴产业之一。农业物联网技术在大田种植、棚室栽培、畜禽水产养殖等领域有十分重要的应用，它以实际数据为基础，以生物的科学知识为依据，能有效规避传统农业生产过程中的盲目性，实现生产过程的智能化控制和科学化管理，进而提高农业资源利用率和劳动生产率[1-3]。本设计所指的蚕室环境主要指催青、小蚕共育、大蚕饲育、上蔟保护、杂交制种、蚕种保护与冷藏等蚕桑生产所需的室、棚、库等环境。传统方式对蚕室温度、湿度、光照、气流以及家蚕生长发育进程等环境进行的观察与调控，完全依靠人工进行调节、记录和监管，经常会出现环境因子波动幅度大、过程记载不清、监管失控等生产事故。随着农业科技的快速发展，蚕桑产业转型升级、结构调整进程加快，劳动力紧张、人员老化、生产效益低下等问题越来越突出，这种蚕室环境调节与监控的手段与现代农业发展格格不入，严重制约着当前蚕桑产业发展的迫切需求。本研究基于物联网技术，设计蚕室环境管理系统，为蚕桑生产工厂化、精准化、智能化提供科技服务[4-5]。

1 蚕室环境参数及特点

蚕室的环境因子主要包括蚕室内、外温度，内、外湿度，光照强度，气流速度、CO2浓度，CO、NH3、SO2等有害气体浓度等。通常条件下，蚕室经常会遭受大风、连阴雨、高温、闷热、冷空气、污染气体等不利环境条件，造成养蚕或制种生产遭受严重影响，导致蚕茧、蚕种减产甚至绝收。而采用物联网技术，运用信息管理模式，蚕室环境参数通过各类设备智能调控，能保证养蚕生产、蚕种生产在适宜的环境条件水平，不仅省力省工、生产安全，而且能有效提高蚕茧、蚕种的产量和质量。蚕室环境中需要调控的因子主要为温度、湿度、光照强度、CO2浓度、气流速度、调控实况和有关有害气体浓度等。根据养蚕或蚕种生产环境要求，设定主要环境因子的参数阈值和告警上下限，确保生产安全、稳定、优质。

2 方案设计

2.1 总体方案

根据蚕室环境调控目标及参数特点，以物联网技术为依托，设计蚕室环境信息管理系统，实现蚕室环境参数的全面感知、精准传输和智能处理。系统综合运用信息管理、自动监测、动态模拟、虚拟现实、精确控制、网络通信等现代信息技术，以蚕室环境要素与工作过程的信息化为主要研究目标，通过解决环境的信息化管理、状态的自动化监测、过程的数字化模拟、系统的可视化设计、知识的模型化表达以及管理的精准化控制等实际问题，构建蚕室环境管理系统框架(图1)。并通过筛选支撑物联网应用的设备和仪器，实现蚕室环境监测、预测、设计、管理、控制的数字化、精确化、可视化、网络化，从而提升现代蚕桑业的综合管理水平和核心生产力。

图1 基于新型物联网的蚕室环境管理系统框架图

系统根据养蚕和蚕种生产管理的工作特点，通过选取适宜的电子传感器，将家蚕生长发育实况，室内、外温、湿度变化，光照强度，气流速度，CO2浓度，CO、NH3、SO2等有害气体浓度等环境因子进行感知采集，通过网络传输到计算机控制中心，再通过数据分析和处理，将结果信息反馈到计算机界面或手机终端。用户可以实时现场或远程进行观察、查询、监视、调控、咨询、日志管理、产品质量追溯。该系统能对催青、小蚕共育、大蚕饲育、上蔟保护、蚕种保护与冷藏等生产环境进行智能监控管理。系统具有很强的可扩展性，使用物联网技术，养蚕基地无需自己建立数据库服务器，可通过专业的网络数据中心(政府或公司的)同时管理辖区内若干个基地的情况，每个基地可安装若干个传感器。各基地的管理人员可通过PC或手机上网查看管理基地的生产情况，增减、设置、调整相关蚕室环境的报警参数和维护自己的生产记录。

2.2 系统设计

管理系统基于B/S结构设计，采用Winform应用程序，运用WebService技术实现网站数据库和Winform数据库的共享。系统包括环境数据采集、数据传输、数据处理、操作应用四个模块，每个模块完成相应的功能[6-8]。

2.2.1数据采集模块

数据采集主要负责蚕室环境内、外温、湿度，光照强度，气流速度，CO2浓度，CO、NH3、SO2等有害气体浓度等数据的感知、采集和控制。该模块主要包括RTU设备和环境因子传感器，如温、湿度传感器、光照幅度传感器，CO2传感器、气流速度传感器等，采集产生0～5 V的数据值，并进行数据初步分析。用户可对各参数预设报警值，当采集的现场参数达到报警值时，蚕室管理者可获得手机报警，以便对蚕室环境及时调控、维护。

2.2.2数据传输模块

作用于数据感知、数据分析和操作应用之间的信息传输，包括数据感知的设备有线或无线连接，与互联网、通信网进行数据融合的网关，以及可以将底层感知数据传输到应用层的互联网传输。数据传输模块设计包括蚕室局域网和远程广域网，能够安全可靠并广泛地互联，实现蚕室操作应用和远程用户对数据的获取和决策命令的下达。远程局域网采用互联网及GSM通讯相结合的技术，运用无线GPRS传输技术，使用移动或联通网对所采集的数据进行实时、稳定的传输，并送达计算机控制中心数据库。

2.2.3数据处理模块

控制中心的数据处理包括数据存储、数据分析、智能控制、人机交换四个部分。数据存储提供建立蚕室环境数据库和设备状态数据库，完成感知采集数据的基本处理。数据处理通过采用软件补偿、分布图法和取平均值法消除感知数据的误差影响，不仅完成数据存储、添加、修改和查询，更实现了智能化分析、处理。智能控制采用模糊控制策略和变结构模糊控制方法对蚕室环境因子及参数进行智能控制，能获得良好的数据精度。RTU设备将环境参数收集、存贮起来，并通过无线GPRS网络实时传送和反馈给用户终端。基于用户的智能化管理思维和蚕室环境自动化监控模式，设计人机交互界面。控制中心将进程状态、数据监测、调控指令等信息进行实时网络发送，并接收用户的反馈信息进行相关调整；管理员通过电脑界面或管理终端接收信息，进行相应的观察、监控、调整或咨询，并根据管理具体情况，调整相关设置，维护系统运行，提高管理系统的稳定性、及时性和精准性。

2.2.4操作应用模块

系统通过网络计算机界面或远程终端实现用户操作应用。用户管理操作包括了数据查询、实时监控、控制输出、参数设置、知识咨询和实时调控等。系统采用AJAX图表实时显示技术，对所采集的数据全部存入中心数据库，便于历史数据的查询和对数据曲线进行分析显示。对连接在RTU设备上的蚕室农业装备，管理人员可现场或远程进行开、关运行控制，并显示出当前设备状态，实现了对蚕室环境的自动化控制。各基地可分别使用不同的用户名和密码进入系统，实时查看各自基地监控点的视频和蚕室环境数据，并可以实时控制多个设备的开与关[9]。

3 系统功能

3.1 实时监控功能

系统可在线实时监控蚕室环境的温度、湿度、光照、气流、空气质量等多种对养蚕或蚕种生产影响显著的环境因子，以及蚕室内各类连接设备的状态信息，也可以通过视频在线，实时观察、记录到相关基地、各个蚕室环境中家蚕、蚕种的生长发育状态，实现了无人化值守、自动化调节、全程化日志、告警式督查。蚕室环境参数、家蚕发育进程和辅助设备状态的相关信息，既可以在现场控制系统界面显示，也可以在控制中心管理平台获取，还可以通过网络浏览器或智能终端软件查看。

3.2 精准调节功能

系统能通过多种调节方式维护蚕室环境在家蚕发育的适宜水平。在满足现场进行手动控制调节的同时，系统可以对蚕室环境参数进行智能调节控制。一是在环境因子设置参数范围内，系统通过PLC读写，运用模糊算法，自动调节辅助设备的运行状态，精准控制蚕室环境因子水平的高低；二是针对温度、湿度，有毒气体等监控关键因子。管理用户通过控制中心对监控的信息发来的告警，通过远程平台或终端进行精准调节。

3.3 智能管理功能

管理系统通过计算机监控平台实现蚕室环境信息的智能管理，完成蚕室环境控制的高效、安全、优质。主要功能包括环境因子的参数设置、数据采集、状态监测、数据传输、指令输出、数据管理、日志查询等。其中，参数设置完成环境因子阈值的设置以及调节目标值的设置；数据采集实现对感知数据的采集和存储；状态监测实时监控家蚕发育进程以及辅助设备运行状态；数据传输完成感知信息和反馈信息与控制中心的双向传输；指令输出负责智能决策的下达和响应；数据管理实现对数据的采集、传输、存储、查询、更新；日志查询实现蚕室环境以及家蚕生长发育阶段的全程记录、查询、追溯。

3.4 专业咨询功能

系统把用户的需求问题转化为方便咨询的知识和规则，建成养蚕、制种生产知识库，提供给管理信息平台。管理用户可以通过网络浏览器或远程操作软件，访问知识信息系统，接受知识查询、专家咨询、微视频学习、在线答疑等专业化信息服务。

4 实验与结果

本系统分别在江苏省蚕种管理所(无锡蚕种冷库)的蚕种催青室、江苏省如东县蚕桑站蚕桑示范户(栟茶镇)的家蚕人工饲料共育室以及盐城生物工程高等学校实习蚕种场(建湖县上冈镇)的制种室和保种室等进行了综合实验和推广应用，在蚕室环境数据精准采集、智能监控管理、参数优化调整、快速响应调节、知识学习提供等方面取得了显著的成效。

4.1 数据采集

系统对温度、湿度、光线、空气质量等蚕室环境因子数据实时采集、传输，并通过专业数据样本学习，对数据进行信息识别、筛选、存储，可轻松比对标准环境参数，通过监控平台(现场或远程)实时提供用户需要的管理信息或发出超值报警信息。调查表明，在蚕桑生产常温常湿环境(24～25 ℃，75%～80% RH)下，系统数据采集准确率可达99.86%，比传统人工采集提高了11.26%；光照强度、流动风速、空气质量数据以及存储准确率达100%，应用效果远远超出人工作业直观感知，以及记录保存数据的方式。系统应用大大提高了蚕室环境精准化管理水平[10]。

4.2 智能管理

系统计算机控制中心利用神经网络结合CNN深度学习算法对数据样本不断学习训练，将采集来的数据存放在控制器的内存，经过模糊控制分析及处理，实现对数据的传输、存储、查询、更新。应用实验表明，系统通过现场无人值守、远程登录查看以及日志查询实现对蚕室环境以及家蚕生长发育阶段的全程记录、查询、追溯，能完全满足蚕桑生产对蚕室环境实时监控和实时调控。与一般生产管理对照比较，用工节省了82.50%，综合生产效率可提高62.75%。除特殊次氯酸消毒、强酸腐蚀环境外，系统应用基本上实现了蚕室环境远程智能化管理。

4.3 参数调整

蚕室环境因子标准参数的确定和设置是系统应用安全性、准确性、稳定性的关键。实验表明，针对蚕种催青的温、湿度环境，系统控制室内温度、湿度参数参数上下浮动不超过0.5 ℃、0.25 RH，在催青后期高温感光阶段上下浮动不超过0.25 ℃、0.12 RH。特别注意，在高温、多湿环境中，要及时通风、换气、加温、补湿，使CO2浓度控制在200 ppm以下，CO、SO2等有害气体设置为临界点“发现预警”。若室内含量超标，启动系统预警模式，及时采取通风换气措施进行系统防控，或人工干预进行综合治理。在系统运行测试和推广应用中，系统能够实现对蚕室环境的实时监控、实时调控以及智能调整，大大增加了参数标准设置的科学性、精准性[9]。

4.4 快速响应

在蚕室环境管理生产上，用户最担心的是现场实际环境因素发生了变化，而系统显示正常或反映迟缓，会给蚕桑生产带来无法弥补的损失。实验表明，本系统智能管理，不仅可以达到全方位人工值守的“放心”效果，而且通过系统深度学习模糊算法对蚕室环境的实时监控及智能调整，大大提高了准确度和信任度，省力、省工，极大地提高了管理效益。同时，系统通过参数偏差自我纠错和现场生产状态视频监控对比，具备提前预警和异常警戒功能，达到了响应快速、调控可靠的管理要求，增加了系统的安全性和稳定性。

4.5 专家咨询

系统设置与蚕桑专业群落数据库(专业知识库和精品课程库)连接的知识咨询接口，将专业知识信息系统纳入计算机智能应用控制系统。用户通过现场显示器界面或远程客户终端，可以随时访问知识信息系统，进行知识查询、课程学习、微视频学习、典型案例分析、专家咨询或开展在线答疑。系统推广应用，不仅实现了生产项目的智能管理，而且经过进一步产教融合开发，优化了蚕室环境保护的标准方案，也弥补了系统设计缺乏针对性的缺陷，使系统设计和应用更加符合实际应用。

5 结 语

随着农业物联网的快速发展，新型农业物联网管理系统已逐渐成为现代高效农业转型升级的助推器。本系统基于新型互联网与蚕桑技术，产教融合开发设计，结合数据样本CNN深度学习算法，实现了蚕室环境工厂化、精准化、智能化管理，大大提高了生产自动化水平和管理效益。

鉴于当前各种用于农业物联网设备及设施口径不一，功能与标准多样，特别是针对蚕室环境设备的防水、防雾、防酸、防毒等性能还不高，普遍存在低成本和高通用性，因此，难以实现系统中传感设备的统一化研发，这给蚕室环境数据信息的监控、识别、收集、传输带来障碍。完全满足蚕室特殊环境高质量智能管理的需求，需进一步探索[11]。

系统将从强化行业标准性与普遍适应性，研究开发统一标准的接口，方便多个用户体验使用以及挖掘农业大数据。进一步提高数据样本学习、模糊处理质量，充分运用筛选冗余的数据，利用大数据算法，对已有的数据进行过滤，进一步提高服务的针对性、精准度。