CN103235550A - 保温箱仔猪生长参数监控系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种保温箱仔猪生长参数监控系统，其特征是它包括图像传感器节点、网关和控制中心服务器，所述图像传感器节点包括图像ARM模块、图像ZigBee模块、图像电源模块、称重传感器、信号转换电路和图像采集模块；所述称重传感器通过信号转换电路和图像ARM模块连接，图像ZigBee模块与图像ARM模块双向连接，图像采集模块与图像ARM模块双向连接，称重传感器、信号转换电路、图像ARM模块和图像采集模块分别同图像电源模块连接；所述图像ARM模块通过图像ZigBee模块与网关无线连接，网关与控制中心服务器无线连接。本监控系统可连续、无损、自动监测保温箱仔猪的生长参数，减少仔猪应激性，增加仔猪的成活率和体重增长率。

Description

保温箱仔猪生长参数监控系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种保温箱仔猪生长参数监控系统，具体地讲是一种基于无线多媒体传感器网络的保温箱仔猪生长参数监控系统。

本发明还涉及一种基于保温箱仔猪生长参数监控系统的监控方法，包括仔猪图像和称重信息采集、仔猪保温箱环境参数采集、网关数据转换和仔猪保温箱环境参数控制。

背景技术

中国是世界第一养猪大国，养猪业在畜牧业经济总量中比重很大，已成为农业和农村经济的支柱性产业。但是哺乳期仔猪死亡率较高也是我国养猪业面临的难题，哺乳仔猪死亡率一般占活产仔猪数的10%～15%。由于出生仔猪体温调节的机能不健全，容易受到低温的影响。新生仔猪生长的适应温度为32～35℃，随后每日下降0.5℃左右，到仔猪3周龄时降至21～27℃。在我国一些北方地区冬季采用水冲粪便的方式使仔猪环境保温性能差，湿度较大，出现仔猪的冷应激性增加等问题。光照度对新生仔猪也有显著影响，延长光照对仔猪断奶前后的成活和体重都有好处。另外，哺乳期仔猪窝增重是评价母猪生产性能及泌乳量优劣的重要指标，生产实践中一般在仔猪出生及断奶两个时间点人工称重，这给仔猪带来了较大应激。仔猪在磅秤上的频繁活动也严重影响称重结果的准确性。因此有必要针对以上保温箱环境、仔猪增重等信息，设计一套可连续、无损、自动监测保温箱仔猪生长参数的监控系统。

无线多媒体传感器网络（wireless multimedia sensor network，WMSN）是在传统WSN基础上加入音频、图像等多媒体传感器节点构成的一种新型网络。目前无线通信、传感器技术和机器视觉等技术已经在农业生产领域得到应用，但是设施养殖产业中的自动化设备并不多见。

本发明正是针对此现状研发。

发明内容

本发明是针对目前无线通信、传感器技术和机器视觉等技术在养殖产业应用不多见的现状而研发一种可连续、无损、自动监测的保温箱仔猪生长参数监控系统。

技术方案：

一种保温箱仔猪生长参数监控系统，它包括图像传感器节点、网关和控制中心服务器，所述的图像传感器节点包括图像ARM模块、图像ZigBee模块、图像电源模块、称重传感器、信号转换电路和图像采集模块；所述称重传感器通过信号转换电路和图像ARM模块连接，图像ZigBee模块与图像ARM模块双向连接，图像采集模块与图像ARM模块双向连接，称重传感器、信号转换电路、图像ARM模块和图像采集模块分别同图像电源模块连接；所述的图像ARM模块通过图像ZigBee模块与网关无线连接，网关与控制中心服务器无线连接。

一种保温箱仔猪生长参数监控系统，它包括图像传感器节点、保温箱环境信息采集节点、控制节点、网关、控制中心服务器，所述的图像传感器节点包括图像ARM模块、图像ZigBee模块、图像电源模块、称重传感器、信号转换电路和图像采集模块；所述称重传感器通过信号转换电路和图像ARM模块连接，图像ZigBee模块与图像ARM模块双向连接，图像采集模块与图像ARM模块双向连接，称重传感器、信号转换电路、图像ARM模块和图像采集模块分别同图像电源模块连接；所述的图像ARM模块通过图像ZigBee模块与网关无线连接，所述的保温箱环境信息采集节点用于采集保温箱的环境参数，所述的保温箱环境信息采集节点的信号输出端与网关的信号输入端无线连接，所述的网关与控制中心服务器无线连接，网关的控制信号输出端与控制节点的控制信号输入端无线连接，所述的控制节点用于调控保温箱中的被控设备。

本发明的信号转换电路是由放大电路、滤波电路、A/D转换电路、RS485电路顺次连接组成的。

本发明的网关包括网关ZigBee模块、网关ARM模块、3G模块和网关电源模块；所述的网关ZigBee模块作为网关的一通信模块与图像传感器节点、保温箱环境信息采集节点和控制节点无线连接，网关ZigBee模块与网关ARM模块双向连接，网关ARM模块与3G模块双向连接，所述的3G模块作为网关的另一通信模块与控制中心服务器无线连接。

本发明的网关还包括网口扩展器和RJ45网口；网口扩展器同网关ARM模块双向连接，RJ45网口同网口扩展器连接。

本发明的网关ARM模块连接有一个FLASH存储器和两个SDRAM存储器。

本发明的保温箱环境信息采集节点包括光照电源模块、温湿度电源模块、光照传感器、温湿度传感器、光照ZigBee模块和温湿度ZigBee模块；所述的光照传感器和温湿度传感器分别用于采集保温箱的光照、温湿度参数，所述的光照传感器、温湿度传感器分别与光照ZigBee模块、温湿度ZigBee模块双向连接，光照ZigBee模块和温湿度ZigBee模块作为保温箱环境信息采集节点的通信模块分别与网关进行通信；

所述的控制节点包括控制器模块、控制器电源模块、控制器ZigBee模块、RS232转换电路和PLC模块；所述的控制器ZigBee模块作为控制节点的通信模块与网关进行通信，控制器ZigBee模块与控制器模块双向连接，控制器模块和RS232转换电路双向连接，RS232转换电路与PLC模块双向连接，所述的PLC模块的控制信号端与保温箱内的光照、温湿度调控设备的控制信号端相连。

一种保温箱仔猪生长参数监控方法，基于保温箱仔猪生长参数监控系统，该方法包括以下步骤：

初始化的步骤：在图像ARM模块中设定保温箱为空时称重传感器输出的数值为M₀，

获取称重数据的步骤：启动图像传感器节点，采用称重传感器对保温箱进行实时重量采集，若称重传感器的检测值M大于M₀，则周期性监测称重传感器的输出数值M是否稳定，当称重数值M连续稳定达到一定次数后则认定保温箱内仔猪处于休息状态且没有仔猪进出；

获取图像数据的步骤：图像ARM模块驱动图像采集模块拍摄一副图像；图像ARM模块将获取的图像和连续稳定的称重数值M通过串口传输至图像ZigBee模块，图像ZigBee模块将数据转发至网关节点；

控制中心服务器计算仔猪重量的步骤：网关节点将上述数据转发至控制中心服务器，控制中心服务器采用图像分割处理方法对获取的保温箱的图像进行分割处理，得到保温箱内仔猪的数量N，将称重数值M/仔猪的数量N,得到保温箱仔猪生长参数，即保温箱仔猪的重量。

一种保温箱仔猪生长参数监控方法，基于保温箱仔猪生长参数监控系统，该方法包括以下步骤：

初始化的步骤：在图像ARM模块中设定保温箱为空时称重传感器输出的数值为M₀，

获取称重数据的步骤：启动图像传感器节点，采用称重传感器对保温箱进行实时重量采集，若称重传感器的检测值M大于M₀，则周期性监测称重传感器的输出数值M是否稳定，当称重数值M连续稳定达到一定次数后则认定保温箱内仔猪处于休息状态且没有仔猪进出；

获取图像数据的步骤：图像ARM模块驱动图像采集模块拍摄一副图像；图像ARM模块将获取的图像和连续稳定的称重数值M通过串口传输至图像ZigBee模块，图像ZigBee模块将数据转发至网关；

保温箱环境参数采集的步骤：定时启动光照传感器和温湿度传感器进行数据采集，光照ZigBee模块和温湿度ZigBee模块将前述数据传送至网关；

控制中心服务器计算仔猪重量的步骤：网关节点将上述数据转发至控制中心服务器，控制中心服务器采用图像分割处理方法对获取的保温箱的图像进行处理，得到保温箱内仔猪的数量N，将称重数值M/仔猪的数量N,得到保温箱仔猪生长参数，即保温箱仔猪的重量；

保温箱环境参数控制的步骤：网关将前述数据转发至控制中心服务器，控制中心服务器根据保温箱环境参数获取保温箱内光照、温湿度调控设备的控制参数，将控制信息通过网关发送至控制节点的控制器模块，控制器模块通过RS232转换电路将信息发送至PLC模块，所述的PLC模块控制保温箱内的光照、温湿度调控设备的电机工作。

本发明的网关将数据存储在FLASH模块，并通知以太网通信发送线程；以太网通信发送线程收到通知后，对网络连接状态进行判断，网络连接存在则通过3G模块将数据发送至控制中心服务器，网络连接不存在则等待连接；以太网通信接收线程等待控制中心服务器命令，接收到到命令后发送至无线网络通信线程，通过网关ZigBee模块将命令发送至相关节点。

 有益效果：

    系统采取自动称重，避免人和仔猪的直接接触，降低了仔猪的应激性；自动称重选取仔猪睡眠时候进行，称重数据准确可靠；温湿度、光照度传感器节点实时监测并控制保温箱内保温板和保温灯，使得温湿度和光照度与仔猪生理要求匹配，增加了仔猪的成活率和增重率。  

附图说明

图1是本发明系统整体框架图。

图2是本发明图像传感器节点结构图。

图3是本发明保温箱环境信息采集节点结构图。

图4是本发明控制节点结构图。

图5是本发明网关结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种保温箱仔猪生长参数监控系统，它包括图像传感器节点、网关和控制中心服务器，所述的图像传感器节点包括图像ARM模块、图像ZigBee模块、图像电源模块、称重传感器、信号转换电路和图像采集模块；所述称重传感器通过信号转换电路和图像ARM模块连接，图像ZigBee模块与图像ARM模块双向连接，图像采集模块与图像ARM模块双向连接，称重传感器、信号转换电路、图像ARM模块和图像采集模块分别同图像电源模块连接；所述的图像ARM模块通过图像ZigBee模块与网关无线连接，网关与控制中心服务器无线连接。

一种保温箱仔猪生长参数监控系统，它包括图像传感器节点、保温箱环境信息采集节点、控制节点、网关、控制中心服务器，所述的图像传感器节点包括图像ARM模块、图像ZigBee模块、图像电源模块、称重传感器、信号转换电路和图像采集模块；所述称重传感器通过信号转换电路和图像ARM模块连接，图像ZigBee模块与图像ARM模块双向连接，图像采集模块与图像ARM模块双向连接，称重传感器、信号转换电路、图像ARM模块和图像采集模块分别同图像电源模块连接；所述的图像ARM模块通过图像ZigBee模块与网关无线连接，所述的保温箱环境信息采集节点用于采集保温箱的环境参数，所述的保温箱环境信息采集节点的信号输出端与网关的信号输入端无线连接，所述的网关与控制中心服务器无线连接，网关的控制信号输出端与控制节点的控制信号输入端无线连接，所述的控制节点用于调控保温箱中的被控设备。

本发明的信号转换电路是由放大电路、滤波电路、A/D转换电路、RS485电路顺次连接组成的。

本发明的网关包括网关ZigBee模块、网关ARM模块、3G模块和网关电源模块；所述的网关ZigBee模块作为网关的一通信模块与图像传感器节点、保温箱环境信息采集节点和控制节点无线连接，网关ZigBee模块与网关ARM模块双向连接，网关ARM模块与3G模块双向连接，所述的3G模块作为网关的另一通信模块与控制中心服务器无线连接。

本发明的网关还包括网口扩展器和RJ45网口；网口扩展器同网关ARM模块双向连接，RJ45网口同网口扩展器连接。

本发明的网关ARM模块连接有一个FLASH存储器和两个SDRAM存储器。

本发明的保温箱环境信息采集节点包括光照电源模块、温湿度电源模块、光照传感器、温湿度传感器、光照ZigBee模块和温湿度ZigBee模块；所述的光照传感器和温湿度传感器分别用于采集保温箱的光照、温湿度参数，所述的光照传感器、温湿度传感器分别与光照ZigBee模块、温湿度ZigBee模块双向连接，光照ZigBee模块和温湿度ZigBee模块作为保温箱环境信息采集节点的通信模块分别与网关进行通信；

控制节点包括控制器模块、控制器电源模块、控制器ZigBee模块、RS232转换电路和PLC模块；所述的控制器ZigBee模块作为控制节点的通信模块与网关进行通信，控制器ZigBee模块与控制器模块双向连接，控制器模块和RS232转换电路双向连接，RS232转换电路与PLC模块双向连接，所述的PLC模块的控制信号端与保温箱内的光照、温湿度调控设备的控制信号端相连。

如图2所示，为本发明保温箱环境信息采集节点。

初始化的步骤：在图像ARM模块中设定保温箱为空时称重传感器输出的数值为M₀，

获取称重数据的步骤：启动图像传感器节点，采用称重传感器对保温箱进行实时重量采集，若称重传感器的检测值M大于M₀，则周期性监测称重传感器的输出数值M是否稳定，当称重数值M连续稳定达到一定次数后则认定保温箱内仔猪处于休息状态且没有仔猪进出；

获取图像数据的步骤：图像ARM模块驱动图像采集模块拍摄一副图像；图像ARM模块将获取的图像和连续稳定的称重数值M通过串口传输至图像ZigBee模块，图像ZigBee模块将数据转发至网关节点。

控制中心服务器计算仔猪重量的步骤：网关节点将上述数据转发至控制中心服务器，控制中心服务器采用图像分割处理方法对获取的保温箱的图像进行处理，得到保温箱内仔猪的数量N，将称重数值M/仔猪的数量N,得到保温箱仔猪生长参数，即保温箱仔猪的重量。

如图3所示，为本发明保温箱环境信息采集节点。 

保温箱环境参数采集的步骤：定时启动光照传感器和温湿度传感器进行数据采集，光照ZigBee模块和温湿度ZigBee模块将前述数据传送至网关。

如图4所示，为本发明的控制节点。

网关将前述数据转发至控制中心服务器，控制中心服务器根据保温箱环境参数获取保温箱内光照、温湿度调控设备的控制参数，将控制信息通过网关发送至控制节点的控制器模块，控制器模块通过RS232转换电路将信息发送至PLC模块，所述的PLC模块控制保温箱内的光照、温湿度调控设备的电机工作。

如图5所示，为本发明网关节点。

网关将数据存储在FLASH模块，并通知以太网通信发送线程；以太网通信发送线程收到通知后，对网络连接状态进行判断，网络连接存在则通过3G模块将数据发送至控制中心服务器，网络连接不存在则等待连接；以太网通信接收线程等待控制中心服务器命令，接收到到命令后发送至无线网络通信线程，通过网关ZigBee模块将命令发送至相关节点。

Claims (10)

1.一种保温箱仔猪生长参数监控系统，其特征是：它包括图像传感器节点、网关和控制中心服务器，所述的图像传感器节点包括图像ARM模块、图像ZigBee模块、图像电源模块、称重传感器、信号转换电路和图像采集模块；所述称重传感器通过信号转换电路和图像ARM模块连接，图像ZigBee模块与图像ARM模块双向连接，图像采集模块与图像ARM模块双向连接，称重传感器、信号转换电路、图像ARM模块和图像采集模块分别同图像电源模块连接；所述的图像ARM模块通过图像ZigBee模块与网关无线连接，网关与控制中心服务器无线连接。

2.根据权利要求1所述的一种保温箱仔猪生长参数监控系统，其特征是：所述的信号转换电路是由放大电路、滤波电路、A/D转换电路、RS485电路顺次连接组成的。

3.根据权利要求1所述的一种保温箱仔猪生长参数监控系统，其特征是：所述的网关包括网关ZigBee模块、网关ARM模块、3G模块和网关电源模块；所述的网关ZigBee模块作为网关的一通信模块与图像传感器节点、保温箱环境信息采集节点和控制节点无线连接，网关ZigBee模块与网关ARM模块双向连接，网关ARM模块与3G模块双向连接，所述的3G模块作为网关的另一通信模块与控制中心服务器无线连接。

4.根据权利要求1所述的一种保温箱仔猪生长参数监控系统，其特征是：所述的网关还包括网口扩展器和RJ45网口；网口扩展器同网关ARM模块双向连接，RJ45网口同网口扩展器连接。

5.根据权利要求3或4所述的一种保温箱仔猪生长参数监控系统，其特征是：所述的网关ARM模块连接有一个FLASH存储器和两个SDRAM存储器。

6.一种保温箱仔猪生长参数监控系统，其特征是：它包括图像传感器节点、保温箱环境信息采集节点、控制节点、网关、控制中心服务器，所述的图像传感器节点包括图像ARM模块、图像ZigBee模块、图像电源模块、称重传感器、信号转换电路和图像采集模块；所述称重传感器通过信号转换电路和图像ARM模块连接，图像ZigBee模块与图像ARM模块双向连接，图像采集模块与图像ARM模块双向连接，称重传感器、信号转换电路、图像ARM模块和图像采集模块分别同图像电源模块连接；所述的图像ARM模块通过图像ZigBee模块与网关无线连接，所述的保温箱环境信息采集节点用于采集保温箱的环境参数，所述的保温箱环境信息采集节点的信号输出端与网关的信号输入端无线连接，所述的网关与控制中心服务器无线连接，网关的控制信号输出端与控制节点的控制信号输入端无线连接，所述的控制节点用于调控保温箱中的被控设备。

7.根据权利要求6所述的一种保温箱仔猪生长参数监控系统，其特征是：

所述的保温箱环境信息采集节点包括光照电源模块、温湿度电源模块、光照传感器、温湿度传感器、光照ZigBee模块和温湿度ZigBee模块；所述的光照传感器和温湿度传感器分别用于采集保温箱的光照、温湿度参数，所述的光照传感器、温湿度传感器分别与光照ZigBee模块、温湿度ZigBee模块双向连接，光照ZigBee模块和温湿度ZigBee模块作为保温箱环境信息采集节点的通信模块分别与网关进行通信；

所述的控制节点包括控制器模块、控制器电源模块、控制器ZigBee模块、RS232转换电路和PLC模块；所述的控制器ZigBee模块作为控制节点的通信模块与网关进行通信，控制器ZigBee模块与控制器模块双向连接，控制器模块和RS232转换电路双向连接，RS232转换电路与PLC模块双向连接，所述的PLC模块的控制信号端与保温箱内的光照、温湿度调控设备的控制信号端相连。

8.一种保温箱仔猪生长参数监控方法，基于权利要求1所述的保温箱仔猪生长参数监控系统，其特征在于：该方法包括以下步骤：

初始化的步骤：在图像ARM模块中设定保温箱为空时称重传感器输出的数值为M₀，

获取称重数据的步骤：启动图像传感器节点，采用称重传感器对保温箱进行实时重量采集，若称重传感器的检测值M大于M₀，则周期性监测称重传感器的输出数值M是否稳定，当称重数值M连续稳定达到一定次数后则认定保温箱内仔猪处于休息状态且没有仔猪进出；

获取图像数据的步骤：图像ARM模块驱动图像采集模块拍摄一副图像；图像ARM模块将获取的图像和连续稳定的称重数值M通过串口传输至图像ZigBee模块，图像ZigBee模块将数据转发至网关节点；

控制中心服务器计算仔猪重量的步骤：网关节点将上述数据转发至控制中心服务器，控制中心服务器采用图像分割处理方法对获取的保温箱的图像进行分割处理，得到保温箱内仔猪的数量N，将称重数值M/仔猪的数量N,得到保温箱仔猪生长参数，即保温箱仔猪的重量。

9.根据权利要求8所述的保温箱仔猪生长参数监控方法，其特征是：所述的网关将数据存储在FLASH模块，并通知以太网通信发送线程；以太网通信发送线程收到通知后，对网络连接状态进行判断，网络连接存在则通过3G模块将数据发送至控制中心服务器，网络连接不存在则等待连接；以太网通信接收线程等待控制中心服务器命令，接收到到命令后发送至无线网络通信线程，通过网关ZigBee模块将命令发送至相关节点。

10.一种保温箱仔猪生长参数监控方法，基于权利要求7所述的保温箱仔猪生长参数监控系统，其特征在于：该方法包括以下步骤：

初始化的步骤：在图像ARM模块中设定保温箱为空时称重传感器输出的数值为M₀，

获取称重数据的步骤：启动图像传感器节点，采用称重传感器对保温箱进行实时重量采集，若称重传感器的检测值M大于M₀，则周期性监测称重传感器的输出数值M是否稳定，当称重数值M连续稳定达到一定次数后则认定保温箱内仔猪处于休息状态且没有仔猪进出；

获取图像数据的步骤：图像ARM模块驱动图像采集模块拍摄一副图像；图像ARM模块将获取的图像和连续稳定的称重数值M通过串口传输至图像ZigBee模块，图像ZigBee模块将数据转发至网关；

保温箱环境参数采集的步骤：定时启动光照传感器和温湿度传感器进行数据采集，光照ZigBee模块和温湿度ZigBee模块将前述数据传送至网关；

控制中心服务器计算仔猪重量的步骤：网关节点将上述数据转发至控制中心服务器，控制中心服务器采用图像分割处理方法对获取的保温箱的图像进行处理，得到保温箱内仔猪的数量N，将称重数值M/仔猪的数量N,得到保温箱仔猪生长参数，即保温箱仔猪的重量；

保温箱环境参数控制的步骤：网关将前述数据转发至控制中心服务器，控制中心服务器根据保温箱环境参数获取保温箱内光照、温湿度调控设备的控制参数，将控制信息通过网关发送至控制节点的控制器模块，控制器模块通过RS232转换电路将信息发送至PLC模块，所述的PLC模块控制保温箱内的光照、温湿度调控设备的电机工作。

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