基于傳感器網絡的羊舍環境監測及預警系統

梁萬杰 曹靜 凡燕 朱科峰 王支鳳 戴起偉

摘要：針對我國畜禽養殖現狀及環境對畜禽生長的重要性，提出了羊舍環境監測及預警系統的設計和實現方案。在傳感器設計方面提出了光、溫、濕三合一的傳感器集成方案，采用把溫濕度傳感器放在百葉窗內的方案，有效提高數據采集的準確性；在傳感器網絡方面提出了部分有線加3G網絡的數據傳輸方案，兼顧易安裝性及可擴展性，同時提高了數據傳輸的可靠性；在軟件方面提出了數據采集中間件方案，主要是為了實現軟硬件的分離，提高軟件系統的兼容性和可移植性；管理系統基于B/S架構設計，采用MVC開發模型，基于J2EE企業級軟件系統實現方案。經過實際應用及用戶操作體驗調查結果表明，系統用戶界面友好，系統運行穩定，在環境參數超出設定的閾值時能及時報警，有效提高了羊場管理的效率和自動化水平。

關鍵詞：羊舍環境監測；預警；傳感器網絡；3G網絡

中圖分類號： S126文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）02-0352-04

收稿日期：2013-07-03

基金項目：江蘇省農業科技自主創新資金[編號：CX（13）5060]。

作者簡介：梁萬杰（1980—），男，河南商丘人，博士，助理研究員，主要從事農業物聯網關鍵技術及其應用。Tel：（025）84391702；E-mail：liangwanjie@sohu.com。

通信作者：戴起偉，碩士，研究員，主要從事農業信息分析與咨詢。Tel：（025）84391909；E-mail：dqw00001@126.com。畜牧業是中國農業增效、農民增收的重要產業，近年來取得了長足的進展[1]，畜禽健康養殖也越來越受到人們的重視。畜禽健康養殖是指動物養殖過程的安全、健康以及飼料營養的無公害，達到保護人類安全和維護社會穩定的目的[2]。環境、品種、飼料和疾病構成畜禽健康養殖的四大技術限制因素，其中環境監測是畜禽健康養殖的關鍵限制因子。品種及飼料的優勢都是以適宜的環境為基礎而得到充分發揮的，同時舒適的養殖環境也是控制畜禽疾病發生的有效方法。隨著畜禽養殖產業的不斷發展，對畜禽養殖環境監控系統的要求也越來越高，不但要求監測控制系統能夠實現對溫度、濕度、光照和氨氣濃度等眾多畜舍環境因子實時數據的獲取，對這些數據進行存儲、分析、處理，還要能實現對諸環境因子的控制，操縱相應的控制設備，達到畜禽養殖的現代化、智能化、精準化。

隨著計算機技術、傳感器技術和網絡通信技術的發展，由大量隨機分布的，具有實時感知、無線通信和自組織能力的傳感器網絡得到快速的發展[3-4]，同時也為畜禽健康養殖環境監測和預警提供較好的技術手段[5]。傳感器網絡采用無線通信技術，可實現分布式部署，能最大程度地減少器件連線，降低系統搭建、維護的費用和難度，同時提高系統的可擴展性[6]。針對畜禽健康養殖對智能化環境監測和預警的需要，本研究以羊舍環境監測和預警為研究對象，設計一套能實現羊舍環境實時監測、數據處理與分析、自動報警等功能的羊舍環境監測及預警系統。實際應用結果表明，該系統運行穩定，能實現環境數據的實時采集與傳輸，并在環境參數超出設定范圍時，采用短信、聲光等手段實現報警，從而提高養殖的自動化、智能化和精準化水平。

1羊舍環境監測及預警系統的結構

羊舍環境監測及預警系統的網絡結構如圖1所示。該系統主要有環境參數傳感器、數模轉換模塊（RTU）、數據傳輸模塊（DTU）、服務器、網絡設備、客戶終端和高清拼接屏等設備組成。傳感器通過有線的方式連接到RTU，經RTU把傳感器采集到的模擬數據（每個羊舍內的溫度、濕度、光照強度和氨氣濃度）轉換成數字數據，通過串口通信傳輸到DTU，DTU通過3G網絡把數據傳輸到監控中心的數據庫服務器；系統平臺通過WEB服務對外提供服務；用戶通過客戶端設備（計算機、手機或平板計算機等）訪問系統服務， 實現對羊舍環境的管理和報警信息接收。展示平臺由高清的工業級顯示屏拼接而成，具有可長期運行、穩定性好的特點。展示平臺是一個對外展示的窗口，可用于展示每個羊舍的環境參數、視頻數據、展示相關成果，也可用于操作控制平臺。

2羊舍環境監測及預警系統硬件設計

2.1傳感器節點

溫濕度傳感器受局部環境的影響較大，具有一定的隨機性。例如，陽光的直射可能會使溫度迅速升高，而當陽光轉走時，溫度又會迅速降低，不能客觀地反映羊舍的溫度情況；濕度也會因為局部水汽造成數值快速升高。因此，本研究設計了一個光、溫、濕三合一傳感器（圖2）。設計思路是：設計1個圓形的百葉窗，把溫濕度傳感器放在百葉窗設備中，在設備的頂部放置光傳感設備。百葉窗具有很好的通風功能，其內部和外部具有同樣的溫濕度。這種設計既不影響采集光照度參數，又能很好地避免因為太陽直射或局部濕度上升造成的溫濕度參數失真。從設備的安全性和安裝性能上來說，百葉窗可以很好地保護內部的光溫濕傳感器，同時又易于安裝。

2.2傳感器網絡

該系統的傳感器網絡采用部分有線加3G網絡的方式。傳感器節點通過串行接口與模數轉換設備連接，模數轉換設備可以根據需要連接到無線傳輸設備上，組成局域網絡，最終把數據集中到數據傳輸模塊中，或直接與數據傳輸模塊相連；采集的環境數據最終由數據傳輸模塊經過3G網絡傳送到遠程的上位機，經上位機把數據保存到數據庫或對上層應用提供服務。這種環境數據采集和傳輸網絡具有以下優點：（1）在傳感器網絡到數據遠程傳輸模塊之間采用有線的方式，可以有效地防止由于動物的走動對傳輸信號的干擾，提高信號傳輸的穩定性；（2）采用3G網絡實現遠程數據傳輸，即考慮了環境參數數據量有限，可把通信費用控制在可接受的范圍內，同時也提高了系統部署的靈活性以及系統的可擴展性。

3羊舍環境監測及預警系統軟件的設計

軟件系統對羊舍環境智能監測和報警十分重要，是整個系統的靈魂。軟件系統的設計要充分考慮硬件系統的特點和拓撲結構，不僅要滿足系統的功能要求，還要滿足用戶對系統操作的方便性和友好性。本研究提出的軟件系統主要分為兩部分：數據采集中間件和基于WEB的服務系統。數據采集中間件的主要任務是接收數據傳輸模塊發送過來的數據，并對數據進行分析處理、保存，同時對WEB服務系統提供實時環境數據。服務系統的主要功能是對遠程用戶提供環境參數查詢、統計分析、展示、環境參數閾值設置、報警及其他管理功能。

3.1數據采集中間件設計

中間件是一種獨立的系統軟件或服務程序，分布式應用軟件借助這種軟件在不同的技術之間共享資源。中間件在分布式軟件模塊之間建立一個互操作的機制，屏蔽底層分布式環境的復雜性和異構性，為上層的應用軟件提供統一的接口，使用戶可以靈活、高效地開發和集成復雜的應用系統[7]。本研究設計的數據采集中間件的主要功能是接收從數據傳輸模塊發送過來的環境數據，對數據進行分析、處理和整合，一方面存儲到數據庫中，另一方面對上層應用提供實時環境數據。具體實現方式是：在中間件初始化階段啟動2個套接字服務，一個用接收遠程環境數據傳輸請求，一個用于處理實時數據請求；當有環境數據傳輸請求到達時，建立一個套接字連接，并創建一個線程來處理數據傳輸過程；數據傳輸處理線程主要完成對傳輸過來的信息進行分析和處理，把數據保存到數據庫，同時更新中間件維護的實時環境數據信息表；當有實時環境數據請求到達時，建立一個套接字連接，同時創建一個線程來處理實時數據請求；實時數據請求處理線程的主要任務是根據請求的傳感器節點編號，查詢實時環境數據信息表，并把當前的環境數據打包發送給請求客戶端。中間件的內部事件處理邏輯如圖3所示。

3.2管理系統設計

本研究提出的管理系統是基于B/S架構設計的，該架構的特點是瘦客戶端，即客戶端不需要特殊的配置，只需安裝瀏覽器，且不受地域和時間的訪問限制。軟件功能架構采用MVC架構，做到表示層和業務邏輯層分離，使美工擺脫復雜的業務邏輯關系，而只注重界面設計的美工和易操作性；同時業務邏輯編程人員只需注重業務邏輯關系的實現，從而開發出功能完善、執行效率高、運行穩定的軟件系統。從功能上來看，主要包括數據管理、設備管理、養殖信息管理、參數閾值管理、報警信息管理等功能模塊。數據管理主要提供環境數據查詢、溫濕光曲線圖、氨氣曲線圖等功能；設備管理主要功能是設備位置、參數的管理；養殖信息管理主要功能包括飼養記錄、防疫記錄、出欄情況等信息管理和統計分析；參數閾值管理的功能是對不同類型、不同位置的傳感器，針對羊的不同生長階段設置環境參數的上下限閾值，并對此類信息進行維護和管理；報警信息管理的功能是，當某一環境參數超出設定的閾值時產生1條報警信息，并通過短信、聲光的方式通知羊舍管理人員，管理人員根據實際情況對報警信息進行處理。

4羊舍環境監測及預警系統實現與應用

系統軟件的實現包括數據采集中間件和管理系統兩部分。中間件部分采用Java語言實現，Java語言提供有套接字網絡連接接口、進程管理類以及數據庫連接和操作軟件包，采用這些軟件包可以很快捷地實現中間件設計的所有功能。管理系統實現方面采用Tomcat服務器作為WEB服務器，數據庫采用Mysql數據庫，采用J2EE系統解決方案來實現羊舍環境監測與預警系統。Tomcat和Mysql均為開源的WEB系統解決方案，其功能完善，技術成熟，用戶界面友好。J2EE架構是應用較廣泛的WEB系統解決方案，采用EJB組件實現業務邏輯層開發，可以提高代碼的重復利用率，從而提高系統的開發效率，同時采用Struts架構實現表示層與業務邏輯層的分離，使表示層只需注意界面美工和操作功能的實現；表示層主要用JSP、Javascript等技術實現。其系統界面如圖4所示。

本研究在江蘇省農業科學院六合動物科學基地的養羊場安裝、配置了此監測及預警系統。經過一段時間的運行和調試，系統運行穩定，并按一定的周期采集到了羊舍的環境參數數據。在環境參數超出設定的閾值時，能及時通過短信、聲光等方式通知羊場管理人員，使管理人員能及時地對現場情況進行處理。對羊場工作人員的應用體驗調查結果表明，此系統用戶界面友好，應用方便快捷，有效提高了羊場管理的效率和自動化水平。圖5是羊舍溫濕光曲線截圖。

5結論

本研究根據羊場環境監測及預警的需求提出了一套系統軟硬件設計和實現方案，在傳感器網絡方面采用部分有線加3G網絡的設計方案，此方案設計較成熟、運行較穩定，且又能保證系統安裝的方便性和系統的可擴展性。在傳感器方面設計了光、溫、濕三合一集成方案，并加入了百葉窗的設計，有效地避免了太陽光直射等造成的失真情況。在軟件方面分別提出了數據采集中間件以及管理系統設計和實現方案，中間件的設計可以有效分離硬件和軟件系統，提高軟件系統的兼容性、可移植性和可擴展性。經過實際應用及用戶操作體驗調查，結果表明，系統用戶界面友好，應用方便快捷，系統運行穩定，能準確地采集環境參數數據且能可靠地傳輸數據，在環境參數超出設定的閾值時能及時報警，有效提高羊場的管理效率和自動化水平。但系統只是完成了環境的監測和預警，下一步需要進一步完善環境監測指標，加入環境調節和自動控制功能。

參考文獻：

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