CN109618974A - 一种基于物联网的牲畜生理指标智能监测系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于物联网的牲畜生理指标智能监测系统及监测方法，包括无线基站天线、无线基站、多个生理指标采集设备、运营商信号塔，多个生理指标采集设备与无线基站无线通信，无线基站与运营商信号塔无线通信。本发明通过多个生理指标采集设备、无线基站、服务器等组成的牲畜生理指标智能监测系统监测牲畜的运动生理数据，以反映牲畜的健康状况。并通过运动生理数据建立标准生理指标模型、牲畜的健康指数，并结合工作人员的诊断结果，建立牲畜健康指数‑诊断结果相关性数据库，同时建立健康指数‑诊疗或者营养补充的相关性数据库，最终建立牲畜的运动数据与诊疗或治疗方案的相关性数据库，为牲畜病情管理提供了高效、快捷的解决方案。
Description
技术领域：
本发明涉及养殖技术领域，尤其涉及一种基于物联网的牲畜生理指标智能监测系统及监测方法。
背景技术：
牲畜规模化养殖是一项庞杂的工程，要做好牲畜的喂食、放养、清点、粪便处理、疫病防治等等，实现高质量养殖的前提是每一头牲畜都能健康地成长，这样才能赢得客户的信赖和广阔的市场。
目前，现代化养殖已经逐步渗透到养殖业各个环节，各类牲畜养殖自动化控制设施设备在提升养殖业的效率和减轻养殖者负担起到重要作用。这些自动化控制设施设备只是从养殖场效益的角度实现了提升，牲畜群体是很多个体组成的，要实现群体养殖质量的提升，必须要实现个体养殖质量的提升，但是规模化养殖的牲畜群体数量实在庞大，要实现养殖质量提升不可能让养殖者一对一进行监护管理。
但是，目前还没有一种有效的解决方案，既可以简化养殖管理减轻养殖者负担，又可以快捷高效地监测单个牲畜的生长状况、健康状况，并能为生长不良的牲畜快速提供治疗或者营养补充方案，以提升牲畜群体整体质量。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种基于物联网的牲畜生理指标智能监测系统及监测方法，以解决现有技术的不足。
本发明由如下技术方案实施：一种基于物联网的牲畜生理指标智能监测系统，包括无线基站天线、无线基站、多个生理指标采集设备、运营商信号塔，所述多个生理指标采集设备与无线基站无线通信，所述无线基站与运营商信号塔无线通信；所述生理指标采集设备包括固定带和安装在固定带上的生理指标采集器，所述生理指标采集器包括电池、第一电源稳压模块、加速度传感器、第一无线通信模块，所述电池与第一电源稳压模块电性连接，所述第一电源稳压模块与加速度传感器、第一无线通信模块电性连接，所述加速度传感器、第一无线通信模块电性连接；所述无线基站包括第二电源稳压模块、第二无线通信模块、5V开关电源、4G物联网模块，所述5V开关电源输入端连接220V市电，所述5V开关电源输出端连接第二电源稳压模块、4G物联网模块，所述第二电源稳压模块输出端连接第二无线通信模块，所述第二无线通信模块通过电平转换串口连接4G物联网模块。
优选的，所述第一无线通信模块、第二无线通信模块为nRF24LE1芯片。
优选的，所述第一电源稳压模块、第二电源稳压模块为3.3V稳压电源。
一种基于物联网的牲畜生理指标智能监测方法，包括以下步骤：
步骤1、服务器根据数据采集设备采集的牲畜的运动数据，建立标准生理指标模型，并更新标准生理指标模型；
步骤2、服务器根据数据采集设备采集的牲畜的运动数据，结合标准生理指标模型，计算牲畜的健康指数，根据健康指数是否在正常值范围内，确实牲畜是否可能生病；
步骤3、工作人员对确定生病的牲畜进行专项诊断并将诊断结果录入服务器，服务器建立牲畜健康指数-诊断结果的相关性数据库模型；
步骤4、工作人员根据诊断结果，给出相应的治疗或者营养补充方案，并通过服务器建立治疗或者营养补充数据库，服务器最终建立牲畜的运动数据与治疗方案的相关性数据库。
优选的，所述步骤1数据采集设备采集牲畜的运动数据时，定时1分钟广播一次其对应牲畜的ID号码给服务器。
优选的，所述步骤1建立标准生理指标模型，并更新标准生理指标模型的具体方法为：
建立标准模型方法：一周或者一月的时间内，通过采集多头身体健康的牲畜的连续每天中每个时间段的活动步数来得出一个统计结果，求出牲畜在一天中每个时间段内的平均活动量，以此作为身体健康牲畜生理正常标准模型；
更新标准模型方法：在日后使用中，原始采集数据不断积累形成大量个体牲畜活动数据，每隔一周或者一月从这些数据中挑选健康牲畜的数据，使用这些数据再次计算牲畜在一天中每个时间段内的平均活动量，当牲畜在一天中每个时间段内的平均活动量在一个稳定的范围内，以此稳定范围作为标准生理指标模型。
优选的，所述更新标准模型时确定牲畜在一天中每个时间段内的平均活动步数的范围公式如下：
某时间段的上限值＝某个时间段的原平均值+原平均值的500；
某时间段的下限值＝某个时间段的原平均值-原平均值的500。
优选的，所述步骤2具体为：当天收到羊一天的活动量数据之后开始比较，取当天活动量数据的所有时间段内运动步数，和标准模型中所有时间段的运动步数的范围做比较，如果牲畜运动步数在标准模型运动步数范围内则计为正常，否则计为异常，健康指数计算公式：
健康指数＝一天中运动步数中为正常的时间段个数/一天所有时间段总数；
健康指数的范围为0.0～1.0，指数数值越接近1表示当前羊与标准模型越接近，即越健康，健康指数大于0.0小于等于0.3为不健康或已经生病，大于0.3到1.0为健康状态。
本发明的优点：
本发明通过多个生理指标采集设备、无线基站、服务器等组成的牲畜生理指标智能监测系统监测牲畜的运动生理数据，以反映牲畜的健康状况。并通过运动生理数据建立标准生理指标模型、牲畜的健康指数，并结合工作人员的诊断结果，建立牲畜健康指数-诊断结果相关性数据库，同时建立健康指数-诊疗或者营养补充的相关性数据库，最终建立牲畜的运动数据与诊疗或治疗方案的相关性数据库，为牲畜病情管理提供了解决方案。这样的话，下次在监测到牲畜的运动数据时，只需要通过数据库，就可以比较定性地得出牲畜的健康情况以及诊疗或治疗方案。综上，本发明可以简化养殖管理减轻养殖者负担，快捷高效地监测单个牲畜的生长状况、健康状况，并能为生长不良的牲畜快速提供治疗或者营养补充方案，以提升牲畜群体整体质量。
附图说明：
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明的生理指标采集设备结构示意图。
图3为本发明的生理指标采集器原理框图。
图4为本发明的无线基站原理框图。
图5为本发明的服务器端原理流程图。
图6为本发明的系统方法流程图。
图7为本发明的具体实施例中的牲畜活动量标准模型图表。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-5所示，一种基于物联网的牲畜生理指标智能监测系统，包括无线基站天线1、无线基站2、多个生理指标采集设备4、运营商信号塔5，多个生理指标采集设备4与无线基站2无线通信，无线基站2与运营商信号塔5无线通信；生理指标采集设备4包括固定带41和安装在固定带41上的生理指标采集器42，生理指标采集器42包括电池、第一电源稳压模块、加速度传感器、第一无线通信模块，电池与第一电源稳压模块电性连接，第一电源稳压模块与加速度传感器、第一无线通信模块电性连接，加速度传感器、第一无线通信模块电性连接；无线基站2包括第二电源稳压模块、第二无线通信模块、5V开关电源、4G物联网模块，5V开关电源输入端连接220V市电，5V开关电源输出端连接第二电源稳压模块、4G物联网模块，第二电源稳压模块输出端连接第二无线通信模块，第二无线通信模块通过电平转换串口连接4G物联网模块。
其中，第一无线通信模块、第二无线通信模块为nRF24LE1芯片。第一电源稳压模块、第二电源稳压模块为3.3V稳压电源。
牲畜在采食以及自由活动期间，佩戴生理指标采集设备，设备仅记录对应牲畜的生理指标数据并储存在设备里。本发明使用加速度传感器记录牲畜的各种运动数据，从而记录所佩戴牲畜的活动数据，用于生理指标计算。
当牲畜在晚上回到栖息场所的时候，生理指标采集设备4与采集设备相应的无线基站无线通信，一个基站可以连接多个采集设备。牲畜运动步数数据传递到无线基站，在传输完成之后，设备断开无线通信连接，继续进入生理指标采集模式。无线基站支持200多个设备同时在线传输，本基站和采集器所采用的无线方案是最远1000米，以满足草原环境中的大种群个体数据传输。同时1000米的距离可以保证无线功率在合理的范围内，使得采集数据器的电源可以使用足够长时间。由于在畜牧生成环境中，牲畜活动范围极广，因此需要远距离无线通信方案。但是无限增大无线传输功率以实现远距离通信，就会出现大量的电能消耗，使得超过1000米的无线通信方案变得不可行，因此设计选用了一套传输范围在1000米内的无线传输芯片，用于数据传输。牲畜一般都是成群活动，而生理指标采集器需要采集并记录种群中每只个体的生理数据。而采集的数据需要统一传输到一个智能终端，以实现对牲畜群每个个体的生理指标作出评估和预测。牲畜群一般数量众多，所以需要一对多采集方案，因此选择支持一对多的无线通信芯片。本发明选择的nRF24LE1芯片可以满足这两个要求。
远程牧场采集的数据，需要传回到服务器，以实现对牲畜个体数据的大数据分析，因此本发明设计了远程数据回传方案，方案由无线数据收集端和4G通信芯片组成。无线数据接收端负责接收各个生理指标采集器传递过来的数据，并集中整理转换，然后使用4G通信芯片通过4G网络把数据传输到公共服务器上，完成数据收集回传功能。
如图1所示，羊身上的生理指标采集设备(标号4)传递采集数据到无线基站(标号2)，然后，无线基站里配备了4G物联网模块，4G物联网模块连接运营商的4G信号，连接上互联网络，从而把采集到的数据发送到公司的服务器上，完成数据的采集。
为了采集牲畜生理指标，需要设计一套佩戴方案，使得牲畜佩戴本生理采集设备满足舒适与牢固的要求。固定方案如图2所示，由固定带41和安装在固定带41上的生理指标采集器42组成，生理指标采集器42由内部电子设备和外壳组成，外壳连接了固定带41，固定带41的长度与强度适合羊、牛等牲畜佩戴。
如图3的生理指标采集器42原理框图所示，由：电池、加速度传感器、nRF24LE1无线通信芯片、电源稳压模块构成。由加速度传感器采集牲畜的活动数据，采集的数据经过格式化处理后，使用远距离低功耗无线传输芯片nRF24LE1，来传输数据到无线基站。生理指标采集器42由碱性干电池供电，完成数据采集的功能。
如图4所示，无线基站使用交流220v供电，内部集成5v电源转换模块、3.3v电源转换芯片、nRF24LE1无线通信芯片、4G物联网模块、串口电平转换组成。其中无线传输芯片nRF24LE1用作接收端，同时允许200个子设备连接并传输数据。5v电源模块给4G物联网模块供电，3.3v电源芯片用于给nRF24LE1芯片供电。串口电平转换芯片用于交换nRF24LE1芯片和4G物联网直接的数据通信。无线传输芯片nRF24LE1收到子设备传输过来的数据之后，调用4G物联网模块传递数据。4G物联网模块可以连接当地的运营商网络，形成网络数据传递通道，完成数据上传到服务器的任务。
如图5所示，无线基站发送数据到服务器之后，服务器程序分类保存数据到数据库，服务器程序使用生理指标计算算法，给每只牲畜生成对应的生理指标数值。生理指标数据每天采集一次，系统根据累计产生的生理指标数据，形成大数据数据基础。系统更具全天候的生理指标数据集合，生成对应牲畜的生理指标模型，从而检测与预测对应牲畜的生体健康状况。
如图6所示，一种基于物联网的牲畜生理指标智能监测方法，包括以下步骤：
步骤1、服务器根据数据采集设备采集的牲畜的运动数据，建立标准生理指标模型，并更新标准生理指标模型；
步骤2、服务器根据数据采集设备采集的牲畜的运动数据，结合标准生理指标模型，计算牲畜的健康指数，根据健康指数是否在正常值范围内，确实牲畜是否可能生病；
步骤3、工作人员对确定生病的牲畜进行专项诊断并将诊断结果录入服务器，服务器建立牲畜健康指数-诊断结果的相关性数据库模型；
步骤4、工作人员根据诊断结果，给出相应的治疗或者营养补充方案，并通过服务器建立治疗或者营养补充数据库，服务器最终建立牲畜的运动数据与治疗方案的相关性数据库。
步骤1的本采集器会定时1分钟广播一次自己的ID号码给服务器，每个ID号码对应一只牲畜。只要牲畜在以无线基站为中心，以1000米为直径的圆圈范围内，无线基站即可收到采集器发送的省份ID广播。此功能用于实时查看牲畜是否在牲畜圈或牲畜圈附近，用于牲畜走丢报警以及牲畜回栏统计。因此养殖场通过本系统可以实时查看是否有牲畜没有按时回到牲畜圈中，以及丢失牲畜的对应牲畜生份编，此功能是根据芯片功能开发的远距离电子标签功能。除此之外采集器设备外壳还印制有设备的id编码，和其它身份标示编号，便于生产管理查看。
另外，步骤1建立标准生理指标模型，并更新标准生理指标模型的具体方法为：
其中，建立标准模型方法：一周或者一月的时间内，通过采集多头身体健康的牲畜的连续每天中每个时间段的活动步数来得出一个统计结果，求出牲畜在一天中每个时间段内的平均活动量，以此作为身体健康牲畜生理正常标准模型；
更新标准模型方法：在日后使用中，原始采集数据不断积累形成大量个体牲畜活动数据，每隔一周或者一月从这些数据中挑选健康牲畜的数据，使用这些数据再次计算牲畜在一天中每个时间段内的平均活动量，当牲畜在一天中每个时间段内的平均活动量在一个稳定的范围内，以此稳定范围作为标准生理指标模型。
更新标准模型时确定牲畜在一天中每个时间段内的平均活动步数的范围公式如下：
某时间段的上限值＝某个时间段的原平均值+原平均值的500；
某时间段的下限值＝某个时间段的原平均值-原平均值的500。
所述步骤2具体为：当天收到羊一天的活动量数据之后开始比较，取当天活动量数据的所有时间段内运动步数，和标准模型中所有时间段的运动步数的范围做比较，如果牲畜运动步数在标准模型运动步数范围内则计为正常，否则计为异常，健康指数计算公式：
健康指数＝一天中运动步数中为正常的时间段个数/一天所有时间段总数；
健康指数的范围为0.0～1.0，指数数值越接近1表示当前羊与标准模型越接近，即越健康，健康指数大于0.0小于等于0.3为不健康或已经生病，大于0.3到1.0为健康状态。
本发明通过多个生理指标采集设备、无线基站、服务器等组成的牲畜生理指标智能监测系统监测牲畜的运动生理数据，以反映牲畜的健康状况。并通过运动生理数据建立标准生理指标模型、牲畜的健康指数，并结合工作人员的诊断结果，建立牲畜健康指数-诊断结果相关性数据库，同时建立健康指数-诊疗或者营养补充的相关性数据库，最终建立牲畜的运动数据与诊疗或治疗方案的相关性数据库，为牲畜病情管理提供了解决方案。这样的话，下次在监测到牲畜的运动数据时，只需要通过数据库，就可以比较定性地得出牲畜的健康情况以及诊疗或治疗方案。
如图7所示，经过长期的监控数据统计，得出牲畜的运动步数统计如图坐标系所示，这也就是牲畜全天各个时间段的标准生理指标模型，从早上8:00到第二天8:00，每两个小时一个时间段，总共12个时间段。当某一天检测到某只或者几只牲畜运动步数在图中阴影条上下限值外时(一般低于下限)，则牲畜健康状况计为异常。假如某只或者几只牲畜在这12个时间段内有3个时间段运动情况被定性为异常，则将健康指数为：3/12＝0.25,大于0.0小于等于0.3,为不健康或已经生病,这样就需要对这只或者这几只牲畜进行诊断。工作人员诊断的结果(病情)以及针对病情给出的治疗方案或者营养补充方案均通过计算机录入服务器数据库。这样日积月累就形成了：牲畜运动步数-标准生理指标模型-健康指数-诊断结果-治疗方案或者营养补充方案的一些列信息数据库，从概率学角度分析，这个数据库经过长期数据统计必然会形成较为稳定的关系型数据库，也可以理解为从最开始发现的牲畜运动步数到健康指数、诊断结果乃至治疗方案或者营养补充方案具有某种函数关系。这样下次发现有牲畜运动异常时，就可以通过其运动步数数据，直接推断出牲畜的健康指数、诊断结果乃至治疗方案或者营养补充方案，为牲畜规模化养殖提供了一套较为快捷、高效的管理方案。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于物联网的牲畜生理指标智能监测系统，其特征在于，包括无线基站天线(1)、无线基站(2)、多个生理指标采集设备(4)、运营商信号塔(5)，所述多个生理指标采集设备(4)与无线基站(2)无线通信，所述无线基站(2)与运营商信号塔(5)无线通信；所述生理指标采集设备(4)包括固定带(41)和安装在固定带(41)上的生理指标采集器(42)，所述生理指标采集器(42)包括电池、第一电源稳压模块、加速度传感器、第一无线通信模块，所述电池与第一电源稳压模块电性连接，所述第一电源稳压模块与加速度传感器、第一无线通信模块电性连接，所述加速度传感器、第一无线通信模块电性连接；所述无线基站(2)包括第二电源稳压模块、第二无线通信模块、5V开关电源、4G物联网模块，所述5V开关电源输入端连接220V市电，所述5V开关电源输出端连接第二电源稳压模块、4G物联网模块，所述第二电源稳压模块输出端连接第二无线通信模块，所述第二无线通信模块通过电平转换串口连接4G物联网模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的牲畜生理指标智能监测系统，其特征在于，所述第一无线通信模块、第二无线通信模块为nRF24LE1芯片。
3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的牲畜生理指标智能监测系统及监测方法，其特征在于，所述第一电源稳压模块、第二电源稳压模块为3.3V稳压电源。
4.一种基于物联网的牲畜生理指标智能监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、服务器根据数据采集设备采集的牲畜的运动数据，建立标准生理指标模型，并更新标准生理指标模型；
步骤2、服务器根据数据采集设备采集的牲畜的运动数据，结合标准生理指标模型，计算牲畜的健康指数，根据健康指数是否在正常值范围内，确实牲畜是否可能生病；
步骤3、工作人员对确定生病的牲畜进行专项诊断并将诊断结果录入服务器，服务器建立牲畜健康指数-诊断结果的相关性数据库模型；
步骤4、工作人员根据诊断结果，给出相应的治疗或者营养补充方案，并通过服务器建立治疗或者营养补充数据库，服务器最终建立牲畜的运动数据与治疗方案的相关性数据库。
5.根据权利要求4所述的一种基于物联网的牲畜生理指标智能监测方法，其特征在于，所述步骤1数据采集设备采集牲畜的运动数据时，定时1分钟广播一次其对应牲畜的ID号码给服务器。
6.根据权利要求4所述的一种基于物联网的牲畜生理指标智能监测方法，其特征在于，所述步骤1建立标准生理指标模型，并更新标准生理指标模型的具体方法为：
建立标准模型方法：一周或者一月的时间内，通过采集多头身体健康的牲畜的连续每天中每个时间段的活动步数来得出一个统计结果，求出牲畜在一天中每个时间段内的平均活动量，以此作为身体健康牲畜生理正常标准模型；
更新标准模型方法：在日后使用中，原始采集数据不断积累形成大量个体牲畜活动数据，每隔一周或者一月从这些数据中挑选健康牲畜的数据，使用这些数据再次计算牲畜在一天中每个时间段内的平均活动量，当牲畜在一天中每个时间段内的平均活动量在一个稳定的范围内，以此稳定范围作为标准生理指标模型。
7.根据权利要求6所述的一种基于物联网的牲畜生理指标智能监测方法，其特征在于：所述更新标准模型时确定牲畜在一天中每个时间段内的平均活动步数的范围公式如下：
某时间段的上限值＝某个时间段的原平均值+原平均值的500；
某时间段的下限值＝某个时间段的原平均值-原平均值的500。
8.根据权利要求4所述的一种基于物联网的牲畜生理指标智能监测方法，其特征在于，所述步骤2具体为：当天收到羊一天的活动量数据之后开始比较，取当天活动量数据的所有时间段内运动步数，和标准模型中所有时间段的运动步数的范围做比较，如果牲畜运动步数在标准模型运动步数范围内则计为正常，否则计为异常，健康指数计算公式：
健康指数＝一天中运动步数中为正常的时间段个数/一天所有时间段总数；
健康指数的范围为0.0～1.0，指数数值越接近1表示当前羊与标准模型越接近，即越健康，健康指数大于0.0小于等于0.3为不健康或已经生病，大于0.3到1.0为健康状态。
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