基于传感器网络的羊舍环境监测及预警系统.docx

基于传感器网络的羊舍环境监测及预警系统 梁万杰 曹静 凡燕 朱科峰 王支凤 戴起伟摘要：针对我国畜禽养殖现状及环境对畜禽生长的重要性，提出了羊舍环境监测及预警系统的设计和实现方案在传感器设计方面提出了光、温、湿三合一的传感器集成方案，采用把温湿度传感器放在百叶窗内的方案，有效提高数据采集的准确性；在传感器网络方面提出了部分有线加3G网络的数据传输方案，兼顾易安装性及可扩展性，同时提高了数据传输的可靠性；在软件方面提出了数据采集中间件方案，主要是为了实现软硬件的分离，提高软件系统的兼容性和可移植性；管理系统基于B/S架构设计，采用MVC开发模型，基于J2EE企业级软件系统实现方案经过实际应用及用户操作体验调查结果表明，系统用户界面友好，系统运行稳定，在环境参数超出设定的阈值时能及时报警，有效提高了羊场管理的效率和自动化水平关键词：羊舍环境监测；预警；传感器网络；3G网络S126文献标志码： A：1002-1302（2014）02-0352-04收稿日期：2013-07-03基金项目：江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（13）5060]作者简介：梁万杰（1980—），男，河南商丘人，博士，助理研究员，主要从事农业物联网关键技术及其应用。

Tel：（025）84391702；E-mail：[emailprotected]通信作者：戴起伟，硕士，研究员，主要从事农业信息分析与咨询Tel：（025）84391909；E-mail：[emailprotected]畜牧业是中国农业增效、农民增收的重要产业，近年来取得了长足的进展[1]，畜禽健康养殖也越来越受到人们的重视畜禽健康养殖是指动物养殖过程的安全、健康以及饲料营养的无公害，达到保护人类安全和维护社会稳定的目的[2]环境、品种、饲料和疾病构成畜禽健康养殖的四大技术限制因素，其中环境监测是畜禽健康养殖的关键限制因子品种及饲料的优势都是以适宜的环境为基础而得到充分发挥的，同时舒适的养殖环境也是控制畜禽疾病发生的有效方法随着畜禽养殖产业的不断发展，对畜禽养殖环境监控系统的要求也越来越高，不但要求监测控制系统能够实现对温度、湿度、光照和氨气浓度等众多畜舍环境因子实时数据的获取，对这些数据进行存储、分析、处理，还要能实现对诸环境因子的控制，操纵相应的控制设备，达到畜禽养殖的现代化、智能化、精准化随着计算机技术、传感器技术和网络通信技术的发展，由大量随机分布的，具有实时感知、无线通信和自组织能力的传感器网络得到快速的发展[3-4]，同时也为畜禽健康养殖环境监测和预警提供较好的技术手段[5]。

传感器网络采用无线通信技术，可实现分布式部署，能最大程度地减少器件连线，降低系统搭建、维护的费用和难度，同时提高系统的可扩展性[6]针对畜禽健康养殖对智能化环境监测和预警的需要，本研究以羊舍环境监测和预警为研究对象，设计一套能实现羊舍环境实时监测、数据处理与分析、自动报警等功能的羊舍环境监测及预警系统实际应用结果表明，该系统运行稳定，能实现环境数据的实时采集与传输，并在环境参数超出设定范围时，采用短信、声光等手段实现报警，从而提高养殖的自动化、智能化和精准化水平1羊舍环境监测及预警系统的结构羊舍环境监测及预警系统的网络结构如图1所示该系统主要有环境参数传感器、数模转换模块（RTU）、数据传输模块（DTU）、服务器、网络设备、客户终端和高清拼接屏等设备组成传感器通过有线的方式连接到RTU，经RTU把传感器采集到的模拟数据（每个羊舍内的温度、湿度、光照强度和氨气浓度）转换成数字数据，通过串口通信传输到DTU，DTU通过3G网络把数据传输到监控中心的数据库服务器；系统平台通过WEB服务对外提供服务；用户通过客户端设备（计算机、或平板计算机等）访问系统服务， 实现对羊舍环境的管理和报警信息接收。

展示平台由高清的工业级显示屏拼接而成，具有可长期运行、稳定性好的特点展示平台是一个对外展示的窗口，可用于展示每个羊舍的环境参数、视频数据、展示相关成果，也可用于操作控制平台2羊舍环境监测及预警系统硬件设计2.1传感器节点温湿度传感器受局部环境的影响较大，具有一定的随机性例如，阳光的直射可能会使温度迅速升高，而当阳光转走时，温度又会迅速降低，不能客观地反映羊舍的温度情况；湿度也会因为局部水汽造成数值快速升高因此，本研究设计了一个光、温、湿三合一传感器（图2）设计思路是：设计1个圆形的百叶窗，把温湿度传感器放在百叶窗设备中，在设备的顶部放置光传感设备百叶窗具有很好的通风功能，其内部和外部具有同样的温湿度这种设计既不影响采集光照度参数，又能很好地避免因为太阳直射或局部湿度上升造成的温湿度参数失真从设备的安全性和安装性能上来说，百叶窗可以很好地保护内部的光温湿传感器，同时又易于安装2.2传感器网络该系统的传感器网络采用部分有线加3G网络的方式传感器节点通过串行接口与模数转换设备连接，模数转换设备可以根据需要连接到无线传输设备上，组成局域网络，最终把数据集中到数据传输模块中，或直接与数据传输模块相连；采集的环境数据最终由数据传输模块经过3G网络传送到远程的上位机，经上位机把数据保存到数据库或对上层应用提供服务。

这种环境数据采集和传输网络具有以下优点：（1）在传感器网络到数据远程传输模块之间采用有线的方式，可以有效地防止由于动物的走动对传输信号的干扰，提高信号传输的稳定性；（2）采用3G网络实现远程数据传输，即考虑了环境参数数据量有限，可把通信费用控制在可接受的范围内，同时也提高了系统部署的灵活性以及系统的可扩展性3羊舍环境监测及预警系统软件的设计软件系统对羊舍环境智能监测和报警十分重要，是整个系统的灵魂软件系统的设计要充分考虑硬件系统的特点和拓扑结构，不仅要满足系统的功能要求，还要满足用户对系统操作的方便性和友好性本研究提出的软件系统主要分为两部分：数据采集中间件和基于WEB的服务系统数据采集中间件的主要任务是接收数据传输模块发送过来的数据，并对数据进行分析处理、保存，同时对WEB服务系统提供实时环境数据服务系统的主要功能是对远程用户提供环境参数查询、统计分析、展示、环境参数阈值设置、报警及其他管理功能3.1数据采集中间件设计中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源中间件在分布式软件模块之间建立一个互操作的机制，屏蔽底层分布式环境的复杂性和异构性，为上层的应用软件提供统一的接口，使用户可以灵活、高效地开发和集成复杂的应用系统[7]。

本研究设计的数据采集中间件的主要功能是接收从数据传输模块发送过来的环境数据，对数据进行分析、处理和整合，一方面存储到数据库中，另一方面对上层应用提供实时环境数据具体实现方式是：在中间件初始化阶段启动2个套接字服务，一个用接收远程环境数据传输请求，一个用于处理实时数据请求；当有环境数据传输请求到达时，建立一个套接字连接，并创建一个线程来处理数据传输过程；数据传输处理线程主要完成对传输过来的信息进行分析和处理，把数据保存到数据库，同时更新中间件维护的实时环境数据信息表；当有实时环境数据请求到达时，建立一个套接字连接，同时创建一个线程来处理实时数据请求；实时数据请求处理线程的主要任务是根据请求的传感器节点编号，查询实时环境数据信息表，并把当前的环境数据打包发送给请求客户端中间件的内部事件处理逻辑如图3所示3.2管理系统设计本研究提出的管理系统是基于B/S架构设计的，该架构的特点是瘦客户端，即客户端不需要特殊的配置，只需安装浏览器，且不受地域和时间的访问限制软件功能架构采用MVC架构，做到表示层和业务逻辑层分离，使美工摆脱复杂的业务逻辑关系，而只注重界面设计的美工和易操作性；同时业务逻辑编程人员只需注重业务逻辑关系的实现，从而开发出功能完善、执行效率高、运行稳定的软件系统。

从功能上来看，主要包括数据管理、设备管理、养殖信息管理、参数阈值管理、报警信息管理等功能模块数据管理主要提供环境数据查询、温湿光曲线图、氨气曲线图等功能；设备管理主要功能是设备位置、参数的管理；养殖信息管理主要功能包括饲养记录、防疫记录、出栏情况等信息管理和统计分析；参数阈值管理的功能是对不同类型、不同位置的传感器，针对羊的不同生长阶段设置环境参数的上下限阈值，并对此类信息进行维护和管理；报警信息管理的功能是，当某一环境参数超出设定的阈值时产生1条报警信息，并通过短信、声光的方式通知羊舍管理人员，管理人员根据实际情况对报警信息进行处理4羊舍环境监测及预警系统实现与应用系统软件的实现包括数据采集中间件和管理系统两部分中间件部分采用Java语言实现，Java语言提供有套接字网络连接接口、进程管理类以及数据库连接和操作软件包，采用这些软件包可以很快捷地实现中间件设计的所有功能管理系统实现方面采用Tomcat服务器作为WEB服务器，数据库采用Mysql数据库，采用J2EE系统解决方案来实现羊舍环境监测与预警系统Tomcat和Mysql均为开源的WEB系统解决方案，其功能完善，技术成熟，用户界面友好。

J2EE架构是应用较广泛的WEB系统解决方案，采用EJB组件实现业务逻辑层开发，可以提高代码的重复利用率，从而提高系统的开发效率，同时采用Struts架构实现表示层与业务逻辑层的分离，使表示层只需注意界面美工和操作功能的实现；表示层主要用JSP、Javascript等技术实现其系统界面如图4所示本研究在江苏省农业科学院六合动物科学基地的养羊场安装、配置了此监测及预警系统经过一段时间的运行和调试，系统运行稳定，并按一定的周期采集到了羊舍的环境参数数据在环境参数超出设定的阈值时，能及时通过短信、声光等方式通知羊场管理人员，使管理人员能及时地对现场情况进行处理对羊场工作人员的应用体验调查结果表明，此系统用户界面友好，应用方便快捷，有效提高了羊场管理的效率和自动化水平图5是羊舍温湿光曲线截图5结论本研究根据羊场环境监测及预警的需求提出了一套系统软硬件设计和实现方案，在传感器网络方面采用部分有线加3G网络的设计方案，此方案设计较成熟、运行较稳定，且又能保证系统安装的方便性和系统的可扩展性在传感器方面设计了光、温、湿三合一集成方案，并加入了百叶窗的设计，有效地避免了太阳光直射等造成的失真情况在软件方面分别提出了数据采集中间件以及管理系统设计和实现方案，中间件的设计可以有效分离硬件和软件系统，提高软件系统的兼容性、可移植性和可扩展性。

经过实际应用及用户操作体验调查，结果表明，系统用户界面友好，应用方便快捷，系统运行稳定，能准确地采集环境参数数据且能可靠地传输数据，在环境参数超出设定的阈值时能及时报警，有效提高羊场的管理效率和自动化水平但系统只是完成了环境的监测和预警，下一步需要进一步完善环境监测指标，加入环境调节和自动控制功能参考文献：[1]陆明洲，沈明霞，丁永前，等. 畜牧信息智能监测研究进展[J]. 中国农业科学，2012，45（14）：2939-2947.[2]王雷雨，孙瑞志，曹振丽. 畜禽健康养殖中环境监测及预警系统研究[J]. 农机化研究，2012，34（10）：199-203.[3]王冉，徐本崇，魏瑞成，等. 基于无线传感网络的畜禽舍环境监控系统的设计与实现[J]. 江苏农业学报，2010，26（3）：562-566.[4]孙其博，刘杰，黎羴，等. 物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J]. 北京邮电大学学报，2010，33（3）：1-9.[5]戴起伟，曹静，凡燕，等. 面向现代设施农业应用的物联网技术模式设计[J]. 江苏农业学报，2012，28（5）：1173-1180.[6]刁智华，陈立平，吴刚，等. 设施环境无线监。