基于物联网的规模化畜禽养殖环境监控系统.pdf

1、基 于 物 联 网 的 规 模 化 畜 禽 养 殖 环 境 监 控 系 统张伟1，何勇2，刘飞2，阮艳凤3(1 嘉兴学院 机电 工 程 学 院，浙 江 嘉 兴314001;2 浙 江 大 学 生 物 系 统 工 程 与 食 品 科 学 学 院，杭 州310029;3 嘉兴市宏联电子科技有限公司，浙江 嘉兴314001)摘要:规模化畜禽养殖已经成为畜禽养殖的趋势，其对环境的要求比较严格。为此，基于物联网技术对规模化畜禽养殖环境监控系统进行了设计。该系统采用簇型无线传感器网络结构，进行了智能管理模型设计。系统以 MSP430 单片机为现场控制中心，采用 FID 技术，组建猪只智能群养管理系统;依据

2、分布在养殖环境的传感器获得的环境参数，精确调整猪舍环境;采用 B/S(浏览器/服务器)模式，通过远程控制系统，实现远程实时监控。试验结果表明:该系统性能稳定，对信息的无线采集、环境自动调控及远程可视化调控均达到实际需求，适合畜禽养殖智能化精准管理，可应用于规模化、智能化畜禽养殖业。关键词:畜禽养殖;物联网;智能管理模型;簇型无线传感器网络结构中图分类号:TP274+4;S8173文献标识码:A文章编号:1003 188X(2015)02 0245 040引言畜禽养殖是经济中的一个重要组成部分，规模化畜禽养殖已经成为畜禽养殖的趋势1 2。养猪业的未来正逐步由小规模向集约化、工厂化发展。养猪业的信

3、息化管理日益重要，对猪舍内的环境调控是决定养猪业生产水平高低的重要因素3 4。目前，一些大型养猪场配置了传统的环境监控系统，采用 PLC(可编程逻辑控制器)作为现场监控中心，采用有线方式分布设备5 6。其系统布线复杂，容易造成接触不良，导致维护困难，成本也较高。李立峰7等研发了一套基于 PLC 的猪舍环境智能监控系统，改善了分娩猪舍的环境质量，提高了养殖效益。但是，该系统只对猪舍环境进行整体控制，没有进一步调节各猪栏的小环境。目前，物联网技术的不断发展与成熟，为精细农业发展中存在的问题提供了新的解决方案，并在精细管理农业环境领域取得很大的进展。Soldatos A G、刁智华8 12 等对设施

4、环境的无线监控系统信息采集做了研究;吴秋明13等基于物联网的干旱区智能化微灌系统，设计并实现了棉花智能化微灌系统。本文在前面研究的基础上，提出了一种基于物联收稿日期:2014 02 10基金项目:国家高技术研究发展计划(863 计划)项目(2011AA100705);国家自然科学基金项目(31201137，31071332);浙江省重大科技 专 项(2012C02SA400001);嘉 兴 市 科 技 计 划 项 目(2013BZ26009)作者简介:张伟(1980 )，男，山 东 沂 南 人，讲 师，博 士，(E mail)zdwnh 126 com。网技术14 18 的规模化畜禽养殖环境监

5、控系统。系统采用物联网技术及簇型网络结构设计，有效地保证了通信稳定性。同时，设计了智能化管理模型，为畜禽养殖的智慧化提供了理论基础。用户可以在线监测猪只的生长环境信息，调控各猪舍的生长小环境条件，真正意义上实现科学决策和智能控制。1系统总体方案设计1 1系统总体方案系统由感知层、传输层和应用层组成，总体方案如图 1 所示。感知层主要包括相关传感器以及相应的设备，用于采集现场的环境信息参数的采集;感知到的信息参数通过传输层上传至应用层，为最终的应用服务。图 1系统总体方案图1 2无线传感器节点设计传感器节点是组成无线传感器网络的基本元素，5422015 年 2 月农 机 化 研 究第 2 期DO

6、I:10.13427/ki.njyi.2015.02.058本系统中传感器节点结构如图 2 所示。图 2传感器节点结构图Fig2The structure of sensor node系统采用了统一的供电处理单元(市电、电池与太阳能可选)及基于 IEEE802 15 4 标准的传感器模型的思想。其中，NACP 为网络应用处理器，TEDS 为变送器电子数据表单。传感器采集到的信息通过 A/D 转换，经微处理器进行处理，通过 NACP 模块将传感器网络与其它公网进行信息交互;同时，微处理器将信号经过 D/A 转换送至光耦，最终对被控设备进行控制。1 3智能管理模型设计智能管理模型如图 3 所示。模

7、型的设计主要包括 3 个部分:基于 WSN 的数据采集、领域数据库库和知识库、智能信息处理专家。将 WSN 采集到的数据通过领域数据库和知识库处理，最终建立环境预警与控制模型以及精细饲喂模型，为畜禽养殖的精准化预测和预警、饵料投喂的科学化和规范化管理提供理论基础。图 3智能管理模型图2簇型无线传感器网络设计通信安全和能耗管理是组网方式需要考虑的两个重要因素。对于实际应用环境，现场布线通常受到环境的制约，大多数情况下采用无线的方式。考虑采用分簇(分区域)的能量供应方式，每个簇的簇内节点采用太阳能板的供电方式，中心节点则采用市电供应能量。基于通信的稳定性和能耗，本文中采用簇型无线传感器网络设计，将

8、畜禽养殖场进行分簇(分区域)组网，依据养殖品种(小猪和母猪)，按养殖场地进行分簇。全网分成多个簇团，每个簇团都有一个簇头节点，由簇头节点组成上一层传输网络。在每一簇内采用特定的结构组网，簇内采用交叉双链通信方式，各簇首之间采用自组网的结构进行组网。簇型无线传感器网络结构图如图 4 所示。图 4分簇 WSN 网络结构图交叉双链通信方式如图 5 所示。采用这一通信方式，有效地解决了在通信链路中某一传感器节点出现故障而导致的整条链路通信失败的情形，保证了通信的稳定性。图 5交叉双链通信方式3效果与验证3 1网络可靠性验证丢包率 PL(Packet Lost ate)定义为数据帧丢失字节数与完整数据帧

9、字节数之比。接收节点如果接收到的数据帧不完整，则说明存在丢包。本文中采用了簇型网络结构，簇内采用交叉双链通信方式。对丢包率进行测试，结果如图 6 所示。6422015 年 2 月农 机 化 研 究第 2 期图 6丢包率测试由图 6 可以看出:采用簇型组网方式，并且选用交叉双链通信方式，丢包率有很大程度的降低，大大提高了网络通信的稳定性。3 2系统运行效果监控中心计算机监控软件用 C#语言编程。监控系统软件具有实时监控现场情况、保存历史数据、对系统配置、提供帮助等功能。监控软件界面图如图 7所示。图 7监控软件界面该养猪场由多个饲养棚组成，主要饲养对象为小猪和母猪。刚出生仔猪体温调节中枢不全，缺

10、乏体温调节能力，对猪舍的环境要求很高。小猪猪舍的适宜温度在 22 30 之间，湿度为 60%80%之间。通过控制界面可以调控至适宜温度，主要是通过控制热风炉和降温设备来实现。2013 年 8 月 28 日，自动控制模式下舍内平均温湿度变化情况，如图 8 所示。图 8小猪猪舍内温湿度曲线由图 8 可以看出:小猪猪舍内的温度在 22 28之间，且波动比较小;湿度为 60%80%。4结语简要介绍了基于物联网的规模化畜禽养殖环境监控系统的设计方法，从组网方式和智能管理模型上进行了研究。将其应用到实际畜禽养殖环境中，结果表明，系统的稳定性和精准性有了明显改善。1)采用簇型组网方式，系统的丢包率有很大程度

11、的下降，网络的稳定性有了很大程度的提高。2)通过智能化管理模型的建立，实现了畜禽养殖的精准化预测和预警、饵料投喂的科学化和规范化。由于规模化养殖的需要，对于现场环境的采集信息量比较大，所需传感器数目和种类比较多，如何有效部署传感器、保证网络通信的稳定性，以获得更精准更全面的环境信息，将有待于进一步的研究。参考文献:1 史兵，赵德安 基于无线传感网络的规模化水产养殖智能监控系统 J 农业工程学报，2011，27(9):136 140 2 张军国，赖小龙 物联网技术在精准农业环境监测系统中的应用研究 J 湖南农业科学，2011(15):173 176 3 王美芝，田见晖，刘继军，等 北京市繁殖猪舍

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