CN109006556A - 基于物联网的牧场用智能项圈监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于物联网的牧场用智能项圈监测系统，所述牧场用智能项圈监测系统包括数据采集节点、上位机，其中：所述数据采集节点用于实时采集牲畜的各项信息数据，并且通过无线网络发送至汇聚节点，汇聚节点将数据发送至上位机；所述上位机用于接收数据采集节点传输过来的各个传感器数据，将原始数据保存在数据库内，并实时显示在终端设备上，实现对数据采集节点的定位功能，通过设计牲畜行为识别算法，对牲畜的各项数据进行分类，实现对牲畜的健康状况的监测。本发明可实时采集处理来自牲畜的大量生活数据，支持牧场内的组网，抗干扰性极强，具有功耗低、工作时间长、通信距离远的优点，并且可以通过接受到的数据对牲畜的行为进行识别。
Description
技术领域
本发明属于畜牧业智能监测技术领域，涉及一种牧场用智能项圈监测系统。
背景技术
目前物联网技术迅速发展，其在农业领域的深度应用也越来越多。特别是在畜牧业中，牲畜每天的运动状态，健康状况都会通过不同的形式表现出来，使用物联网技术可以对牧场中的大量牲畜同时进行监测。正常情况下每只牲畜每天的行走步数、运动时间、运动量、温度等信息都会保持相对稳定的状态。如果某只牲畜的健康状况出现问题或者进入发情期，则运动情况和体温等将会出现异常，在大量牲畜种群中找到出现异常的牲畜非常困难。但通过给每只牲畜佩戴智能项圈来采集数据并进行分析，是可以实现的。
牲畜智能项圈监测系统需要的传感器数量多，功耗低，并且需要具有低成本的无线传输功能及准确度较高的牲畜行为识别算法，而国内外现有数据采集系统大都监测牲畜生活环境，且无线传输功能不能兼具远距离和低功耗的特点，无法满足大型牧场的需求。
发明内容
本发明针对大型牧场中牲畜监测设备发展不完善、不能全天采集牲畜生活信息、传输距离近、功耗高、成本高等问题，提供了一种高可靠性高实时性的基于物联网的牧场用智能项圈监测系统，可实时采集处理来自牲畜的大量生活数据，支持牧场内的组网，抗干扰性极强，具有功耗低、工作时间长、通信距离远的优点，并且可以通过接受到的数据对牲畜的行为进行识别。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于物联网的牧场用智能项圈监测系统，包括数据采集节点、上位机，其中：
所述数据采集节点用于实时采集牲畜的各项信息数据（运动信息、温度信息、位置信息），并且通过无线网络发送至汇聚节点，汇聚节点将数据发送至上位机；
所述上位机用于接收数据采集节点传输过来的各个传感器数据，将原始数据保存在数据库内，并实时显示在终端设备上，实现对数据采集节点的定位功能，通过设计牲畜行为识别算法，对牲畜的各项数据进行分类，实现对牲畜的健康状况的监测。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明选择了基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器STM32F103C8T6作为数据采集节点的核心控制芯片，封装形式为LQFP48，在满足基本功能的情况下保持了较小的芯片面积；外围搭载了以MPU6050为核心的运动传感器模块，以U-BLOX NEO-6M模组为核心的GPS模块，基于LoRa技术的无线传输模块和电源模块。
2、本发明使用Solidworks软件设计了智能项圈的外壳，使智能项圈能够稳定地固定在牲畜颈部。
3、本发明中数据采集节点PCB板设计了外壳，使用3D打印技术，节省原料，并且能够将项圈固定在牲畜颈部。
4、本发明中运动传感器模块由MPU6050芯片搭建，可以同时监测三轴加速度数据、三轴角速度数据和温度传感器数据，功耗低，封装尺寸小；GPS定位模块可以接收GPS信息，实现对牲畜的定位，定位准度高；无线传输模块基于LoRa技术，使用了扩频调制技术，接收灵敏度高，64位前向纠错，在保证低功耗远距离通信的同时，可以安全地传输数据。
5、本发明中无线传输模块基于LoRa技术，传输距离超过2000m，方便组成星状网络，对整个牧场内的牲畜进行监测。
6、本发明使用C#语言在.Net Framework4.6.1平台上编写了上位机软件，可以接收数据采集节点数据，将数据实时显示出来并存储在数据库中。
7、本发明基于物联网技术设计了牧场用的牲畜智能项圈，抗干扰性极强，传输距离远，功耗低，成本低。
8、本发明上位机与数据采集节点之间协调运作，可实时采集并处理来自不同牲畜的大量数据，具有可靠性高、实时性高优点。
附图说明
图1是本发明基于物联网的牧场用智能项圈监测系统的整体结构框图；
图2是数据采集节点的功能框图；
图3是数据采集节点的外壳结构图；
图4是上位机的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
如图1所示，本发明提供的基于物联网的牧场用智能项圈监测系统包括数据采集节点1、上位机2，其中：数据采集节点1的功能是在尽可能低功耗的情况下实时采集牲畜的各项信息数据；上位机2的功能是接收下位机传输过来的各个传感器数据，实时显示在终端设备上，实现对数据采集节点的定位功能，并且能够将数据保存在数据库中。不同牲畜的多个传感器数据通过智能项圈的数据采集节点1采集与处理后，经由无线网络传输至上位机2，上位机2对数据进行存储和显示，并且通过设计的牲畜行为识别算法，对不同牲畜的传感器数据进行分类，实现对不同牲畜的健康状况的识别。
本发明中，数据采集节点1的结构框图如图2所示，包括：基于STM32的微控制器模块1-1、MPU6050运动传感器模块1-2、GPS定位模块1-3、无线发射模块1-4、电源模块1-5和温度传感器模块1-6。基于STM32的微控制器模块1-1对数据采集节点的其它模块进行协调控制，将MPU6050运动传感器模块1-2、GPS定位模块1-3和温度传感器模块1-5采集到的牲畜实时数据通过无线发射模块1-4发送出去，从而与上位机2通信。MPU6050运动传感器模块1-2兼具温度传感器1-6的功能，可以实时采集牲畜的三轴加速度数据、三轴角速度数据和温度信息，通过IIC接口将数据传输至STM32微控制器1-1中。GPS定位模块1-3以U-BLOX NEO6M为核心，可以接收GPS信号，实现对牲畜的准确定位，并可以记录牲畜的运动轨迹，GPS定位模块1-3通过UART接口与STM32微控制器1-1连接。电源模块1-5给系统提供稳定的3.3V电压，让整个数据采集节点稳定工作。无线发射模块1-4使用基于LoRa技术的无线串口通信。本发明选择了以SEMTECH公司的SX1278为主芯片的无线模块，该芯片使用SEMTECH公司的专利调制技术，实现了-140dBm的灵敏度。同时该芯片还支持高性能(G)FSK等其他传统调制模式。并且该芯片支持的ISM频段从137MHz到1050MHz，非常便于开发利用，兼具低功耗和远距离的优点。
本发明中，数据采集节点的外壳如图3所示，所述外壳由上壳1-7和底壳1-8构成，使用3D打印技术制作，其中：上壳1-7长64mm，宽48mm，高7mm，打印材料的厚度为2mm；底壳1-8的上半部分高为6mm，长宽和厚度与上壳相同，底壳1-8的底座长为90mm，宽度为48mm，底部是弧形，可以与牲畜颈部更好地接触。在底壳1-8的边缘预留出了GPS模块和无线传输模块的天线的引出口，在上壳1-7的边缘留出了电源的接入口。在上壳1-7的对角上设置了两个用于固定的过孔，与PCB板的过孔大小和位置一致，可以将PCB板固定在上壳1-7里，底壳1-8的底部边缘预留出了皮带的位置，可以通过皮带组成项圈佩戴在牲畜的颈部。
本发明中，上位机2的结构图如图4所示，包括数据接收模块2-1、图表显示模块2-2、地图显示模块2-3、数据存储模块2-4和牲畜行为识别算法模块2-5。上位机2使用C#在.Net Framework平台上编写。数据接收模块2-1通过添加SerialPort类实现，在数据接收过程中新建线程用于数据显示。图表显示模块2-2使用chart控件实现，可以将运动传感器的数据在上位机软件上实时显示出来。地图显示模块2-3通过添加webbrowser控件实现，接收下位机传输的GPS信息，实时显示当前牲畜所在的位置。数据存储模块2-4通过添加MySql数据库实现，使用C#连接到MySql数据库，将数据保存在数据库里。牲畜行为识别算法模块2-5使用K-means均值聚类算法实现对牲畜行为的识别，从而根据牲畜每天不同行为所占比例的不同判断牲畜的健康状况。
Claims (7)
1.一种基于物联网的牧场用智能项圈监测系统，其特征在于所述牧场用智能项圈监测系统包括数据采集节点、上位机，其中：
所述数据采集节点用于实时采集牲畜的各项信息数据，并且通过无线网络发送至汇聚节点，汇聚节点将数据发送至上位机；
所述上位机用于接收数据采集节点传输过来的各个传感器数据，将原始数据保存在数据库内，并实时显示在终端设备上，实现对数据采集节点的定位功能，通过设计牲畜行为识别算法，对牲畜的各项数据进行分类，实现对牲畜的健康状况的监测。
2.根据权利要求1所述的基于物联网的牧场用智能项圈监测系统，其特征在于所述牲畜的各项信息数据包括运动信息、温度信息、位置信息。
3.根据权利要求1所述的基于物联网的牧场用智能项圈监测系统，其特征在于所述数据采集节点包括基于STM32的微控制器模块、MPU6050运动传感器模块、GPS定位模块、无线发射模块、电源模块和温度传感器模块，其中：
所述MPU6050运动传感器模块用于实时采集牲畜的三轴加速度数据、三轴角速度数据和温度信息；
所述GPS定位模块用于接收GPS信号，实现对牲畜的准确定位，并记录牲畜的运动轨迹；
所述电源模块用于提供稳定电压；
所述温度传感器模块用于实时采集牲畜的温度信息；
所述基于STM32的微控制器模块将MPU6050运动传感器模块、GPS定位模块和温度传感器模块采集到的牲畜实时数据通过无线发射模块发送出去，从而与上位机通信。
4.根据权利要求3所述的基于物联网的牧场用智能项圈监测系统，其特征在于所述GPS定位模块以U-BLOX NEO6M为核心。
5.根据权利要求3所述的基于物联网的牧场用智能项圈监测系统，其特征在于所述无线发射模块使用基于LoRa技术的无线串口通信。
6.根据权利要求3或5所述的基于物联网的牧场用智能项圈监测系统，其特征在于所述无线发射模块为以SX1278为主芯片的无线模块。
7.根据权利要求1所述的基于物联网的牧场用智能项圈监测系统，其特征在于所述上位机包括数据接收模块、图表显示模块、地图显示模块、数据存储模块和牲畜行为识别算法模块，其中：
所述数据接收模块通过添加SerialPort类实现，在数据接收过程中新建线程用于数据显示；
所述图表显示模块使用chart控件实现，将运动传感器的数据在上位机上实时显示出来；
所述地图显示模块通过添加webbrowser控件实现，接收GPS信息，实时显示当前牲畜所在的位置；
所述数据存储模块通过添加MySql数据库实现，使用C#连接到MySql数据库，将数据保存在数据库里；
所述牲畜行为识别算法模块使用K-means均值聚类算法实现对牲畜行为的识别，从而根据牲畜每天不同行为所占比例的不同判断牲畜的健康状况。
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Application publication date: 20181218 |
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