CN103676886A - 标准化鸡舍环境与养殖信息监控及管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种标准化鸡舍环境与养殖信息监控及管理系统，包括：实时监测当前养殖环境中的环境参数及设备运行状态的养殖环境监测系统；通过控制系统实现对养殖环境监测系统实时控制的鸡舍环境控制系统；分别与养殖环境监测系统和鸡舍环境控制系统数据通信的养殖信息管理系统。本发明能实现对大规模养鸡场的环境信息进行参数监测、实时控制及远程监管，降低了成本，提高了效率。

Description

标准化鸡舍环境与养殖信息监控及管理系统

技术领域

本发明涉及一种养殖行业鸡舍的养殖信息的监控与管理，尤其是一种能够实现对大规模养鸡场的环境信息进行监测与实时控制并能够远程监管的自动化监控系统。

背景技术

近年来随着养殖规模的增大，其对养殖环境及养殖过程提出了更加严格的要求。为了适应大规模养殖的标准化、规范化，并进一步实现养殖控制的自动化、信息化和智能化，设计出了一种标准化鸡舍环境与养殖信息监控与管理系统。该系统是一种能够实现对集团式大规模养鸡场的环境信息进行监测与实时控制并能够远程监管的自动化监控系统，具有较高的学术与应用价值及市场前景。

中国专利申请201310239821.6公开了一种基于无线传感器网络的鸡舍环境智能监控系统。该系统通过采集系统中多点布局的采集节点采集鸡舍环境参数，并将数据通过ZigBee无线网络传输至上位机监控系统。同时，本发明的采集系统还包括若干个WiFi摄像头，WiFi摄像头采集的视频信息通过WiFi网络直接发送至上位机监控系统。上位机监控系统读取采集系统所发送的环境参数和视频信息，显示、分析数据并发出控制命令，该控制命令经ZigBee网络发送至下位机控制系统，下位机控制系统根据所接收的控制信息直接控制执行机构。该专利通过ZigBee无线网络传输技术和WiFi网络能够实现对大规模养鸡场的环境信息进行监测与实时控制，实现了对温度，湿度和有害气体等的检测。其相对于标准化鸡舍环境与养殖信息监控与管理系统有以下不足：传统的ZigBee单跳、主从通信方式存在通信效率较低、时延较大以及长距离通信可靠性不是十分理想等问题。

中国专利ZL201020573986.9公开了一种基于无线传感器网络的禽舍环境监控系统，包括采集禽舍环境温度数据的传感器节点、汇聚节点和管理中心，所述汇聚节点和管理中心通过3G网络相连，所述传感器节点和汇聚节点通过无线传感器网络相连并传送温度数据和控制命令。该专利实现了对禽舍环境温度数据的采集和管理，并使用3G网络实现汇聚节点和管理中心之间的通信，其相对于标准化鸡舍环境与养殖信息监控与管理系统有以下不足：

1.其实现了鸡舍环境温度的监控，并没有考虑了除温度之外的湿度，有毒有害气体对养殖过程的影响，缺乏严格的标准化鸡舍建设的概念，不能形成体系。

2.相对于标准化鸡舍环境与养殖信息监控与管理系统，其缺乏必要的养殖信息管理系统，不能实现肉鸡生长全过程的监测与控制，从而为食品安全监管的可溯源提供数据支持。

3.由于鸡舍内传感器节点数量众多，传感器节点间相互的距离很短，环境参数的分布不均匀，因此采用ZigBee树状拓扑结构可靠性不是十分理想，该结构的缺点在于整个通信链路上有一个节点坏掉，通信中断，没有可选的路径。

中国专利ZL201220024968.4公开了一种养殖场综合管理系统，包括料塔称重喂料系统和养殖物成长检测系统以及与料塔称重喂料系统和养殖物成长检测系统相连的控制中心。该专利可以实现自动定时喂料以及鸡舍气候调节和监控，其主要特征是对进料量做到较为精确的统计。相对于标准化鸡舍环境与养殖信息监控与管理系统有以下不足：

1.其可以实现对鸡舍内温湿度的监控，并没有考虑二氧化碳等气体对鸡舍内环境的影响，缺乏严格的标准化鸡舍建设的概念。

2.其重点在于精确统计进料量，缺少养殖信息管理系统，无法对鸡舍环境信息和养殖信息进行融合和记录，从而为后续的养殖和食品安全监管提供支持。

中国专利申请201110104940.1公开了一种适用于舍饲鸡舍环境指标智能化监控决策系统及其在养殖现场的应用，该系统由环境指标数据实时采集器、中枢控制系统、显示终端及部分中继器等组成，该系统可实时监测鸡舍内温度、湿度、光照强度、二氧化碳、一氧化碳、氨气、硫化氢和空气浊度等主要影响鸡舍环境质量的8个指标，并依据鸡舍环境指标变化提供自动或专家咨询式的决策，启动和关闭鸡舍内照明、风机(扇)、加温和湿帘等设备。该专利实现了对鸡舍内基本环境信息（温度、湿度、光照强度、二氧化碳、一氧化碳、氨气、硫化氢和空气污浊度）的采集，并对其进行相应控制。其相对于标准化鸡舍环境与养殖信息监控与管理系统有以下不足：

1.相对于标准化鸡舍环境与养殖信息监控与管理系统，其缺乏必要的养殖信息管理系统，只能对单一鸡舍环境信息进行采集，当鸡舍数量达到一定规模时，无法对大规模鸡舍的环境信息和养殖信息进行融合和记录，从而为后续的养殖和食品安全监管提供支持。

2.养殖环境控制系统是一个多变量、时延、非线性的复杂系统。自动或专家咨询式的决策方式因其鲁棒性不能满足控制需求，预测控制精度较低。

中国专利申请201010238367.9公开了一种养殖管理系统，包括：信息获取模块，用于获取养殖现场信息；信息处理模块，与所述信息获取模块电性连接，用于对所述养殖现场信息与养殖参考数据进行比对，并得出数据分析结果；决策支持模块，与所述信息处理模块电性连接，用于根据所述信息处理模块所得出的所述数据分析结果生成调度控制指令，来对所述养殖现场信息进行控制。该专利实现了对鸡舍环境信息的检测与监控，并通过与参考数据进行对比，得出分析结果，从而操作执行器对养殖现场进行控制。其相对于标准化鸡舍环境与养殖信息监控与管理系统有以下不足：

1.其缺乏必要的养殖信息管理系统，无法对大规模鸡舍的环境信息和养殖信息进行融合和记录，从而为后续的养殖和食品安全监管提供支持。

2.养殖环境控制系统是一个多变量、时延、非线性的复杂系统。不能简单地通过与参考数据对比得出分析结果与控制方案。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种标准化鸡舍环境与养殖信息监控及管理系统。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种标准化鸡舍环境与养殖信息监控及管理系统，包括：

实时监测当前养殖环境中的环境参数及设备运行状态的养殖环境监测系统；

通过控制系统实现对养殖环境监测系统实时控制的鸡舍环境控制系统；

分别与养殖环境监测系统和鸡舍环境控制系统数据通信的养殖信息管理系统。

所述养殖环境检测系统基于Zigbee网络组建分布式传感器网络，实现对鸡舍温湿度、氨气、二氧化碳、风速和用料量的实时监测；无线传感器网络分布在鸡舍内部，负责采集鸡舍内部的环境信息与设备运行状态的采集，并通过局域网的方式接入到本地客户端。

所述无线传感器网络包括温湿度传感节点、风速传感节点、CO₂传感节点、NH₃传感节点、料量状态监测节点和风机状态监测节点，该无线传感器网络为基于Zigbee协议的树形网络，所有传感节点网络属性均为Endvice,能任意挂装在整个养殖环境中，自主通过邻近的Router路由加入整个网络；Endvice将包含有传感信息的自定义数据格式的数据包经Router路由发送到Coordinator；Coordinator通过串口转以太网模块与运行监控系统的本地PC机建立局域网，通过该局域网将数据包上传至PC机上以供分析处理及上传分享；此外，这些传感节点为定时对当前环境参数及设备运行状态进行采样；在非采样期间，核心模块进入休眠模式，休眠电流为10uA级，降低了监测节点的功耗，从而保证了在40天的整个养殖周期中，蓄电池足以满足节点的电能供给。

所述鸡舍环境控制系统对养殖环境检测系统采集到的环境参数建模分析，由PLC控制系统对鸡舍湿帘、通风机，暖风机实时控制，进而改善鸡舍养殖环境。

所述养殖信息管理系统分为本地客户端和远程数据中心，在由本地PC机与协调器Coordinator所组成的局域网中，协调器通过Zigbee无线网络接收的固定数据格式的数据包，通过固定的端口上传至本地PC机并存档；本地客户端对接收到的数据包解析，生成相应的温湿度统计信息曲线，并实时显示养殖参数，存储历史数据，建立生长模型曲线，具备查询和录入功能，能实现养殖周期内某一时间段内养殖参数的查询，并能实现养殖管理人员对用药量、鸡只健康及死亡信息的录入，为智能决策提供依据；本地客户端接收的数据，通过有线或者无线的接入方式通过公共网络上传至网络服务器，远程用户通过Internet访问网络服务器的方式，实时监测鸡舍内部的情况，为优化养殖策略提供决策支持；另一方面能为食品安全监管可溯源提供数据支撑，同时权限用户能通过PC、手机智能终端设备查看相应的养殖信息。

本地客户端加入了报警功能，养殖人员通过本地客户端对不同养殖周期相应的温度、湿度、CO₂浓度、NH₃浓度、风速参数阈值进行设置，若当前的养殖环境阐述超出该范围后，系统便会启动报警器，通过不同的声光报警来提示养殖场管理人员当前的危险信息。

本发明的有益效果是，本发明能实现对大规模养鸡场的环境信息进行参数监测、实时控制及远程监管，降低了成本，提高了效率。我国在环境控制研究领域目前还处于起步阶段，虽然随着科技进步，环境监控方面的研究日益增多，但都存在着些许不足，与国外还有一定差距。国内外采用的控制技术也还是以经典的控制技术为主，但由于鸡舍环境控制是一个具有纯滞后、非线性、时变并且带有不确定性的复杂系统控制，对于此类由于环境复杂而带来的不确定性问题都缺乏有效的解决手段。标准化鸡舍环境与养殖信息监控与管理系统相对于以往类似设计主要有以下创新点：

1.标准化鸡舍环境与养殖信息监控与管理系统不仅可以使用上位计算机对养殖环境信息进行监控，还结合Android平台，允许用户使用智能手机安装相应APP软件实现对环境信息的监控与管理。

2.标准化鸡舍环境与养殖信息监控与管理系统中的养殖信息管理系统并非简单地将环境参数信息集成，而是通过肉鸡个体的生命体征参数检测，同时记录肉鸡生命周期的关键信息，将这些信息与环境参数信息集成，建立肉鸡生命周期信息管理系统，为食品安全监管可溯源提供决策支持，这方面的研究目前国内外都还是空白。

3.在传统的ZigBee网络中，单跳、主从通信方式存在通信的效率较低、时延较大以及长距离通信可靠性不是十分理想等问题。因此标准化鸡舍环境与养殖信息监控与管理系统采用分布式检测，多跳对等通信方式形成网状型拓扑结构，并设计冗余通信链路以提高系统的工业可靠性。另外，信号衰减和干扰等各种在长距离无线信号传播过程中遇到的问题通过多跳通信方式可以有效地避免。

4.养殖环境控制系统是一个多变量、时延、非线性的复杂系统。自动或专家咨询式的决策方式因其鲁棒性不能满足控制需求，预测控制精度较低。标准化鸡舍环境与养殖信息监控与管理系统采用将遗传算法应用于模糊控制的集成智能控制方法。集成智能控制算法结合了遗传算法与模糊控制的优点，提高了控制精度。

附图说明

图1是一个实施例结构图；

图2是养殖环境检测系统结构图；

图3是鸡舍环境控制系统结构图；

图4是监控系统总体设计图;

图5是分布式无线传感器网络结构图;

图6是系统总体流程结构图;

图7是模糊控制原理图;

图8是遗传算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1给出了本发明的标准化鸡舍与养殖信息管理系统结构图。标准化鸡舍与养殖信息管理系统由养殖环境监测系统，鸡舍环境控制系统及养殖信息管理系统三部分组成。养殖环境监测系统是为了实时监测当前养殖环境中的环境参数及设备运行状态而设计，主要由温湿度传感节点、风速传感节点、CO₂传感节点、NH₃传感节点、料量状态监测节点、风机状态监测节点等组成。鸡舍环境控制系统通过PLC控制系统可实现对养殖环境的实时控制，本系统基于养殖环境检测系统所提供的参数以及前台所提供的决策信息，控制鸡舍内部的风机、侧风窗、湿帘、洒水器、暖风机等设备的运行，以保证当前鸡舍内部环境保持在适宜当前鸡龄肉鸡生长的范围内。养殖信息管理系统分为本地客户端和远程数据中心，本地客户端实时显示养殖参数，具备查询和录入功能，同时将数据上传到服务器数据中心，为优化养殖策略提供决策支持，另一方面可为食品安全监管可溯源提供数据支撑，同时权限用户可通过PC、手机等智能终端设备查看相应的养殖信息。

图2给出了养殖环境监测系统结构图。本系统底层的传感节点采用的是自主开发的多种无线低功耗传感节点。主要包括温湿度传感节点、风速传感节点、CO₂传感节点、NH₃传感节点、料量状态监测节点、风机状态监测节点等。该传感网络为基于Zigbee协议的树形网络，所有传感节点网络属性均为Endvice,可任意挂装在整个养殖环境中，自主通过邻近的Router路由加入整个网络。Endvice将包含有传感信息的自定义数据格式的数据包经Router路由发送到Coordinator。Coordinator通过串口转以太网模块与运行监控的本地PC机建立局域网，通过该局域网将数据包上传至PC机上以供分析处理及上传分享。此外，这些传感节点为定时对当前环境参数及设备运行状态进行采样。在非采样期间，核心模块进入休眠模式，休眠电流为10uA级，大大降低了监测节点的功耗，从而保证了在40天左右的整个养殖周期中，蓄电池足以满足节点的电能供给。

图3给出了养殖环境控制系统结构图。鸡舍环境控制系统核心控制器采用的是PLC，以实现对养殖环境的实时控制。本系统基于养殖环境检测系统所提供的参数以及前台所提供的决策信息，控制鸡舍内部的风机、侧风窗、湿帘、洒水器、暖风机等设备的运行，以保证当前鸡舍内部环境保持在适宜当前鸡龄肉鸡生长的范围内。

图4给出了监控系统总体设计图。养殖信息管理系统分为本地客户端和远程数据中心。在由本地PC机与协调器Coordinator所组成的局域网中，协调器通过Zigbee无线网络接收的固定数据格式的数据包，通过固定的端口上传至本地PC机并存档。本地客户端对接收到的数据包进行解析，生成相应的温湿度统计信息曲线，并实时显示CO₂、风速等养殖参数。同时本地客户端具备查询和录入功能，可实现养殖周期内某一时间段内养殖参数的查询，并可实现养殖管理人员对用药量、鸡只健康及死亡信息的录入。此外，该客户端加入了报警功能，养殖人员通过本地客户端对不同养殖周期相应的温度、湿度、CO₂浓度、NH3浓度、风速等参数阈值进行设置，若当前的养殖环境阐述超出该范围后，系统便会启动报警器，通过不同的声光报警来提示养殖场管理人员当前的危险信息。同时客户端将数据上传到服务器数据中心，为优化养殖策略提供决策支持，另一方面可为食品安全监管可溯源提供数据支撑，同时权限用户可通过PC、手机等智能终端设备查看相应的养殖信息。

图5给出了分布式无线传感器网络结构图。其中ZigBee网络采用多跳对等通信方式形成网状型拓扑结构。

图6给出了系统总体流程结构图。传感器节点加入网络后，通过传感器采集环境信息，设置发送数据格式、数据帧，启动数据发送程序，将数据发送到网络中。传感器网络数据直接或者通过路由机制到达协调器节点，通过协调器网络层的数据接收程序并进行数据处理，解析成应用层能够识别的数据结构，调用串口数据发送程序发送到计算机客户端。

图7给出了模糊控制的原理图。系统采集被控制量的精确值与给定值比较，得到控制量偏差e作为模糊控制器的一个输入，经过模糊化得到模糊量E，模糊量E可以用模糊语言表示，得到模糊量E的一个集合。按照模糊规则进行模糊推理得到模糊空置量U。

图8给出了遗传算法流程图。遗传算法是将待优化参数组按照特定的适应函数和遗传操作对各参数进行筛选，将适应度高的参数保留，组成新的参数组，新群体保留上一代有用信息的同时引入新的优良个体。这样，不断循环，逐渐提高组群内个体的适应值，直到满足特定条件，此时群体中适应度最高的就是待优化参数的最优解。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种标准化鸡舍环境与养殖信息监控及管理系统，其特征是，包括：

实时监测当前养殖环境中的环境参数及设备运行状态的养殖环境监测系统；

通过控制系统实现对养殖环境监测系统实时控制的鸡舍环境控制系统；

分别与养殖环境监测系统和鸡舍环境控制系统数据通信的养殖信息管理系统。

2.如权利要求1所述的标准化鸡舍环境与养殖信息监控及管理系统，其特征是，所述养殖环境检测系统基于Zigbee网络组建分布式传感器网络，实现对鸡舍温湿度、氨气、二氧化碳、风速和用料量的实时监测；无线传感器网络分布在鸡舍内部，负责采集鸡舍内部的环境信息与设备运行状态的采集，并通过局域网的方式接入到本地客户端。

3.如权利要求2所述的标准化鸡舍环境与养殖信息监控及管理系统，其特征是，所述无线传感器网络包括温湿度传感节点、风速传感节点、CO₂传感节点、NH₃传感节点、料量状态监测节点和风机状态监测节点，该无线传感器网络为基于Zigbee协议的树形网络，所有传感节点网络属性均为Endvice,能任意挂装在整个养殖环境中，自主通过邻近的Router路由加入整个网络；Endvice将包含有传感信息的自定义数据格式的数据包经Router路由发送到Coordinator；Coordinator通过串口转以太网模块与运行监控系统的本地PC机建立局域网，通过该局域网将数据包上传至PC机上以供分析处理及上传分享；此外，这些传感节点为定时对当前环境参数及设备运行状态进行采样；在非采样期间，核心模块进入休眠模式，休眠电流为10uA级，降低了监测节点的功耗，从而保证了在40天的整个养殖周期中，蓄电池足以满足节点的电能供给。

4.如权利要求1所述的标准化鸡舍环境与养殖信息监控及管理系统，其特征是，所述鸡舍环境控制系统对养殖环境检测系统采集到的环境参数建模分析，由PLC控制系统对鸡舍湿帘、通风机，暖风机实时控制，进而改善鸡舍养殖环境。

5.如权利要求1所述的标准化鸡舍环境与养殖信息监控及管理系统，其特征是，所述养殖信息管理系统分为本地客户端和远程数据中心，在由本地PC机与协调器Coordinator所组成的局域网中，协调器通过Zigbee无线网络接收的固定数据格式的数据包，通过固定的端口上传至本地PC机并存档；本地客户端对接收到的数据包解析，生成相应的温湿度统计信息曲线，并实时显示养殖参数，存储历史数据，建立生长模型曲线，具备查询和录入功能，能实现养殖周期内某一时间段内养殖参数的查询，并能实现养殖管理人员对用药量、鸡只健康及死亡信息的录入，为智能决策提供依据；本地客户端接收的数据，通过有线或者无线的接入方式通过公共网络上传至网络服务器，远程用户通过Internet访问网络服务器的方式，实时监测鸡舍内部的情况，为优化养殖策略提供决策支持；另一方面能为食品安全监管可溯源提供数据支撑，同时权限用户能通过PC、手机智能终端设备查看相应的养殖信息。

6.如权利要求5所述的标准化鸡舍环境与养殖信息监控及管理系统，其特征是，本地客户端加入了报警功能，养殖人员通过本地客户端对不同养殖周期相应的温度、湿度、CO₂浓度、NH₃浓度、风速参数阈值进行设置，若当前的养殖环境阐述超出该范围后，系统便会启动报警器，通过不同的声光报警来提示养殖场管理人员当前的危险信息。

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