CN102497390A - 一种基于物联网的保育猪舍环境可视化调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于物联网的保育猪舍环境可视化调控系统，每个猪舍中设置温、湿度传感器及包括电热板、燃煤热风炉、喷雾降温系统、负压风机的多个自动控制设备，一个猪舍现场设置由Zigbee协调节点及ARM控制中心组成的一个嵌入式ARM-LINUX控制器，一个自动控制设备连接相应的一个Zigbee终端节点，一个猪舍现场中的所有Zigbee终端节点均与一个Zigbee协调节点之间采用Zigbee无线传输协议，一个ARM控制中心通过有线连接一个云台摄像头；所有的嵌入式ARM-LINUX控制器均与一个WIFI无线网络基站采用WIFI无线传输协议，WIFI无线网络基站与远程控制中心之间采用WIFI无线传输协议，远程控制中心通过WIFI无线网络基站与INTERNET无缝链接。

Description

一种基于物联网的保育猪舍环境可视化调控系统

技术领域

  本发明涉及物联网技术、无线网络技术、视频监控技术和嵌入式技术，用于可视化精准调节大型猪舍中各保育猪栏的小气候环境，属于环境智能监控技术领域。

背景技术

我国养猪业正逐步由小规模饲养向集约化、工厂化发展，养猪业的信息化管理日益重要。环境调控水平是决定养猪业生产水平高低的重要因素之一。养猪环境是指影响猪群繁殖、生长发育等方面的生活条件，由猪舍内空气的温度、湿度、光照、设施、设备等因素组成的特定环境。在养猪过程中需要进行适时、适当的调节和控制，让猪群生活在符合其生理要求和便于发挥高生产性能的小气候环境内，从而达到优质高产。

目前，对群养猪行为的监测及生长环境的控制多采用人工观察、人工调节的方式，调节有滞后性，生长效率低，占用人力资源多。一些养猪场配置了传统的环境监控系统，多数采用PLC作为现场监控中心，采用有线方式分布传感器和连接调节环境设备。采用有线控制，布线复杂，容易造成接触不良，维护困难，成本较高。不仅如此，有线方式限制了传感器分布的数量，难以精确获取保育猪舍各个猪栏的环境参数，只能对环境进行整体控制，没有对各个猪栏的小气候进行精确调节，不能按不同猪栏的个性化要求灵活调节猪舍内各猪栏的小气候环境。少数养猪场为每个猪栏安装一个单片机控制设备，但每次调节环境参数预设值时，都得人工对每个猪栏的每个单片机设备进行调节，耗费人力资源。因此，传统的监控系统只实现了整体的现场控制，没有对不同猪栏实现远程监控。

发明内容

本发明的目的是为克服目前保育猪舍环境监控技术的不足，提供一种基于物联网的保育猪舍环境可视化调控系统，能精确获取保育猪舍各个猪栏的环境参数，对每个猪栏的环境实现可视化的远程调控。

本发明采用的技术方案是：每个猪舍中设置温、湿度传感器以及包括电热板、燃煤热风炉、喷雾降温系统、负压风机的多个自动控制设备，一个猪舍现场设置由Zigbee协调节点及ARM控制中心组成的一个嵌入式ARM-LINUX控制器，一个自动控制设备连接相应的一个 Zigbee终端节点，一个猪舍现场中的所有Zigbee终端节点均与一个Zigbee协调节点之间采用Zigbee无线传输协议，一个ARM控制中心通过有线连接一个云台摄像头；所有的嵌入式ARM-LINUX控制器均与一个WIFI无线网络基站采用WIFI无线传输协议，WIFI无线网络基站与远程控制中心之间采用WIFI无线传输协议，远程控制中心通过WIFI无线网络基站与INTERNET无缝链接。

本发明的有益效果是：

1、精准控制大型猪舍中各猪栏的小气候环境，使猪舍内各猪栏的小环境均可按具体要求灵活调节，在更精细化控制与管理方面满足不同猪的个性化需求，改善群养猪生活的环境质量，提高养殖效益。远程可视化管理便于专家及领导远程考察指导。

2、利用物联网和视频技术使猪舍环境信息采集根据精准控制与管理的需要延伸到猪舍的每一个局部空间，并对其进行可视化精准化智能化调控。用户操作和控制不受空间限制，可延伸和扩展到远程猪舍，实现对猪群及环境的信息采集、猪舍环境的自动控制。可在多个猪舍安装该系统，将养猪场组建成一个可视化精准调控无线网络系统。与现有技术相比其具有技术先进、功能较强、经济实用、易于推广的显著优点。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明；

图1是本发明系统的总体框图；

图2 是图1中Zigbee协调节点及相连接设备组成的星形无线网络连接图；

图3是图1中Zigbee协调节点及ARM控制中心内部构造图；

图4是ARM控制zigbee无线网络流程图。 

具体实施方式

如图1所示，基于物联网的保育猪舍环境可视化精准调控系统，物理上可划分为三大子系统：安装在现场的猪舍信息采集和控制子系统(控制站)，互联网子系统(WIFI无线网络基站)，远程控制中心子系统。其中，安装在现场的信息采集和控制子系统，逻辑上包括三大模块：Zigbee节点与猪舍设备组建成的无线网络、视频监控模块、嵌入式ARM-LINUX控制器。

在猪舍现场安装现场猪舍信息采集和控制子系统，信息采集和控制子系统采用现场嵌入式ARM-LINUX控制器，现场嵌入式控制器由Zigbee协调节点及ARM控制中心组成。Zigbee协调节点及ARM控制中心与猪舍的自动控制设备之间是Zigbee无线传输协议关联，Zigbee协调节点及ARM控制中心通过有线方式直接连接云台摄像头。每个Zigbee协调节点及ARM控制中心均与WIFI无线网络基站之间进行无线传输，WIFI无线网络基站与远程控制中心进行无线传输，通过WIFI无线网络基站与INTERNET无缝链接，如此，养猪场成为一个可视化精准调控无线网络系统，用户可通过远程控制中心远程可视化调控各个猪舍的环境。

本发明具体实施时，在每个猪舍中设置温、湿度传感器以及包括了电热板、燃煤热风炉、喷雾降温系统、负压风机的多个自动控制设备。一个猪舍现场设置由Zigbee协调节点及ARM控制中心组成的一个嵌入式ARM-LINUX控制器，一个自动控制设备连接相应的一个 Zigbee终端节点，一个猪舍现场中的所有Zigbee终端节点均与一个Zigbee协调节点之间采用Zigbee无线传输协议，一个ARM控制中心通过有线连接一个云台摄像头；将所有的嵌入式ARM-LINUX控制器均与一个WIFI无线网络基站采用WIFI无线传输协议。

分布在保育猪舍内的传感器获取各猪栏的环境参数，并通过zigbee无线网络技术传输给ARM-LINUX控制器；该控制器根据预设环境参数分析温度、湿度、二氧化碳等传感器无线采集的数据，利用zigbee无线技术自动发送信号对标准通风口、负压风机、热风炉、电热板等猪舍设备进行控制，精确调节猪舍局部小环境。控制器通过WIFI无线网络技术将服务器与INTERNET无缝连接。整个系统采用B/S(浏览器/服务器)模式，远程用户只要通过客户端浏览器即可远程观察猪舍内实况并监控猪舍。远程用户也可根据个人意愿通过INTERNET远程控制摄像头云台转动，调整观测区域，观察猪舍中每个猪栏的状况，还可以实现在可视状态下控制远程设备的运行。

本发明采用电动云台摄像头，电动云台是一种安装在摄像头支撑物上的工作平台，可带动摄像头转动，扩大摄像头的可视监控范围。本发明使用尼龙云台，2个180度金属齿舵机，组装电动云台。舵机的控制信号是一个脉宽调制(PWM)信号，可利用占空比的变化改变舵机的转动位置。本发明使用的舵机的输入脉冲周期是20ms，脉冲宽度在0.5~2.5ms变化时，舵机输出的轴转角在0°~180°变化。通过调节嵌入式ARM-LINUX控制器输出PWM波的占空比控制舵机转动位置。摄像头使用PSM-130摄像头模组，它采用Omnivision公司的OV9653摄像头传感器，可最高每秒输出15帧，最高分辨率1280x1024彩色图像，支持SXGA，VGA，QVGA等多种图像格式，能够输出整幅或局部区域图像。应用程序可以通过串行照相控制总线(SCCB)设置OV9653内部的寄存器，控制像素数据输出格式和图像质量。

如图2所示，现场猪舍信息采集和控制采用Zigbee协调节点及ARM控制中心以无线方式精确获取猪舍环境参数并调控猪舍环境，采用嵌入式设备作为控制中心。考虑到断奶仔猪转入保育舍，由依靠母猪生活过渡到完全独立生活，对环境的适应能力差，对疾病的抵抗力较弱，而这段时间又是仔猪生长最强烈的时期。为了给仔猪提供较好的小气候环境，保育猪舍使用的设备较为讲究，主要有温湿度等传感器、电热板、燃煤热风炉、喷雾降温系统、负压风机等。可调温电热板能为仔猪提供温暖的趴卧和活动环境，在寒冷的天气，配合使用燃煤热风炉提高舍内平均温度，节省成本。喷雾降温系统的喷头喷出的雾粒吸收舍内空气大量显热很快汽化，部分水分喷落在猪身上，直接吸收猪体身上的热量而汽化使猪感到凉爽，而且可以单独控制各猪栏上方的喷头阀门，局部调节温湿度，实现局部精确控制。湿帘-风机系统在室外相对湿度较小时，降温效果很好，但是，仔猪怕潮湿，而且保育舍较大，使用湿帘降温，靠近湿帘侧的猪栏内过于潮湿产生不利影响，而且容易造成猪舍整体温湿度不平衡。所以本发明选用喷雾降温系统为保育猪舍的仔猪降温。使用负压风机为保育舍通风和降温。

本发明选用zigbee无线技术作为猪舍内调节环境的设备与嵌入式ARM-LINUX控制器间的通信技术。Zigbee技术是建立在IEEE802.15.4国际标准上的一种自组织无线网络技术，具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速度、低成本等特性。Zigbee基本速率是250Kb/s，传输距离75m~100m之间。非常适合猪舍多测点、多设备的需求，无需布线，使用安装方便。系统在规模化养猪场中应用，猪舍面积较大，而且受室内遮挡物等的影响，zigbee节点之间的通信距离在50m~75m之间。为了提升zigbee节点之间的通信的距离，在发射器的输出端和发射天线之间增加一个功率放大器，增加了发射器的发射功率，使通信距离延长到200m~300m之间。采用星状网络作为zigbee组网方式，如图2所示，Zigbee协调节点分别与各个Zigbee终端节点之间采用Zigbee无线传输协议，Zigbee终端节点连接温湿度等传感器、标准通风口、负压风机、热风炉、电热板等设备。Zigbee终端节点通过I/O口控制继电器控制设备的档位或开关。Zigbee协调节点汇聚zigbee终端节点采集的数据，并传送给现场嵌入式ARM-LINUX控制器；同时将现场嵌入式ARM-LINUX控制器传送来的控制指令发送给zigbee终端节点。

嵌入式ARM-LINUX控制器内部结构如图3所示。ARM控制中心具有SQLite3数据库、WEB服务器、视频服务器、静态文件以及串口编程、CGI编程。ARM控制中心通过串口编程分别外接Zigbee协调节点和云台控制系统。在ARM控制中心内，SQLite数据库分别与串口编程、CGI编程和WEB服务器相互交换数据，CGI编程分别与串口编程、视频服务器、WEB服务器、SQLite数据库相互交换数据，CGI编程向外部的摄像头输出信息，外部的摄像头向视频服务器输入信息；WEB服务器与静态文件相互交换数据，同时WEB服务器以及视频服务器与外部的WIFI无线网络基站无线传输协议，WIFI无线网络基站经浏览器与INTERNET无缝链接，将信息传输给远程控制中心。 

本发明选用ARM1176JZF-S核作为嵌入式ARM控制中心的微处理器，ARM11系列微处理器的媒体处理能力强，功耗低，数据吞吐量高，性能好，而且成本低。为了实现猪舍环境的无线远程实时监控，系统具备数据采集、视频图像采集、存储管理、分析处理、自动控制、网络发布等功能。采用轻量级嵌入式Linux操作系统，并移植嵌入式数据库、WEB服务器视频服务器等。采用针对嵌入式的轻量级SQLite数据库，WEB服务器采用嵌入式BOA服务器，视频服务器采用ffmpeg+ffserver构建。考虑到摄像头采集的视频信息的信息量大，而网络带宽有限，使用x.264视频编码压缩视频。采用CGI（通用网关接口）使网页具有交互功能，解释处理来自表单的输入信息，并在WEB服务器产生相应的处理，或将相应的信息反馈给浏览器。ARM控制中心将环境参数存入SQLite数据库，并对摄像头采集的视频图像编码。ARM控制中心可预先设定温、湿度等环境参数的范围，超过范围自动发出控制命令给相应设备进行调节。

ARM控制中心可采用PC机或便携式设备如iphone等。系统采用B/S (浏览器/服务器)模式，远程用户只要通过客户端浏览器即可登陆猪场现场的嵌入式ARM-LINUX控制器，监测猪舍环境并可控制设备调节环境。由于本发明是基于B/S模式的可视化调控系统，客户端的浏览器需要嵌入播放器。本发明选用VLC播放器，该播放器可以在各种平台上使用，如Windows，Linux，Mac等等。该播放器的跨平台特性也使得本发明能够不受平台的约束，比传统的视频监控系统应用范围更广泛。该播放器支持众多音频与视频解码器及文件格式，可支持H.264解码，可使用该播放器对远程视频服务器端传来的视频解码播放。

本发明中的互联网子系统采用WIFI无线网络技术架设WIFI无线网络基站。该WIFI无线网络基站将猪场每个猪舍的ARM-LINUX控制器与INTERNET无缝连接，实现用户远程访问。WiFi网络无需布线，方便与现有的有线以太网整合，组网成本低，自行架设WiFi接入点，无需支付使用费用。本发明使用WiFi无线网络接入互联网。WIFI无线网络由AP(Access Point)和无线网卡组成。AP一般称为网络桥接器或接入点。采用wifi定向天线的办法，养猪场信号干扰较少，无线传输信号很好，定向天线信号传输距离比较远，20DB高增益2.4G定向天线在平原传输可达6km以上距离。采用IEEE 802.11b/g无线标准的无线网卡，2.4Ghz频段，最高速率达到54Mbps。在养猪场中心自行架设WiFi接入点可大大降低猪场嵌入式ARM-LINUX控制器联网成本。

如图4所示的流程图分析了现场嵌入式ARM-LINUX控制器对环境参数的无线采集及对猪舍环境无线调控，首先判断是否有zigbee节点申请加入网络，发送zigbee无线网络初始化命令，初始化zigbee星状网络。初始化完成后，由于实时采集数据产生的数据量太大，系统间断（定期）采集环境参数，然后再同步更新ARM控制中心中的SQLite3数据库，然后在WEB上动态更新显示猪舍的环境参数。设备的控制模式有手动控制和自动控制，默认采用自动控制模式，适合无人监控的环境。管理人员通过WEB页面监控现场，可选择是否采用手动控制。如果采用手动控制，则可以随时发送控制命令到ARM控制器，控制远程设备的运作。手动控制模式下，如果ARM在预设时间内没有接收到操作设备命令，则自动转换到自动控制模式。自动控制模式下，ARM控制器根据预设环境参数自动分析温度、湿度、二氧化碳等传感器无线采集的数据，利用Zigbee协调节点自动发送无线信号对标准通风口、负压风机、热风炉、电热板等猪舍设备进行控制，精确调节猪舍局部小环境。自动控制模式下，ARM控制中心若收到WEB发送的手动控制设备命令，则转入手动控制模式。

Claims (4)

1.一种基于物联网的保育猪舍环境可视化调控系统，每个猪舍中设置温、湿度传感器以及包括电热板、燃煤热风炉、喷雾降温系统、负压风机的多个自动控制设备，其特征是：一个猪舍现场设置由Zigbee协调节点及ARM控制中心组成的一个嵌入式ARM-LINUX控制器，一个自动控制设备连接相应的一个 Zigbee终端节点，一个猪舍现场中的所有Zigbee终端节点均与一个Zigbee协调节点之间采用Zigbee无线传输协议，一个ARM控制中心通过有线连接一个云台摄像头；所有的嵌入式ARM-LINUX控制器均与一个WIFI无线网络基站采用WIFI无线传输协议，WIFI无线网络基站与远程控制中心之间采用WIFI无线传输协议，远程控制中心通过WIFI无线网络基站与INTERNET无缝链接。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的保育猪舍环境可视化调控系统，其特征是：ARM控制中心具有SQLite3数据库、WEB服务器、视频服务器、静态文件以及串口编程、CGI编程；ARM控制中心通过串口编程分别外接Zigbee协调节点和云台控制系统；在ARM控制中心内，SQLite数据库分别与串口编程、CGI编程和WEB服务器相互交换数据，CGI编程分别与串口编程、视频服务器、WEB服务器、SQLite数据库相互交换数据，CGI编程向外部的摄像头输出信息，外部的摄像头向视频服务器输入信息；WEB服务器与静态文件相互交换数据，WEB服务器以及视频服务器与外部的WIFI无线网络基站之间无线传输协议。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的保育猪舍环境可视化调控系统，其特征是：WIFI无线网络基站经浏览器将信息传输给远程控制中心，远程控制中心使用浏览器登陆远程WEB服务器和视频服务器，判断是否有zigbee节点申请加入网络，将ARM-LINUX控制器传送来的控制指令发送给zigbee终端节点；温、湿度传感器传感器采集各猪舍的环境参数，并通过Zigbee终端节点传输给ARM-LINUX控制器；ARM-LINUX控制器根据预设的环境参数分析采集的环境参数，利用zigbee无线技术自动发送信号对多个自动控制设备进行控制，调节猪舍局部小环境。

4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的保育猪舍环境可视化调控系统，其特征是：通过INTERNET远程控制摄像头云台转动，调整观测区域，通过浏览器远程观察猪舍中每个猪栏的状况。

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