CN109407624A - 一种基于温湿度指数的牛舍环境调控系统及其调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于温湿度指数的牛舍环境调控系统及其调控方法,本系统将监控节点安装在牛舍的不同位置,监控节点上传数据至网关再至云服务器平台处理,处理完成后,将结果下发至相关控制节点,通过控制相关设备完成对环境的调节,保持牛舍温湿度的稳定。解决了小规模化养殖奶牛中出现环境调控不及时,使奶牛产生热应激,影响奶牛生长,降低奶牛产奶量的经济效益的问题。本发明主要依据牛舍的温湿度指数(THI)来调节牛舍的环境因素,通过放置在牛舍不同位置的采集节点获取温度、湿度等数据,实现各节点环境数据的统计分析及可视化,从而依据环境数据计算出的温湿度指数来调控牛舍的控制设备,为奶牛提供舒适的环境,提升奶牛产奶品质。

Description

一种基于温湿度指数的牛舍环境调控系统及其调控方法
技术领域
本发明涉及农业物联网领域,尤其涉及一种基于温湿度指数的牛舍环境调控系统及其调控方法。
背景技术
与国外发达国家相比,我国奶牛养殖业的状况是小规模散养户基数庞大。这些散养户依然采用传统的养殖方式,他们只是简单的根据经验人为的来对环境进行控制,并不能对环境进行精确的控制,这样会耗费大量的人力与财力。同时由于传统牛舍环境调控设备的智能化程度比较低,成本较高、寿命短,奶牛舒适度低,影响产奶量。因此,研发一种通过物联网技术,采用温湿度指数调节牛舍环境方法应对奶牛热应激反映,从而避免热应激导致奶牛免疫力降低,是个亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决以上技术问题,提供一种基于奶牛热应激反映的环境调控系统及方法,针对奶牛热应激反应提出使用温湿度指数(THI)的方法来调控牛舍环境。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
一种基于温湿度指数的牛舍环境调控系统,包括采集数据的采集节点、组网的协调器、WiFi网关和云服务器,所述采集节点将采集到的数据传送到协调器,所述协调器将每个采集节点的数据传送到WiFi网关,所述WiFi网关将数据传送到云服务器,协调器将每个采集节点的数据封装好后通过MQTT协议将数据发送到云服务器处理。所述协调器还与Zigbee控制终端相连,所述Zigbee控制终端通过继电器开关控制控制设备(风扇、喷雾器、加热器等设备),通过控制不同位置的风扇、加热器、喷雾器等环境调节设备,保持牛舍环境稳定。
进一步的,牛舍的数据采集采用五点取样法,在牛舍的不同位置布置五个采集节点,每个采集节点均包括一组温湿度传感器和Zigbee模块,每组传感器采集温湿度信息。系统综合分析各组数据,减小误差。所述Zigbee模块采用TI公司生产的cc2530芯片,并在此芯片的基础上添加复位按键、电源指示灯、D1LED灯和DHT11温湿度传感器。
进一步的,利用navicat设计数据库,在云服务器上建立MQSQL数据库,存储数据库文件信息,并开放数据库端口。
进一步的,所述云服务器还与网站服务器双向传输数据,所述网站服务器通过个人电脑或者移动端进行访问。在PC端就可对牛舍环境进行智能控制,提高工作效率和经济效益。
进一步的,采用开放性高的JAVA WEB技术进行网站搭建,使用Mqtt Client订阅服务器数据获取感知层数据,并且将数据分类存储到数据库中,后台程序将数据库数据以图表和曲线图的形式展示在网页中。
进一步的,所述WiFi网关为板载的ESP8266WiFi芯片。所述温湿度传感器为DHT11温湿度传感器。
一种基于温湿度指数的牛舍环境调控方法,其过程如下:
1)环境数据采集:在牛舍的不同位置布置五个采集节点,每个采集节点均包括一组温湿度传感器和Zigbee模块,每组传感器采集牛舍的温湿度信息。系统综合分析各组数据,减小误差。
2)数据传输:温湿度传感器使用Zigbee模块将空气温湿度等模拟信号转换成数字信号,通过ZigBee网络将数据传送到协调器上,每个牛舍均布设Zigbee网络,采集节点将数据上传至协调器,协调器再将每个采集节点的数据封装好后通过MQTT协议将数据传送至云服务器。
3)数据库建模:利用navicat设计数据库,在云服务器上建立MQSQL数据库,存储数据库文件信息,并开放数据库端口。
4)网站数据显示:采用维护性强、开放性高的JAVA WEB技术进行网站搭建,使用Mqtt Client订阅服务器数据获取感知层数据,并且将数据分类存储到数据库中,后台程序将数据库数据以图表和曲线图的形式展示在网页中。
5)实时监测:首先将温湿度传感器采集到的数据存进数据库数据表的不同字段中,监测程序启动。监测程序每5分钟为一个周期,循环执行。监测程序首先提取5分钟内温度和湿度数据的平均值,计算温湿度指数,判断温湿度指数是否达标,如果达标,则等待下一个周期的监测。不达标,则根据平均温度和湿度的值来选择控制的降温风扇和除湿风扇,如果不同位置节点的温湿度指数相差5以上,则开启牛舍室内循环风扇,从而保证环境稳定。执行过程和设备的工作过程也会被存下来,供分析。
进一步的,温湿度指数(temperature-humidity index,简称THI)是一个用温度和湿度的综合影响反应热应激水平的指标。
所述温湿度指数计算公式为:THI=0.81Td+(0.99Tw-14.3)RH+46.3。
或:THI=Td+0.36Tw+41.2
Td:牛舍干球温度(℃)
Tw:牛舍湿球温度(℃)
RH:牛舍相对湿度(%)
所述温湿度指数的适用范围为:
温度范围是16℃-40℃,湿度范围是0-100%
超出范围温湿度指数计算出的数据无效。
进一步的,奶牛产奶量受到热应激影响的温湿度指数THI阈值为72,当奶牛所处环境的THI低于72时,奶牛产奶量不受影响;而当THI超过72时,奶牛处于热应激状态,产奶量下降,奶品质也受到一定程度的影响。因此,本方法将温湿度指数THI值72和76设定为阈值,即当THI≥72~THI<76时,奶牛处于轻微热应激状态;而THI≥76时,奶牛处于严重热应激状态。
进一步的,当温湿度指数THI发生变化超出奶牛生活的最适合范围的时候,即温湿度指数THI超过阈值时,后台程序会根据当前各传感器的值来判断是否需要不同位置进风风扇、喷雾设备工作,后台程序控制设备采取对应的操作,控制对应的风扇和喷雾器,风扇安装在牛舍不同的位置就会有不同的功能,高处的排风扇用来换气,低处的排风扇用来除湿,还有在室内加快空气循环的循环扇和直接给牛吹风的降温扇。
相对于现有技术,本发明具有以下优势:
(1)本牛舍环境调控系统采用最新物联网技术,可以实现无线监控奶牛养殖的各个环节,在奶牛的生长过程中,采用温湿度指数调节方法应对奶牛热应激反映;从而避免热应激导致奶牛免疫力降低,疫病发病率上升,产奶量大幅度下降的现象。
(2)本牛舍环境调控系统对牛舍环境进行实时、动态的环境数据采集,实时、多维地感知奶牛养殖的各个环节,代替了原有的人力监测方式,极大地减少养殖人员精力的投入,实现各节点环境数据的统计分析及可视化,在PC端就可对环境进行智能控制,提高工作效率和经济效益。
(3)本牛舍环境调控系统针对小型奶牛场的养殖环境,应用Zigbee、wifi、MQTT、云服务技术等物联网技术对传统设备的升级,通过计算温湿度指数等新指标,依据温湿度指数调控牛舍的养殖环境,从而使奶牛生活环境得到更合理的控制,能更加有效的减轻奶牛热应激。
(4)本牛舍环境调控方法将装有传感器的监控节点安装在牛舍的不同位置,监控节点上传数据至网关再至云服务器平台处理,云服务器处理完成后,将结果下发至相关控制节点,通过控制相关设备完成对环境的调节,保持牛舍温湿度的稳定。
附图说明
图1是本发明的系统结构图;
图2是本发明的系统工作流程图;
图3是cc2530芯片电路图;
图4是cc2530芯片添加的电源指示灯和D1LED灯;
图5是cc2530芯片添加的复位按键;
图6是cc2530芯片添加的DHT11温湿度传感器;
图7是cc2530芯片添加的继电器控制模块;
图8是WiFi网关与CC2530芯片连接示意图;
图9是本发明的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
如图1所示,一种基于温湿度指数的牛舍环境调控系统,包括采集数据的采集节点、组网的协调器、WiFi网关和云服务器。所述WiFi网关采用乐鑫esp8266系列芯片esp01s进行WiFi数据传输。所述温湿度传感器为DHT11温湿度传感器。采集节点将采集到的数据传送到协调器,协调器与WiFi网关双向传输数据,协调器将每个采集节点的数据传送到WiFi网关,WiFi网关与云服务器双向传输数据,WiFi网关将数据传送到云服务器。协调器将每个采集节点的数据封装好后通过MQTT协议将数据发送到云服务器处理。协调器还与Zigbee控制终端相连,所述Zigbee控制终端通过继电器开关控制控制设备(风扇、喷雾器、加热器等设备),通过控制不同位置的风扇、加热器、喷雾器等环境调节设备,保持牛舍环境稳定。如图3-7所示,所述Zigbee控制终端采用TI公司生产的cc2530芯片,并在此芯片的基础上添加继电器控制模块、复位按键、电源指示灯和D1LED灯。
利用navicat设计数据库,在云服务器上建立MQSQL数据库,存储数据库文件信息,并开放数据库端口。采用开放性高的JAVA WEB技术进行网站搭建,使用Mqtt Client订阅服务器数据获取感知层数据,并且将数据分类存储到数据库中,后台程序将数据库数据以图表和曲线图的形式展示在网页中。所述云服务器还与网站服务器双向传输数据,网站服务器通过个人电脑或者移动端进行访问。在PC端就可对牛舍环境进行智能控制,提高工作效率和经济效益。
牛舍的数据采集采用五点取样法,在牛舍的不同位置布置五个采集节点,每个采集节点均包括一组温湿度传感器和Zigbee模块,每组传感器采集温湿度信息。系统综合分析各组数据,减小误差。如图3-6所示,所述Zigbee模块采用TI公司生产的cc2530芯片,并在此芯片的基础上添加复位按键、电源指示灯、D1LED灯和DHT11温湿度传感器。
本系统使用多种传感器采集温湿度等牛舍环境信息,通过ZigBee协议将数据从监控节点上传到协调器,协调器将数据打包通过板载的ESP8266WiFi芯片上传到MQTT服务器,网站后台程序订阅MQTT服务后,会从MQTT服务器获取数据并存进数据库,通过对数据库数据的分析处理,判断当前数值是否符合标准,据此动态调控相关设备如风扇、喷雾等设备,保持牛舍温湿度的稳定。
如图2所示,一种基于温湿度指数的牛舍环境调控方法,其过程如下:
1)环境数据采集:在牛舍的不同位置布置五个采集节点,每个采集节点均包括一组温湿度传感器和Zigbee模块,每组传感器采集牛舍的温湿度信息。系统综合分析各组数据,减小误差。
2)数据传输:温湿度传感器使用Zigbee模块将空气温湿度等模拟信号转换成数字信号,通过ZigBee网络将数据传送到协调器上,每个牛舍均布设Zigbee网络,采集节点将数据上传至协调器,协调器再将每个采集节点的数据封装好后通过MQTT协议将数据传送至云服务器。
3)数据库建模:利用navicat设计数据库,在云服务器上建立MQSQL数据库,存储数据库文件信息,并开放数据库端口。
4)网站数据显示:采用维护性强、开放性高的JAVA WEB技术进行网站搭建,使用Mqtt Client订阅服务器数据获取感知层数据,并且将数据分类存储到数据库中,后台程序将数据库数据以图表和曲线图的形式展示在网页中。
5)实时监测:首先将温湿度传感器采集到的数据存进数据库数据表的不同字段中,监测程序启动。监测程序每5分钟为一个周期,循环执行。监测程序首先提取5分钟内温度和湿度数据的平均值,计算温湿度指数,判断温湿度指数是否达标,如果达标,则等待下一个周期的监测。不达标,则根据平均温度和湿度的值来选择控制的降温风扇和除湿风扇,如果不同位置节点的温湿度指数相差5以上,则开启牛舍室内循环风扇,从而保证环境稳定。执行过程和设备的工作过程也会被存下来,供分析。
温湿度指数(temperature-humidity index,简称THI)是一个用温度和湿度的综合影响反应热应激水平的指标。
所述温湿度指数计算公式为:THI=0.81Td+(0.99Tw-14.3)RH+46.3。
或:THI=Td+0.36Tw+41.2
Td:牛舍干球温度(℃) Tw:牛舍湿球温度(℃) RH:牛舍相对湿度(%)
所述温湿度指数的适用范围为:
温度范围是16℃-40℃,湿度范围是0-100%
超出范围温湿度指数计算出的数据无效。
奶牛产奶量受到热应激影响的温湿度指数THI阈值为72,当奶牛所处环境的THI低于72时,奶牛产奶量不受影响;而当THI超过72时,奶牛处于热应激状态,产奶量下降,奶品质也受到一定程度的影响。因此,本方法将温湿度指数THI值72和76设定为阈值,即当THI≥72~THI<76时,奶牛处于轻微热应激状态;而THI≥76时,奶牛处于严重热应激状态。
当温湿度指数THI发生变化超出奶牛生活的最适合范围的时候,即温湿度指数THI超过阈值时,后台程序会根据当前各传感器的值来判断是否需要不同位置进风风扇、喷雾设备工作,后台程序控制设备采取对应的操作,控制对应的风扇和喷雾器,风扇安装在牛舍不同的位置就会有不同的功能,高处的排风扇用来换气,低处的排风扇用来除湿,还有在室内加快空气循环的循环扇和直接给牛吹风的降温扇。如何合理的启停设备是系统工作的重要任务,系统控制相关设备的指令下达后,实时监测环境信息,等待温湿度指数的变化,并且温湿度指数的变化符合要求时,逐步关闭相关设备,防止发生突变,从而保持牛舍温湿度指数的稳定。
最终将信息通过图表和曲线图的形式实时显示到网站上,方便管理者查看。该系统还可以帮助管理者减少工作量,可在网页上进行自动调控和手动调控,随时控制牛舍的各种设备,使得奶牛养殖环境保持最佳状态,使奶牛生活的更加舒适。
本申请依据荷斯坦奶牛的生活习性和最新的物联网技术,结合牛舍温湿度指数调控奶牛热应激反映,设计了一套监测调节牛舍环境信息的软硬件系统及其环境调控方法,通过计算机和多平台终端的实时监测、预警服务,实现远程监测、预警和控制,节省人力成本,提高产奶量,实现动物养殖的效益最高、成本最低和利益的最大化。
以上对本发明的实施例进行了详细说明,但所述内容仅为本发明的较佳实施例,不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等,均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种基于温湿度指数的牛舍环境调控系统,其特征在于:包括采集数据的采集节点、协调器、WiFi网关和云服务器,所述采集节点将采集到的数据传送到协调器,所述协调器将采集节点的数据传送到WiFi网关,所述WiFi网关将数据传送到云服务器,所述协调器还与Zigbee控制终端相连,所述Zigbee控制终端通过继电器开关控制控制设备。
2.根据权利要求1所述的一种基于温湿度指数的牛舍环境调控系统,其特征在于:所述云服务器还与网站服务器双向传输数据,所述网站服务器通过个人电脑或者移动端进行访问。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于温湿度指数的牛舍环境调控系统,其特征在于:利用navicat设计数据库,在云服务器上建立MQSQL数据库,存储数据库文件信息,并开放数据库端口。
4.根据权利要求3所述的一种基于温湿度指数的牛舍环境调控系统,其特征在于:采用JAVA WEB技术进行网站搭建,使用Mqtt Client订阅服务器数据获取感知层数据,并且将数据分类存储到数据库中,后台程序将数据库数据以图表和曲线图的形式展示在网页中。
5.根据权利要求1所述的一种基于温湿度指数的牛舍环境调控系统,其特征在于:牛舍的数据采集采用五点取样法,在牛舍的不同位置布置五个采集节点,每个采集节点均包括一组温湿度传感器和Zigbee模块,每组传感器采集温湿度信息。
6.根据权利要求1所述的一种基于温湿度指数的牛舍环境调控系统,其特征在于:所述WiFi网关为板载的ESP8266WiFi芯片。所述温湿度传感器为DHT11温湿度传感器。
7.一种基于温湿度指数的牛舍环境调控方法,其特征在于,其过程如下:
1)环境数据采集:在牛舍的不同位置布置五个采集节点,每个采集节点均包括一组温湿度传感器和Zigbee模块,每组传感器采集牛舍的温湿度信息;
2)数据传输:温湿度传感器使用Zigbee模块将空气温湿度模拟信号转换成数字信号,通过ZigBee网络将数据传送到协调器上,每个牛舍均布设Zigbee网络,采集节点将数据上传至协调器,协调器再将每个采集节点的数据封装好后通过MQTT协议将数据传送至云服务器;
3)数据库建模:利用navicat设计数据库,在云服务器上建立MQSQL数据库,存储数据库文件信息,并开放数据库端口;
4)网站数据显示:采用JAVA WEB技术进行网站搭建,使用Mqtt Client订阅服务器数据获取感知层数据,并且将数据分类存储到数据库中,后台程序将数据库数据以图表和曲线图的形式展示在网页中;
5)实时监测:首先将温湿度传感器采集到的数据存进数据库数据表的不同字段中,监测程序启动;监测程序每5分钟为一个周期,循环执行;监测程序首先提取5分钟内温度和湿度数据的平均值,计算温湿度指数,判断温湿度指数是否达标;如果达标,则等待下一个周期的监测;不达标,则根据平均温度和湿度的值来选择控制的降温风扇和除湿风扇,如果不同位置节点的温湿度指数相差5以上,开启牛舍室内循环风扇,保证环境稳定。
8.根据权利要求7所述的一种基于温湿度指数的牛舍环境调控方法,其特征在于:所述温湿度指数计算公式为:
THI=0.81Td+(0.99Tw-14.3)RH+46.3
或:THI=Td+0.36Tw+41.2
Td:牛舍干球温度(℃)
Tw:牛舍湿球温度(℃)
RH:牛舍相对湿度(%)
所述温湿度指数的适用范围为:
温度范围是16℃-40℃,湿度范围是0-100%。
9.根据权利要求7所述的一种基于温湿度指数的牛舍环境调控方法,其特征在于:将温湿度指数THI值72和76设定为阈值,当THI≥72~THI<76时,奶牛处于轻微热应激状态;而THI≥76时,奶牛处于严重热应激状态。
10.根据权利要求9所述的一种基于温湿度指数的牛舍环境调控方法,其特征在于:当温湿度指数THI超过阈值时,后台程序会根据当前各传感器的值来判断是否需要不同位置进风风扇、喷雾设备工作,后台程序控制设备采取对应的操作,控制对应的风扇和喷雾器,高处的排风扇用来换气,低处的排风扇用来除湿,还包括在室内加快空气循环的循环扇和直接给牛吹风的降温扇。
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