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绿色养殖
Green culture

设施羊舍环境信息监控系统的设计

摘自:黑龙江畜牧兽医杂志社发布时间:2018-01-08作者:admin浏览次数:471

      随着内蒙古农牧区开展的退耕还草、种草圈养、禁牧轮牧政策的实施,内蒙古的养羊方式也发生着变化。规模化养殖逐渐代替散养,而规模化舍饲养殖密度高,特别是北方高寒地区的冬季,为了保温,羊舍往往封闭较严密,羊舍内的空气质量成为影响羊只生长和健康的一个重要因素。对羊舍的环境信息进行自动监测与控制、实现福利化养殖具有重要意义。
  目前国内关于养殖场监控系统的研究多采用传统的现场监控方式,虽然可以有效地实施监控,但布
线与维护困难、无法实现远程监控。而WSN配置灵活,布线简单,维护方便,降低了监控系统成本,在服务器终端可以对测点进行实时调整,监控信息数据直接接入局域网或互联网,以便随时进行远程信息监测与控制[1]。
  WSN能够实时监测网络分布区域内的各种对象信息。国内相关学者将无线传感器网络应用于农田
土壤温湿度、气温、农作物的水分状况等方面的监测[2-5],遗憾的是均不能实现自动控制功能。在基于物联网的鸡舍环境监测系统中,李华龙等[6]通过搭建的单片机系统,实现将传感器信息进行本地存储或者通过GPRS传输;但众多测点的本地存储读取过程繁琐,需要从每个测点取下SD内存卡进行拷贝。通过WiFi搭建小型局域网系统,以统一上传数据到Internet的方式,在羊舍内通过连入局域网的传感器节点实现动态监测羊舍环境信息,如温度、湿度、NH3浓度等[7],现报道如下。
       1 系统总体设计
  研究采用无线通信方式对相关参数进行采集、实时传输和存储,为管理人员提供直观的系统管理平
台,完成传感器管理、环境信息存储和调控等功能。
   系统的下位机硬件平台由以Atmega16为核心的制器、各种传感器、监控摄像头组成。控制器和传感器通过RS-485总线连接,汇聚到WiFi模块上,连接到路由器,形成局域网;同时监控摄像头也通过WiFi连接到路由器节点,上位机硬件平台通过加入局域网,监测与控制局域网内的设备信息;上位机连Internet,实现远程Web前端展示。上位机通过程序,实现对下位机的数据采集与控制,为分娩母羊舍环境信息管理与控制提供支持。
       2 硬件设计
       2.1 数据采集部分
  传感器采集部分选择北京华兴工控生产的CO2传感器、NH3传感器、温湿度传感器。传感器将采集到的数据转换为通用串口信号或者0-5V电压信号,选择RS-485接口,通信方式为Modbus通信协议。通过RS-485总线,将所有的传感器连接在一起。传感器供电电压为DC24V
      2.2 控制部分无线传输模块
  控制器是以Atmega16单片机为控制核心,输入输出模块,分别采用光电耦合器和继电器。为了保证输出控制继电器的稳定性、抗干扰能力和可靠性,系统通过驱动芯片ULN2003来接收光耦信号,驱动继电器。而电源部分通过TI公司的TPS5480进行输入电压转换,输入电压为DC24V电源。
      2.3 无线传输模块
  无线模块采用TI公司的CC3200芯片方案,内核为工业级ARMCortex-M4内核,运行频率达80MHz;内置超低功耗运行机制,可以有效实现模块的低功耗运行;支持WiFi协议以及TCP/IP协议,仅需简单配置,即可实现UART设备的联网功能。可工作在AP模式,等待其他WiFi设备接入通信;也可工作在STA模式下,接入无线路由器,实现通信。具有Socket通信链接,支持TCP/UDP透传、HTTPD、WEB、SSLClient通信,TCP/UDP透传模式下可以设置为TCPServer、TCPClientUDPServer、UDPClient通信。模块支持UART透传,可使用AT命令任意切换。在本设计中,传感器和控制器通过RS-485总线连接到无线模块。无线模块的工作模式为STA客户端,连接到路由器实现局域网的搭建。电源模块通过TI公司的TPS5480进行输入电压转换,输入电压为DC24V电源。
      2.4 监控部分
  视频监测采用海康威视制造的DS-2CD2T无线摄像头,最高分辨率可达1280×960,在该分辨率下可输出实时图像,照射距离可达30m,支持自动电子快门功能,适应不同监控环境,支持用户登录锁定机制。
      3 上位机监控平台搭建
      上位机采用MicrosoftVisualStudio2010进行编程,编程语言为Csharp,数据库采用SQLServer2008R2。上位机通过加入局域网实现对下位机硬件信息
的读取与控制。上位机程序主要包括以下几个模块:登录模块、用户管理模块、数据采集模块、用户控制模块、实时展示模块、数据存取模块、视屏监控模块。为了保证数据的统一管理与维护,在用户登录与管理界面展示与存取界面时均可实时对数据库进行操作。不同功能模块数据存储在不同数据表中。
     3.1 用户管理
     在用户管理界面中根据不同的管理权限,可以根据不同的管理权限设定不同的操作权限,本系统设定
了两级权限,即管理员和操作员。管理员可以更改和增加、删除每个操作员的信息,而操作员只能更改自己的信息。

     3.2 数据采集
  在数据采集模块中,传感器每隔3min采集一次数据,通过无线传输,将串口数据转化为实测数据,保存在数据库中。在数据显示模块中,为实时显示当前时间内的环境信息,将最新获取的数据显示在羊舍信息窗口;为直观地显示最近一段时间的环境信息,将最近的20个监测数据显示在实时曲线当中。考虑到网络环境情况和实际采集数据丢失问题,对数据进行了相应处理,表示为曲线形式。
     3.3 视频监控
  绑在视频监控模块当中,根据具体工作人员的管理权限,界定是否可以登录视频监控,获取无线监控
摄像头的实时动态图像。在视频监控模块中,工作人员可以进行拍照、开始和停止录像等操作,为后续进行母羊行为监测提供硬件与软件支持。实时视频监测。
      3.4 数据查询与导出
  在数据库部分,实现历史数据查询。为便于用户在本地计算机使用和分析数据,系统提供了数据文件导出功能,导出为Excel文件。通过选择起始日期、中止日期和相应的查询项,实现数据信息浏览查询、导出,并可下载所需要的数据文件,使用非常方便。数据查询与导出见。
     3.5 羊舍环境信息预警
     分娩母羊舍环境发生异常可能会对母羊以及羔羊产生影响。如果提前预警,可以及时处理,以保障
良好的生活环境、促进羔羊健康成长。“变报警为预警”是物联网智能化的重要体现[7];而具体的预警设定可根据羊舍管理人员的经验来自行设定,进行环境控制。
  同时系统也可以实现对环境信息进行综合评价,根据综合评价值来进行环境控制。本系统具体监测
四个环境信息变量,即温度、湿度、CO2 浓度、NH3 浓度。根据不同的影响系数进行环境综合评价。
       3.6 数据积累
  监控平台可将环境信息同羊只生长发育情况相关联。经过长时间的数据积累,为后续羔羊生长发育
研究提供数据支持,从而建立相应的预警模型。按照预警模型和实时数据,当某个环境指标未来的预测值满足一个或多个条件,系统就会提前发出预警信息。试验羊舍与硬件实物见294页彩图8。当某个参数异常,如果没有人工干预,监测点能自动发出报警信号进行控制。在完成系统设计后,于2016年5月31日在内蒙古农业大学海流图科技园区羊场的羊舍(见294页彩图8a)内进行试验。其硬件系统实物见294页彩图8b。在试验过程中,上位机与羊舍距离较远,网络连接通过无线WiFi连接,信号强度通过WirelessMon软件测试,信号强度较差,为61dB。每隔30,60,180s,传感器采集丢包率数据。180s间隔下测试3h,60s间隔下测试1h,30s间隔下测试0.5h,每次测试60组数据。每组数据都包括各传感器数据,每组共46字节数据。 由测试结果可知,考虑信号强度因素,间隔60s的数据采集与上传测试中,视频同时开启,丢包率保持在1%以内。而在实验室环境下,网络信号强度较强,测试数据字节数1万,丢包率为0。
       4 结论
  本监控平台能实时地监测羊舍内环境信息,可以自由调节环境采集间隔,同时实时地传送羊舍内视频信息,并能够实现对羊舍内风扇灯等的控制,具有信号传输稳定、数据量传送大、可靠性高等特点,有效地简化了在环境实际监测过程中繁琐的步骤;研究具体环境信息对羊只成长影响等课题,通过选用高精度的传感器,达到优化试验步骤和精度等目的。同时本套监控平台可以应用于其他场所,为物联网系统搭建提供硬件与数据支持。

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