CN208156720U - 基于LoRaWAN的家畜生物特征实时在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型利用适合农业领域的物联网LoRaWAN技术，结合生物传感器，采集家畜的基本生理参数相关数据。每头家畜戴上特别设计的颈脖圈，颈脖圈内设置有能够采集心率、温度、加速度、位置、生物阻抗等特征的生物传感器组件，所述传感器组件每间隔一定时间通过LoRa网关向互联网云服务器发送家畜的心跳、体温、步行数、站立/卧躺时间比等数据。服务器端对大数据进行实时分析，与同龄健康家畜生理参数进行比较，发现非正常生理倾向及时通报养殖人员，为养殖过程提供实时、精准的状态查看手段。LoRaWAN传感器功耗可以非常小，本实用新型能够促进农业养殖标准化、规模化发展，同时为肉类产品的安全、可追溯及产品的价值提供技术保障。

Description

基于LoRaWAN的家畜生物特征实时在线监测系统

技术领域

本实用新型涉及家畜监测系统，具体涉及一种基于LoRaWAN的家畜生物特征实时在线监测系统。

背景技术

我国是农业养殖大国，猪牛羊特别是猪肉是我国人民的主要消费肉产品。2016年，我国生猪出栏68502万头，人民消费猪肉5299万吨，在我国畜牧业比重超过60％。而且，随着人们生活水平的提高，对牛奶需求也越来越高。但我国属于发展中国家，养殖水平远不如发达国家，尤其是发情母猪/母牛的配种成功率也远不如发达国家，养殖企业的经济效益增加不明显。而国家在中长期科学和技术发展规划纲要中已明确将“农业精确作业与信息化”纳入优化主题，因此，如何提高养殖水平，特别是建立现代化的家畜养殖监测系统，对我国养殖业的快速发展具有重要意义。

低功耗广域网技术(Low Power Wide Area Network，LPWAN)成为弥补物联网网络层短板的最佳选择。LoRaWAN是低功率广域物联网全球标准，网络内的各种传感器与LoRa基站通讯(中国基站使用470MHz频段，属于免费民用频段)，传感器功耗可以非常小，数据交换时只需50mA电池电流，电池寿命可达几年甚至10年以上，而且基站本身就可以提供定位服务，无需专用GPS硬件，所以成本也非常低(几十元人民币)，通信距离可达双向15公里，这些特点使得它非常适合农业物联网使用，尤其是适合我国的养殖业的发展现状。

实用新型内容

实用新型目的：基于以上不足，本实用新型提出一种基于LoRaWAN的家畜生物特征实时在线监测系统。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型用如下技术方案：

一种基于LoRaWAN的家畜生物特征实时在线监测系统，包括监测终端、通信组件、云服务器以及用户终端，监测终端通过LoraWAN协议与通信组件中的Lora网关相连，Lora网关经由无线AP或路由器接入互联网，实现与云服务器连接，用户终端以有线或无线方式连接至云服务器。其中，每个监测终端都包括微控制器、分别与微控制器连接的电源模块、传感器组件和LoRa收发器，传感器组件包括心率传感器、温度传感器、加速度传感器、生物阻抗传感器，这些传感器的信号输出端分别连接至微控制器的各个信号输入端。为了检测该监测终端的电压情况，监测终端还包括欠压检测模块，欠压检测模块与微控制器的检测接口连接，并且与电源模块设置在同一侧。

Lora网关包括嵌入式处理芯片和LoRa射频模块，嵌入式处理芯片和LoRa射频模块之间通过SPI总线连接，LoRa射频模块上设有LoRa天线，嵌入式处理芯片通过标准IP协议连接至外部IP通信设备，包括无线AP或路由器，从而接入互联网。用户终端包括移动智能终端、个人数字助手、平板电脑、膝上型电脑、台式机，通过有线或无线方式接入互联网，实现与云服务器之间的数据下载和上传。监测终端调试好后，将其固定设置在一个以柔性材料制成的脖颈圈上。

本监测系统在使用时，将脖颈圈套在家畜脖子上，各生物传感器采集养殖场内每头牲畜的基本生理参数，包括体温、心率、姿势和运动等相关数据，并通过LoRaWAN传送到云服务器，用户终端可以设置数据的发送时间间隔。云服务器端接收到数据后，与预先存储的同龄健康同类牲畜的生理参数进行比较，生成实时监测状态报告，供用户终端查看。

有益效果：本实用新型利用适合农业领域的物联网LoRaWAN技术，结合生物传感器，采集家畜的基本生理参数相关数据。每头家畜戴上特别设计的颈脖圈，颈脖圈内带有心率计数器、体温计、加速度计、定位仪，每间隔一定时间通过LoRa网关向互联网云服务器发送家畜的心跳、体温、步行数、站立/卧躺时间比等数据。服务器端对大数据进行实时分析，与同龄健康家畜生理参数进行比较，发现非正常生理倾向及时通报养殖人员，为养殖过程提供实时、精准的状态查看手段。本实用新型成本低、功耗小，能够促进农业养殖标准化、规模化发展，同时为肉类产品的安全、可追溯及产品的价值提供技术保障。

附图说明

图1为本实用新型的监测系统组网图；

图2为本实用新型的监测终端结构图；

图3为本实用新型的Lora网关的控制原理图；

图4为使用时监测终端戴在家畜(猪)脖子上示意图；

图5为移动智能终端侧应用程序界面。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步说明。

如图1和图2所示，一种基于LoRaWAN的家畜生物特征实时在线监测系统，包括监测终端、通信组件、云服务器以及用户终端，监测终端通过LoraWAN协议与通信组件中的Lora网关相连，Lora网关经由无线AP或路由器接入互联网，实现与云服务器连接，用户终端以有线或无线方式连接至云服务器。其中，每个监测终端都包括微控制器、分别与微控制器连接的电源模块、传感器组件和LoRa收发器，传感器组件包括心率传感器、温度传感器、加速度传感器、生物阻抗传感器，这些传感器的信号输出端分别连接至微控制器的各个信号输入端。为了检测该监测终端的电压情况，监测终端还包括欠压检测模块，欠压检测模块与微控制器的检测接口连接，并且与电源模块设置在同一侧。电源模块采用锂电池，根据家畜出栏年数的不同，可以选用不同容量的锂电池，例如1000mAh到2000mAh的用于猪羊兔的监测，2000mAh的用于牛马的监测。

如图3所示，Lora网关包括嵌入式处理芯片和LoRa射频模块，嵌入式处理芯片和LoRa射频模块之间通过SPI总线连接，LoRa射频模块上设有LoRa天线，嵌入式处理芯片通过标准IP协议连接至外部IP通信设备，包括无线AP或路由器，从而接入互联网。LoRa天线为射频天线，实现LoRa网关与LoRa收发器之间的通信，并且采用LoRa扩频通信技术，更好了实现多接点通信；并通过多通道LoRa射频模块保证数据接收稳定性。用户终端包括移动智能终端、个人数字助手、平板电脑、膝上型电脑、台式机，通过有线或无线方式接入互联网，实现与云服务器之间的数据下载和上传。监测终端调试好后，将其固定设置在一个以柔性材料制成的脖颈圈上。

本监测系统在使用时，如图4所示，在养殖场内每头家畜脖子上套上一个脖颈圈，并给脖颈圈和家畜建立编号对应关系，将这些对应关系先传到云服务器上建立一个空表。各生物传感器采集牲畜的基本生理参数，包括体温、心率、姿势和运动等相关数据，并通过LoRaWAN传送到云服务器，用户终端可以设置数据的发送时间间隔。云服务器端接收到数据后，根据编号将内容分别填入相应的表项，并与预先存储在服务器上的同龄健康同类牲畜的生理参数进行比较，生成实时监测状态报告，提供WEB页面实时监测结果供用户终端查看。进一步地，对于移动智能终端或平板电脑，提供了更便捷的查看方式，可以通过安装相应的应用程序到云服务器上注册，选择目标家畜分项查看其生物状态，图5示出了智能化监测平台客户端界面示意图。养殖场养殖人员能够及时准确地得到各头家畜的生理数据，了解其健康状态。

在本系统中，各种传感器用于直接获得家畜的第一手生物特征，因此在选型时要综合考虑牲畜的活动特征、传感器的技术性能以及制造成本。下面具体详述本实用新型采用的各传感器及其作用。

加速度传感器采用加速度计，用于计算每天步行数以及坐卧时间比例。其原理是利用三轴加速度传感器特性分析家畜在运动中三个方向(三维)的加速度变化。家畜在运动中，垂直和前进方向产生的加速度大致为一个正弦曲线，通过对曲线的峰值、谷值分析得出其运动步数。由于家畜的运动特性不同于人类以及其他动物，因此，在分析算法中设定符合家畜运动特征的参数，滤除过快、过慢、峰值过大的数据，提高算法的准确性。

温度传感器采用红外温度传感器，用于周期性检测猪体温。使用传统的玻璃水银温度计对动物测体温的时候，存在操作时间长、操作不方便、动物不配合等缺陷，尤其是对动物进行大批量测量的时候，操作性更差，并且也会给操作人员带来安全风险。利用红外温度传感器可以通过非接触的方式迅速测出猪的体温，测量精度高，并且不受外界环境温度影响，非常适用于对大批量的猪定时测量温度。

心率传感器采用光电式心率传感器，心率测定仪用于周期性检测猪心跳率。采用光电式心率传感器，通过感应血管收缩引起的反射光周期性强度变化，通过数字信号处理，得出家畜的心率。

生物阻抗传感器用于检测家畜体重、肌肉/脂肪比例。生物阻抗传感器发出微弱的电波，这些电波极其微弱，并不会对家畜的生理产生任何影响。不同的生物组织存在较大的阻抗差距，同一生物组织在不同的生理状态下，阻抗也不同。因此，可以通过对电波回波的时间、衰减、谐波进行处理和分析，得出家畜的体态、肌肉/脂肪比例，并可以辅助纠正温度、心率测量的误差。

Claims (7)

1.一种基于LoRaWAN的家畜生物体征实时在线智能化监测系统，其特征在于：包括监测终端、通信组件、云服务器以及用户终端，所述监测终端通过LoraWAN协议与所述通信组件中的Lora网关相连，Lora网关经由无线AP或路由器接入互联网，实现与所述云服务器连接，所述用户终端以有线或无线方式连接至所述云服务器。

2.如权利要求1所述的一种基于LoRaWAN的家畜生物体征实时在线智能化监测系统，其特征在于：所述监测终端包括微控制器以及分别与所述微控制器连接的电源模块、传感器组件和LoRa收发器。

3.如权利要求2所述的一种基于LoRaWAN的家畜生物体征实时在线智能化监测系统，其特征在于：所述传感器组件包括心率传感器、温度传感器、加速度传感器、生物阻抗传感器，这些传感器的信号输出端分别连接至所述微控制器的各个信号输入端。

4.如权利要求2所述的一种基于LoRaWAN的家畜生物体征实时在线智能化监测系统，其特征在于：所述监测终端还包括欠压检测模块，所述欠压检测模块与所述微控制器的检测接口连接，并且与所述电源模块设置在同一侧。

5.如权利要求1所述的一种基于LoRaWAN的家畜生物体征实时在线智能化监测系统，其特征在于：所述Lora网关包括嵌入式处理芯片和LoRa射频模块，所述嵌入式处理芯片和所述LoRa射频模块之间通过SPI总线连接，所述LoRa射频模块上设有LoRa天线，所述嵌入式处理芯片通过标准IP协议连接至外部IP通信设备，包括无线AP或路由器，从而接入互联网。

6.如权利要求1所述的一种基于LoRaWAN的家畜生物体征实时在线智能化监测系统，其特征在于：所述用户终端包括移动智能终端、个人数字助手、平板电脑、膝上型电脑、台式机，通过有线或无线方式接入互联网，实现与所述云服务器之间的数据下载和上传。

7.如权利要求1-6中的任一项所述的一种基于LoRaWAN的家畜生物体征实时在线智能化监测系统，其特征在于：所述监测终端固定设置在一个以柔性材料制成的脖颈圈上。