CN107728680A - 一种基于LoRa的远距离猪舍环境多参数测控系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LoRa的远距离猪舍环境多参数测控系统及其方法，LoRa终端包括数据采集模块、电源模块、控制器模块、执行设备、摄像头模块；所述汇聚节点包括LoRa模块和GPRS模块；所述猪舍群总服务器包括现场监控计算机、数据库模块、功能模块；所述数据采集模块、电源模块、执行设备均和控制器模块相连，控制器模块通过无线网络和LoRa模块相连，GPRS模块通过以太网和远程总服务器相连；该系统的功能模块包括了显示猪舍现场视频和对应点环境参数值，使得养殖户登录网站可以远程查看猪场现场状况，实现智能化养殖。本发明结合LoRa无线技术可以实现采集多个终端数据且组网简单的功能，适用于禽畜养殖场环境监测，具有远距离数据采集、功耗低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于LoRa技术的远距离通信方法和猪舍环境采集装置，属于物联网远程监控领域和畜禽养殖领域。特别是在现场利用STM32F103微处理器对数据进行处理，利用SX1278芯片对数据进行收发，经GPRS远程上传至服务器。
背景技术
中国是一个农业大国，尤其畜禽养殖规模不断扩大和养殖数量也不断上升，2016年全年生猪出栏量达到7亿头，占世界生猪出栏量的57.48％。但我国现在农村人口向逐渐向城市迁徙，农业领域劳动力缺乏。现代农业需要借助科学技术减少人力成本同时提高产量，向自动化和智能化方向发展。在畜禽养殖中，环境温湿度等影响因子是生猪与其生存环境保持平衡的重要因素，在适宜环境下，生猪能借助物理调节维持正常体温。因此在养殖业中融入新科技对猪舍的环境实时监测，提高监测精确性，有利于改善养殖产品质量和产量。
目前我国畜禽养殖在多参数环境监控方面已经引入物联网技术，建立物联网测控平台，对多种环境因子进行长期的实时监测和对养殖硬件设备的有效控制，主要采用的无线通信方式有GPRS、ZigBee、WiFi。通过这些物联网技术能够较为准确地采集传输环境参数值，但是WiFi距离短隔墙信号变弱，不适合大规模养殖场测控系统，ZigBee抗干扰性差且组网复杂，通讯距离不足，最远仅70m左右，有时还需增加协调器、路由器等设备，难以满足低成本、高效率等特点。
LoRa技术是一种基于扩频调制技术的无线通讯技术,是LPWAN通信技术的一种，用于建立长距离通信链路，最大程度实现远距离通信、低功耗发射、抗干扰性强等需求，因其深度覆盖、低功耗、容易部署等优势，在智能抄表、智慧农业、智慧城市、智慧社区等要求距离远、大量连接等领域都有应用。本发明采用LoRa结合GPRS技术设计多参数测控系统，其优势主要有远距离传输、速度快、低功耗、组网简单、远程控制等特点。
发明内容
本发明的目的在于研制基于LoRa的远距离猪舍环境多参数测控系统，增加网络传输距离，降低采集功耗，减少成本，实现远程智能控制，避免只能现场监控电脑客户端移动性不强，铺设大量线路以及费人费时等缺点，可以在任何有网络覆盖的地方登陆网站实时查看现场监控视频和采集参数，提高系统灵活性。
LoRa终端包括数据采集模块、电源模块、控制器模块、执行设备、摄像头模块；所述汇聚节点包括LoRa模块和GPRS模块；所述猪舍群总服务器包括现场监控计算机、数据库模块、功能模块；所述数据采集模块、电源模块、执行设备均和控制器模块相连，控制器模块通过无线网络和LoRa模块相连，GPRS模块通过以太网和远程总服务器相连；该系统的功能模块包括了显示猪舍现场视频和对应点环境参数值，使得养殖户登录网站可以远程查看猪场现场状况，实现智能化养殖。
首次使用该LoRa远距离猪舍环境多参数测控系统。通过分布式传感器测量各猪舍的环境参数，通过LoRa终端模块发送至集中器，集中器汇聚各点数据包通过处理器进行格式转换，使用GPRS模块将测量数据包上传至远程总服务器，服务器根据测得数据与设定阈值的比较控制猪舍内事先布置好的执行设备产生相应的动作，访问现场摄像头固定IP，获取视频数据流，监控设备执行情况，来达到精确调节环境的目的；同时网页客户端访问服务器在页面实时显示数据和监控视频，也可进行手动控制。实现本发明的系统的技术方案是：
一种基于LoRa的远距离猪舍环境多参数测控系统，包括猪舍群总服务器、汇聚节点和LoRa终端节点，所述猪舍群总服务器用于数据显示、预测预警分析、数据处理、数据存储、智能控制；所述LoRa终端节点用于环境采集和控制设备启停；
所述LoRa终端包括数据采集模块、电源模块、控制器模块、执行设备、摄像头模块；所述汇聚节点包括LoRa模块和GPRS模块；所述猪舍群总服务器包括现场监控计算机、数据库模块、功能模块；所述数据采集模块、电源模块、执行设备均和控制器模块相连，控制器模块通过无线网络和LoRa模块相连，GPRS模块通过以太网和远程总服务器相连；所述数据采集模块包括传感器组、调理电路、A/D转换器；所述传感器组包括温度传感器、湿度传感器、氨气传感器；所述传感器组连接调理电路将传感器信号转化为电压信号通过A/D转换器转换为数字信号传输至控制器；所述电源模块包括蓄电池供电和市电供电，执行设备用市电供电方式；所述摄像头模块采用好嘉义B系列无线版IP摄像头，自带电动云台，可带动摄像头转动；所述控制器模块包括微处理器和通信芯片；所述LoRa模块和GPRS模块将终端数据进行有效值提取、协议格式转换、上传至总服务器；所述数据库模块包括数据引擎实现数据存储、用户信息管理；所述功能模块包括设备控制管理和数据统计分析，所述设备控制管理包括设备状态、预测预警和阀门调节操作，所述数据统计分析包括数据实时显示、统计变化曲线、视频压缩管理。
进一步，所述LoRa模块和GPRS模块通信接口皆为RS232。
进一步，所述执行设备包括排污机、散热器、湿帘和负压风机。
进一步，所述处理器采用STM32F103微处理器；所述通信模块为低功耗半双工远距离收发器SX1278芯片；所述GPRS模块为WG-8010通信模块；所述处理器利用SPI口(MISO、MOSI、SCK、NSS)实现与SX1278的数据传输并对其寄存器进行配置。
进一步，所述猪舍群总服务器基于.net平台MVC框架设计WEB服务器；所述数据引擎采用SQLServer数据引擎。
本发明的方法的技术方案为：一种基于LoRa的远距离猪舍环境多参数测控方法，包括以下步骤：
步骤1，将环境采集传感器在猪舍中合适位置布置好，搭建分布式LoRa采集终端模块，安装现场执行设备，设计电源模块并完成线路连接，传感器模块连接调理电路将传感器信号转化为电压信号通过A/D转换器转换为数字信号传输至控制器；
步骤2，LoRa无线通信模块由SX1278芯片及外围电路组成，设计星状网络，由多个测量点加一个汇聚节点组成，汇聚节点包括一个LoRa模块加一个GPRS模块；
步骤3，打开汇聚节点和采集节点电源开关，进入等待休眠状态，等待服务器指令进行数据采集，多个节点数据经汇聚有效值提取并打包后通过GPRS模块连接INTERNET上传至服务器；
步骤4，稻草人域名解析服务器的域名，获取服务器IP，运行服务器打开SOCKET控件与客户端建立TCP/IP连接；
步骤5，发送指令接收数据，在监控界面实时显示环境参数值和远程控制现场设备；
步骤6，登录网站，输入用户名和密码，WEB服务器访问远程摄像头固定IP，获取数据流，网页显示猪舍现场情况，每个监控点对应显示此处环境参数值；
步骤7，将接收到的数据存储于SQLServer数据库中，以时间单位生成动态曲线图以便对环境参数进行阈值分析，从而对执行设备做出相应控制决策；
进一步，所述步骤3的具体等待执行以下步骤：
步骤1，设备上电硬件初始化，向服务器发送设备识别消息，得到应答后设置定时中断，进入休眠模式。
步骤2，定时唤醒关闭中断。通过AT指令查询GPRS是否收到服务器的数据。
步骤3，若接收到服务器数据，进入消息处理循环。首先解析服务器数据，是否向终端发送采集指令，若是，则向LoRa终端发送采集消息，等待并接受终端的反馈消息，将接收到的消息进行数据格式转换，通过GPRS上传至服务器；相反，则是服务器对终端执行设备的控制指令，根据要求对设备做相应的操作。
步骤4，若没有接收到消息，则返回重新进入中断状态，等待被定时器唤醒。
本发明的技术效果如下：
1)LoRa模块可延长网络传输距离，最远可达几千米，GPRS模块可连接INTERNET网络，实现远程传输，克服了以往无线网络组网复杂、传输距离有限的缺点。
2)核心控制器和射频芯片均采用低功耗模式，通过休眠、工作模式切换，降低采集功耗，减少成本。
3)实现远程智能控制，系统根据设定阈值智能精确调节环境参数，避免只能现场监控电脑客户端移动性不强，铺设大量线路以及费人费时等缺点，可以在任何有网络覆盖的地方登陆网站实时查看现场监控视频和采集参数，提高系统灵活性。
4)设计数据库引擎，可调用任意时间段文本数据，查看历史数据。
附图说明
图1是本发明系统总体设计图。
图2是本发明采集控制节点结构图。
图3是本发明BP神经网络PID控制器原理框图。
图4是本发明系统逻辑结构。
图5是本发明系统汇聚节点流程图。
图6是本发明服务器运行平台界面图。
图7是本发明网站监控界面图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1和图2所示，一种基于LoRa的远距离猪舍环境多参数测控系统，包括猪舍群总服务器、汇聚节点和多个LoRa终端节点，所述猪舍群总服务器用于数据显示、预测预警分析、数据处理、数据存储、智能控制；所述LoRa终端节点用于环境采集和控制设备启停；
所述LoRa终端包括数据采集模块、电源模块、控制器模块、执行设备、摄像头模块；所述汇聚节点包括LoRa模块和GPRS模块；所述猪舍群总服务器包括现场监控计算机、数据库模块、功能模块；所述数据采集模块、电源模块、执行设备均和控制器模块相连，控制器模块通过无线网络和LoRa模块相连，GPRS模块通过以太网和远程总服务器相连；
所述数据采集模块包括传感器组、调理电路、A/D转换器；所述传感器组包括温度传感器、湿度传感器、氨气传感器；所述传感器组连接调理电路将传感器信号转化为电压信号通过A/D转换器转换为数字信号传输至控制器；
所述电源模块包括蓄电池供电和市电供电，执行设备用市电供电方式；
所述摄像头模块采用好嘉义B系列无线版IP摄像头，自带电动云台，可带动摄像头转动；
所述执行设备包括排污机、散热器、湿帘和负压风机。
所述控制器采用STM32F103微处理器；所述通信模块为低功耗半双工远距离收发器SX1278芯片；所述处理器利用SPI口(MISO、MOSI、SCK、NSS)实现与SX1278的数据传输并对其寄存器进行配置；所述模拟开关用于切换接收和发送电路，实现数据收发。
所述LoRa模块和GPRS模块将终端数据进行有效值提取、协议格式转换、上传至总服务器；所述GPRS模块为WG-8010通信模块；
所述LoRa无线通信模块和GPRS模块通信接口皆为RS232。
所述猪舍群总服务器基于.net平台MVC框架设计WEB服务器；所述数据引擎采用SQLServer数据引擎。
所述数据库模块包括数据引擎实现数据存储、用户信息管理；所述功能模块包括设备控制管理和数据统计分析，所述设备控制管理包括设备状态、预测预警和阀门调节操作，所述数据统计分析包括数据实时显示、统计变化曲线、视频压缩管理。
步骤1，将环境采集传感器在猪舍中合适位置布置好，搭建分布式LoRa采集终端模块，安装现场执行设备，设计电源模块并完成线路连接，传感器模块连接调理电路将传感器信号转化为电压信号通过A/D转换器转换为数字信号传输至控制器；LoRa无线通信模块由SX1278芯片及外围电路组成，设计星状网络，由多个测量点加一个汇聚节点组成，汇聚节点包括一个LoRa模块加一个GPRS模块；
步骤2，打开汇聚节点和采集节点电源开关，进入等待休眠状态，等待服务器指令进行数据采集，多个节点数据经汇聚有效值提取并打包后通过GPRS模块连接INTERNET上传至服务器；
步骤3，稻草人域名解析服务器的域名，获取服务器IP，运行服务器，打开SOCKET控件与客户端建立TCP/IP连接；发送指令接收数据，在监控界面实时显示环境参数值；
步骤4，控制器模块采用BP神经网络PID控制方法，以氨气为例设计通风控制器，如图3所示，e为氨气浓度偏差，u为变频器的频率输入值，根据N＝60F/P(N:风机转速，F:变频器输出频率，P：极对数取值为1)对风机转速实施增减操作。神经网络采用三层BP网络，结构为2-6-3结构，输入层神经元分别为输入r和输出y,输出层神经元分别为KP,KI,KD，并且输出层和隐含层神经元变函数都取Sigmoid函数。
隐含层的变换函数：输出层的变换函数：
性能指标函数为：
式中，k为采样次数,yr(k+1)表示第K+1次的输入，y(k+1)表示第K+1次的输出。
根据各可调参数计算PID控制器的输出：
u(k)＝u(k-1)+KP(e(k)-e(k-1))+KIe(k)+KD(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))
式中参数分别为KP比例系数、KI积分系数、KD微分系数；k为采样次数，e(k)、e(k-1)、e(k-2)分别为第k、(k-1)、(k-2)时刻所得的偏差信号；u(k)、u(k-1)分别为第k、(k-1)时刻控制器的输出。
步骤5，登录网站，输入用户名和密码，WEB服务器访问远程摄像头固定IP，获取数据流，网页显示猪舍现场情况，每个监控点对应显示此处环境参数值；
步骤6，将接收到的数据存储于SQLServer数据库中，以时间单位生成动态曲线图以便对环境参数进行阈值分析，从而分析猪舍环境控制效果；
图4是本发明系统逻辑结构。监控系统主要由总服务器进行管理，按照逻辑设计三层体系结构：基础数据层、业务逻辑层、人机交互层，采用自顶向下、逐步求精以及模块化、结构化设计方法。基础数据层主要实现终端采集数据的存储管理，由猪舍环境因子数据库和视频图像信息库组成；业务逻辑层进行数据的分析及系统控制操作，按功能分为数据统计分析和设备控制管理两个模块，数据统计分析实现数据实时显示、统计变化曲线、视频压缩管理等功能，设备控制管理主要实现设备状态、预测预警、阀门调节等功能；人机交互层采用MVC开发框架，基于浏览器提供用户与系统之间的接口，供用户查看与操作。
上述步骤3的具体等待执行流程如图5所示，图5是本发明系统汇聚节点流程图，利用本发明的LoRa无线传输网络实现数据的收发：
步骤1，设备上电硬件初始化，向服务器发送设备识别消息，得到应答后设置定时中断，进入休眠模式。
步骤2，定时唤醒关闭中断。通过AT指令查询GPRS是否收到服务器的数据。
步骤3，若接收到服务器数据，进入消息处理循环。首先解析服务器数据，是否向终端发送采集指令，若是，则向LoRa终端发送采集消息，等待并接受终端的反馈消息，将接收到的消息进行数据格式转换，通过GPRS上传至服务器；相反，则是服务器对终端执行设备的控制指令，根据要求对设备做相应的操作。
步骤4，若没有接收到消息，则返回重新进入中断状态，等待被定时器唤醒。
图6是本发明应用于猪舍环境采集控制方面的服务器运行平台，在界面上可以看到当时的采集数据，通过点击功能模块的功能按钮可实现72h曲线图、预测预警、历史参数查询、历史告警查询，表格显示区查看一段时间数据表。如图7所示，为本发明客户端的一个www浏览器实施例的用户界面，作为远程监控现场猪舍的平台，实时显示环境采集数据和监控视频图像。通过网站，用户可以在任何有网络覆盖的区域随时登陆网站查看实际情况，对现场环境与设备运行情况做远程监控。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种基于LoRa的远距离猪舍环境多参数测控系统，其特征在于，包括猪舍群总服务器、汇聚节点和LoRa终端节点，所述猪舍群总服务器用于数据显示、预测预警分析、数据处理、数据存储、智能控制；所述LoRa终端节点用于环境采集和控制设备启停；
所述LoRa终端包括数据采集模块、电源模块、控制器模块、执行设备、摄像头模块；所述汇聚节点包括LoRa模块和GPRS模块；所述猪舍群总服务器包括现场监控计算机、数据库模块、功能模块；所述数据采集模块、电源模块、执行设备均和控制器模块相连，控制器模块通过无线网络和LoRa模块相连，GPRS模块通过以太网和远程总服务器相连；
所述数据采集模块包括传感器组、调理电路、A/D转换器；所述传感器组包括温度传感器、湿度传感器、氨气传感器；所述传感器组连接调理电路将传感器信号转化为电压信号通过A/D转换器转换为数字信号传输至控制器；所述电源模块包括蓄电池供电和市电供电，执行设备用市电供电方式；所述摄像头模块自带电动云台，可带动摄像头转动；所述控制器模块包括微处理器和通信芯片；所述LoRa模块和GPRS模块将终端数据进行有效值提取、协议格式转换、上传至总服务器；所述数据库模块包括数据引擎实现数据存储、用户信息管理；所述功能模块包括设备控制管理和数据统计分析，所述设备控制管理包括设备状态、预测预警和阀门调节操作，所述数据统计分析包括数据实时显示、统计变化曲线、视频压缩管理。
2.根据权利要求1所述的一种基于LoRa的远距离猪舍环境多参数测控系统，其特征在于，LoRa模块和GPRS模块通信接口皆为RS232。
3.根据权利要求1所述的一种基于LoRa的远距离猪舍环境多参数测控系统，其特征在于，所述执行设备包括排污机、散热器、湿帘和负压风机。
4.根据权利要求1所述的一种基于LoRa的远距离猪舍环境多参数测控系统，其特征在于，所述处理器采用STM32F103微处理器；所述通信模块为低功耗半双工远距离收发器SX1278芯片；所述处理器利用SPI口实现与SX1278的数据传输并对其寄存器进行配置。
5.根据权利要求1所述的一种基于LoRa的远距离猪舍环境多参数测控系统，其特征在于，所述GPRS模块为WG-8010通信模块；所述摄像头模块采用好嘉义B系列无线版IP摄像头。
6.根据权利要求1所述的一种基于LoRa的远距离猪舍环境多参数测控系统，其特征在于，所述猪舍群总服务器基于.net平台MVC框架设计WEB服务器；所述数据引擎采用SQLServer数据引擎。
7.一种基于LoRa的远距离猪舍环境多参数测控方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将环境采集传感器在猪舍中合适位置布置好，搭建分布式LoRa采集终端模块，安装现场执行设备，设计电源模块并完成线路连接，传感器模块连接调理电路将传感器信号转化为电压信号通过A/D转换器转换为数字信号传输至控制器；
步骤2，LoRa模块由SX1278芯片及外围电路组成，设计星状网络，由多个测量点加一个汇聚节点组成，汇聚节点包括一个LoRa模块加一个GPRS模块；
步骤3，打开汇聚节点和采集节点电源开关，进入等待休眠状态，等待服务器指令进行数据采集，多个节点数据经汇聚有效值提取并打包后通过GPRS模块连接INTERNET上传至服务器；
步骤4，稻草人域名解析服务器的域名，获取服务器IP，运行服务器打开SOCKET控件与客户端建立TCP/IP连接；
步骤5，发送指令接收数据，在监控界面实时显示环境参数值和远程控制现场设备；
步骤6，登录网站，输入用户名和密码，WEB服务器访问远程摄像头固定IP，获取数据流，网页显示猪舍现场情况，每个监控点对应显示此处环境参数值；
步骤7，将接收到的数据存储于SQLServer数据库中，以时间单位生成动态曲线图以便对环境参数进行阈值分析，从而对执行设备做出相应控制决策。
8.根究权利要求7所述的基于LoRa的远距离猪舍环境多参数测控方法，其特征在于，所述步骤3具体等待执行以下步骤：
步骤1，设备上电硬件初始化，向服务器发送设备识别消息，得到应答后设置定时中断，进入休眠模式；
步骤2，定时唤醒关闭中断。通过AT指令查询GPRS是否收到服务器的数据；
步骤3，若接收到服务器数据，进入消息处理循环。首先解析服务器数据，是否向终端发送采集指令，若是，则向LoRa终端发送采集消息，等待并接受终端的反馈消息，将接收到的消息进行数据格式转换，通过GPRS上传至服务器；相反，则是服务器对终端执行设备的控制指令，根据要求对设备做相应的操作；
步骤4，若没有接收到消息，则返回重新进入中断状态，等待被定时器唤醒。
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