CN103576632A - 基于物联网技术的生猪生长环境监测与控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网技术的生猪生长环境监测与控制系统，包括数据仓库、传感数据采集模块、前端信息采集模块、通信模块、后台管理模块、环境控制模块、云计算/数据挖掘模块、RFID生猪个体信息采集与管理模块、视频监控模块的集成平台。整个系统通过物联网技术和传感技术实现了生猪个体档案跟踪和猪舍实地环境参数记录，通过后台管理的云计算分析和数据挖掘算法提供了基于实地数据的人工智能管理，为用户提供了一整套实时管控、事后溯源的解决方案。

Description

基于物联网技术的生猪生长环境监测与控制系统

(一)技术领域

本发明属于物联网智能化管理系统，具体地说是一种基于物联网技术的生猪生长环境监测与控制系统。 

(二)背景技术

物联网技术诞生以来，越来越多的应用于各行各业中，为行业发展提供了最新的技术支撑。“物联网”是将所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。 

从技术发展趋势来看，物联网技术的发展呈现出融合化、嵌入化、可信化、智能化的特征，从管理应用发展趋势呈现标准化、服务化、开放化、工程化的特征。物联网发展的关键在于应用，只有以应用需求为导向，才能带动物联网技术与产业的蓬勃发展。借助物流网的发展潮流，将其引入到生猪安全生产中，使用电子耳标识和相关传感器管控和追踪农产品的免疫记录、健康记录和饲养记录。 

本发明实施将目前国内领先的技术运用到生猪饲养当中，为此类技术的突破。 

(三)发明内容

本发明是集成物联网、云计算、传感技术等，构建一个生猪安全生产与智能管控的信息化平台，为猪肉饲养、加工与销售全产业链上的其他环节提供智能决策依据，并为企业、政府监管部门及客户提供信息化监管平台包括数据仓库、传感数据采集模块、前端信息采集模块、通信模块、后台管理模块、环境控制模块、云计算/数据挖掘模块、RFID生猪个体信息采集与管理模块、视频监控模块。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 

1.生猪信息采集与通信的物联网技术 

物联网主要由EPC编码、RFID 电子标签、读写器、神经网络软件(Savant)、传感器、无线通信网络、数据库组成，本发明在已有技术基础上，主要对RFID自动识别技术、传感器网络与检测技术、基于ZigBee的通信技术进行研究，实现低成本、低能耗、高精度的采集与传输。 

1)二维条码耳标及RFID自动识别技术 

利用二维条码耳标、电子标签(RFID)中间件技术，研究生猪生产全程的电子编码技术，引用标准的协议和接口，实现RFID读写器与数据中心之间的信息交互，建立基于电子标签中间件技术的编码溯源相关数据库。重点研究集成数据过滤和预处理机制的RFID事件管理器、具有多功能接口的RFID信息服务器，及电子标签中间件应用体系结构。 

2)传感器网络与检测技术 

重点研究传感器的分布式信息处理技术、嵌入式计算机技术、智能化传感网络节点及传感器自身的检测与控制技术，完成无线传感器在养猪场的信息采集，实现与数据库之间的信息交互。 

传感器采集环境信息如附图3所示： 

例如：发送：{R01SEN} 

传同：{FS01#000000#000000#000000#000000#000000#} 

控制开关状态 

(1)发送：{R01K1N}传回：{FA01K1N}功能：打开设备1 

(2)发送：{R01K1F}传回：{FA01K1F}功能：关闭设备1 

(3)发送：{R01K2N}传回：{FA01K2N}功能：打开设备2 

(4)发送：{R01K2F}传回：{FA01K2F}功能：关闭设备2 

(5)发送：{R01K3N}传回：{FA01K3N}功能：打开设备3 

(6)发送：{R01K3F}传回：{FA01K3F}功能：关闭设备3 

(7)发送：{R01K4N}传回：{FA01K4N}功能：打开设备4 

(8)发送：{R01K4F}传回：{FA01K4F}功能：关闭设备4 

3)多参数传感器融合技术 

猪舍环境是一个多变量、大惯性、非线性系统，且有耦合、延时等现象，需利用多参数传感器融合技术来监测和调控各参数。对同类传感器使用自适应加权算法进行特征级融合，提高测量值的准确性，对不同类传感器进行决策级融合，通过多只不同类传感器采集的环境参数的共同作用来对猪舍环境状态做出精确的识别。 

4)基于ZigBee的通信技术 

ZigBee技术是一种简单、低功耗、低成本、高效率的无线通信技术，由于其数据速率低、网络容量大等特点，适合应用于生猪养殖的数据传输，同时能够较好保障数据安全。 

2基于云计算的数据存储、处理技术 

1)海量数据的分布式存储技术 

构建层次式的分布式海量数据存储系统，需要对不同特征值和不同类型的数据进行存储，而且对底层磁盘设施进行管理和协调，保证其高可用性和高效性。 

2)海量数据分析系统 

利用MapReduce编程框架构建分布式海量数据分析系统，根据发明所涉及的数据分析应用的逻辑数据流，设计MapReduce处理流程，包含作业主控函数、map、shuffle、combine、reduce等步骤。 

3)海量数据分类与处理 

用关联规则、序列模式、分类和聚类技术、数据挖掘与知识发现等技术，对海量数据进行处理，从而从海量的数据中提取出有效的、有用的及最终可以理解的信息。并通过即席(ad hoc)的复杂聚集查询，满足基地工作人员、企业客户和政府的查询要求。 

3.智能管控技术 

1)基于人工智能的专家系统 

研究人机交互技术、人工神经网络知识获取及学习机制、智能搜索、知识处理等技术，并对智能控制技术及智能信号处理技术进行研究，将智能系统植入耳标识中，使传感技术更加的数字化、网络化和智能化；建立生猪养殖健康专家系统，利用基地及同行业的数据库，实现智能的推理和判断，模拟专家有效解决生猪养殖中存在的安全隐患，为基地提供智能决策。 

2)监控与预警技术 

在数据处理和专家系统的基础上，建设预警体系及工作流环节预警响应条件，，对出现问题的环节进行预警反馈。根据不同生猪养殖的危害分析与关键控制点，研究建立HACCP管理组件库，包括HACCP计划管理组件、关键控制点比对组件、HACCP记录管理组件、纠偏与预警组件。 

本发明中采用了基于RFID的个体猪采集与管理技术，将携带RFID芯片的电子耳标嵌入刚出生的猪仔耳朵，赋予每头猪全球唯一的ID，记录饲养、饲料、药物、防疫等全部信息，通过RFID标签、RFID读写器及后台数据库之间的信息转换，建立完善的个体档案。在猪出栏销售时，只需读取电子耳标中的数据，就可以实现全程跟踪与追溯，防止病猪出栏，杜绝源头污染。此外，本发明还建立专家预警系统，对生猪猪耳标内的实时数据信息进行分析和处理，判断生猪的异常情况，及时发现和解决生猪安全问题。 

本发明中运用了基于传感技术的多参数环境监测与管理信息系统。多参数环境监测与管理信息系统主要包括两个方面：一是环境因子参数监测系统的设计，二是环境因子调控系统的设计。首先，由集成传感器将猪舍环境中待检测的信息转化为数字信号，然后通过ZigBee通信技术传输至信息处理中心进行处理，信息处理中心输出控制指令实现对调控系统的控制。数据处理中心在完成对多个猪舍进行监测、管理与控制，实现对猪舍的分布式网络控制的同时，还能够查询历史数据和历史趋势，为工作人员提供参考。另外，在猪出栏时，可实现将猪舍环境参数信息转换至生猪个体信息标识中，改变了个体标识信息不完整现状。 

本发明采用视频、音频技术、远程传输技术和分布式三维可视化技术，对猪舍全方位、多要素进行监视、监听和监控。测控信息通过控制网络传至监控计算机，进行存储、显示、分析、输出，实现生猪养殖和安全监控的数字化管理，为日后调查处理各种事件、事故和故障提供强有力的证据。 

图像传输至信息中心后，一方面可以在主控室的监视器上进行定点观看，同时数字硬盘刻录机可与之或手动选择录制各监视点的图像，另一方面，通过网络视频服务器把图像传输至互联网计算机上进行显示，这样各网络终端可在权限范围内灵活选择观看各监视点录像，为企业客户和政府提供实时监视录像。 

本发明中运用了基于云计算的数据中心及管理平台，数据存储与处理是整个生猪养殖监管信息系统的核心，考虑到生猪生产网点多、规模大，数据多属性、实时更新、转换频繁等实际情况，需要建立层次式分布式存储和集成系统，保证数据存储的完整性和高效性。然后，通过对生猪个体信息数据、多参数环境监测数据及猪舍视频三维数据集成，建立数据模型，采用数据挖掘、多维分析、服务聚合、数据推荐、中间件技术、专家系统等数据处理技术开展数据分析与处理，进一步提高生猪监管的效率及可行性；并建立基于人工智能的专家系统，建立生猪养殖的实时控制和预警体系，保证生猪源头安全。 

在云计算数据中心的基础上，建立基于.net和web service技术的B/S平台，采用客户机、应用服务器、数据库服务器三层架构，支持基于Internet的远程、多用户、多终端设备的可视化访问，为企业内部管理人员、政府和企业客户提供不同权限的分布式访问平台。 

(四)附图说明

图1基于物联网的生猪安全生产与管控系统框图 

图2生猪安全生产管控的工作步骤 

图3传感器数据实例 

图4系统硬件架构 

图5通讯模块结构 

(五)具体实施方式

参阅附图4所示，为本发明基于物联网的生猪安全生产与管控系统主要架构在以RS485为基础通信系统18上，而该系统的前端为信息处理模块15(AVRMega128双串口)，用以处理基于物联网协议ZigBee数据采集装置所传输的数据。环境数据采集装置主要包括温湿度传感器1(型号：SHT11)、二氧化碳传感器2(型号：MQ137)、氨气传感器3(型号：MG811)、土壤湿度传感器4(型号：SHT11)，四种传感装置通过ZigBee中间件5接入到前端为信息处理模块15。生猪个体数据采集主要通过RFID芯片11，在各个芯片中写入生猪个体的主要数据，通过RFID读写器12将数据转换为相应格式后接入ZigBee中间件5传送给前端为信息处理模块15。前端为信息处理模块15将数据处理之后将数据重新编码，如附图3所示。破编码的数据可以在前端显示屏16中显示，以备工作人员登记备案。同时前端GPRS模块17(扩展)将信息发送给该区域的手持移动设备，装有手持移动设备可以通过B/S架构的后台管理信息系统进行操作。前端信息处理模块15另一任务是接受来自RS485通信线路18或者GPRS模块17用户操作指令后，将指令译码后通过ZigBee中间件5与控制电路6通信，控制电路6根据指令内容操作喷水器开关7、电风扇开关8、照明灯开关9、通风窗开关10。 

RS485通信线路18的终端装置为监控中心个人计算机(PC)、笔记本型计算机(NB)或者工作站(Workstation)，统称为安装管控信息系统终端19。在管控信息系统终端19之上，可以通过基于B/S架构的后台管理软件查看和前端装置的信息和控制前端环境。同时，管控信息系统终端19可以通过RS485通信线路18查看摄像头13存放在视频服务器14的猪舍声影信息。管控信息系统终端19和.数据仓库服务器20通信，可以读取数据仓库20中的历史记录或者将实时信息按照一定的颗粒等级传输给数据仓库20以永久存储。监控中心中的管控信息系统终端19将数据库中的海量历史提交数据云计算服务器21上，通过云计算对海量数据进行数据挖掘，以产生符合要求的推荐方案，提供专家支持决策和预警机制。监控中心中的管控信息系统终端19上提供GPRS模块(扩展)22(型号：SIM900A)已满足监控中心手持终端设备的扩展。 

Claims (5)

1.一种基于物联网技术的生猪生长环境监测与控制系统，可以管控猪舍实时环境，以及对环境信息进行分析，如附图一所示其特征在于包含以下模块：

●所述数据仓库，用于储存分类数据：包括：温度数据、土壤湿度数据、二氧化碳数据、氨气数据、甲烷浓度数据、设备运行时间等；

●所述传感数据采集模块：是由多个传感器组成，与ATmega128单片机连接，用于采集环境数据，将数据传送给前端信息处理模块；

●所述前端信息采集模块，采用ATMEL公司的8位系列单片机的最高配置的一款单片机，通过嵌入的程序实现一定时间间隔的环境参数的处理并显示在显示屏上显示，同时通过与单片机相连接的通信模块将信息传给本地服务器和远程终端；

●所述通信模块是整个信息传递的枢纽，包括有线通信和无线通信两种功能：通过RS232和RS485线路，实现现场信息的传递，将信息通过有线传递给监控中心，同时GPRS模块可以实现与远程终端通信；

●所述后台管理模块，使用户能够监控和管理实地环境的人机交互系统：用户可以通过远程终端或者客户PC终端进去管理信息系统。该系统采用B/S架构，可将环境参数变化以直观图形和数据的方式，并实时将用户操作反馈给控制模块控制实地环境，同时用户功功能按照权限分配；

●所述环境控制模块，是由多个设备组成的控制系统，根据用户指令来改变环境参数。该模块主要由通风设备、喷水加湿设备、温度调节设备；

●所述云计算/数据挖掘模块完成的主要功能是：通过云计算数据中心对数据仓库中环境参数、生猪个体数据资料进行数据挖掘，以提供专家建议和建立预警机制；

●所述RFID生猪个体信息采集与管理模块，采用RFID芯片嵌入生猪耳朵以赋予生猪唯一ID，以记录生猪培育环节的档案信息，跟踪生猪个体饲养、饲料、药物、防疫信息；

●所述视频监控模块，由监视、监听和监控设备构成，将实地的监视和监听信息传送给监控中心的监控设备，在监控中心中存储并且数字化打包后存入数据中心以备查阅。

2.根据权利要求1中所叙述的一种基于物联网的生猪安全生产与管控系统，其权利特征在于实现生猪安全生产管控的步骤，如附图二所示：

步骤一：系统工作前对系统进行自检和参数设置，以满足实地工作需；

步骤二：传感器启动后采集模块采集猪舍环境参数，通过ZigBee将数据传递给前端信息采集模块。前端采集模块按照用户设定的时间间隔参数处理数据，数据包括：，包括温湿度、氨气浓度、土壤湿度、二氧化碳浓度等；

根据RIFD耳标，提供生猪个体的ID、饲养档案和出厂信息等。将信息通过ZigBee传递给前端信息采集模块；

步骤三：将采集来的信息通过前端信息采集模块的CPU处理后，可在前端12864液晶屏上显示相关信息，方便实地工作人员观察和登记；

步骤四：前端信息采集模块通过通信模块与外围设备通信：通过GPRS模块与PDA终端进行通信，用户根据监测报告进行操作；通过485线路与控制中心通信，监控中心用户根据检测报告进行操作；

步骤五：PDA 用户操作和监控中心用户操作都会通过相应通信模块反馈给环境控制模块，环境控制模块根据指令信息控制相应设备进行业务处理；

步骤六：传递给监控中心的信息以按照不同的数据颗粒度进行分类汇总，并且存放在数据仓库中；

步骤七：云计算中心根据数据仓库数据进行数据挖掘，根据海量数据进行分析进行统计和专家支持；

步骤八：专家支持系统生成统计报表、支持决策和挖掘报告，对用户提出的问题提出针对方案。

3.根据权利要求1所述的基于物联网的生猪安全生产与管控系统，传感数据采集模块特征在于：其传感器包括温度传感器-DS18B20、湿度传感器-DHT11、二氧化碳传感器、氨气传感器与前端信息采集模块之间通过ZigBee协议以及相应中间件进行通信，形成物联网。

4.根据权利要求1所述的基于物联网的生猪安全生产与管控系统，RFID生猪个体信息采集与管理模块特征在于：将RFID芯片嵌入猪仔耳朵中形成生猪个体耳标，根据每个生猪的ID号不同，为其建立独自的培育档案并写入数据仓库，将数据上传到系统数据库服务器，用于未来进行溯源；在生猪培育完成后出厂之时将耳标信息转换为二维码。

5.根据权利要求1所述的基于物联网的生猪安全生产与管控系统，数据仓库模块特征在于：数据仓库存储的信息包括环境参数、生猪耳标信息、生猪培育档案、设备运行信息、操作信息等。

根据权利要求1所述的基于物联网的生猪安全生产与管控系统，云计算/数据挖掘模块特征在于：采用用户推荐算法提供专家决策支持方案和预警。

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