基于物联网技术的养猪场环境监控系统.docx
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基于物联网技术的养猪场环境监控系统.docx
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基于物联网技术的养猪场环境监控系统
分类号墨鱼
鳗
江薛大擎
硕士学位论文
基于物联网技术的养猪场环境监控系统
塞住送教授
指导教师
戴医重
作者姓名
亟±学科专业捡测撞苤皇自动丝苤量.
申请学位级别
生鱼且
论文提交日期生§且论文答辩日期
生鱼且
学位授予单位和日期江苏太堂
评阅人一’一
、
、,
独创性声明
本人郑重声明:
所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独
立进行研究工作所取得的成果。
除文中已注明引用的内容以外,本论
文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果,也不包
含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
对
本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标
明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名:
藏右,云
日期:
幻缉月与日学位论文版权使用授权书
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询。
论文的公布包括刊登授权江苏大学研究生处办理。
年解密后适用本授权书。
保密旌
本学位论文属于
不保密
■
导师签名:
学位论文作者签名:
载酷、云
签字日期:
位年月店日
签字日期:
矽胆年月丛自江苏大学硕士学位论文
摘要
随着养猪场规模的不断扩大,提高养猪场信息化管理水平,实现精细养殖,
是养猪业的发展趋势。
现场精确数据信息的及时获取并分析处理是精细养殖业研
究的重要课题之一。
本文总结国内外的研究现状,引入嵌入式、视频监控、无线
通信等先进技术,设计基于物联网技术的养猪场环境监控系统,旨在为管理者提
供一个自动化精细化管理养猪场的可行方案,提高我国养殖业的精细养殖水平。
为了获取养猪场猪舍环境信息并控制猪舍设备运作,本文设计节点
扩展板电路和网关命令处理程序,将养猪场猪舍设备如温湿度传感器、电热板、
热风炉等组建成一个星状网络,最大限度地减少系统布线。
本文采用嵌入式
数据库技术对采集的大量养猪场猪舍信息进行存储和查询。
为了远程视频监控养猪场,本文采用尼龙云台和两个舵机设计舵机云台并设
计控制程序,实现远程控制云台带动摄像头水平和垂直转动,扩大
摄像头的可视监控范围。
同时,采用视频和音频流方案,设计视频服务
器,通过应用程序编程接口实现视频图像的采集。
为了让管理者通过笔记本、智能手机等工具远程管理养猪场,提高管理效率,
本文设计/浏览器/服务器管理模式。
采用服务器和库将
.控制中心配置成服务器。
采用框架网页和技
术并结合中文字符编码原理,设计数据查询实时更新程序,实现养猪场数据信息
在网页上动态实时显示。
采用.无线网络技术及动态域名解析技术,实现通
过域名远程访问.控制中心服务器,从而实现远程管理。
本文设计的基于物联网技术的养猪场环境监控系统解决传统监控系统布线
复杂且成本较高的问题,提高养猪场管理决策的效率,在我国精细养殖业中有着
广阔的应用前景。
关键词:
物联网,无线网络,.嵌入式服务器,环境监控,/管理模
式基于物联网技术的养猪场环境监控系统
。
江苏大学硕士学位论文,..
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江苏大学硕士学位论文
目录
摘要?
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第一章绪论.
.养猪场环境监控的研究背景
.国内外信息化养殖技术研究现状?
..
.课题研究的主要内容第二章养猪场环境监控系统总体设计.项目需求分析?
.系统方案设计?
.关键技术的选择
..
.嵌入式系统分析?
..短距离无线通信技术的分析与选择?
..
.本章小结第三章养猪场环境监控系统平台设计?
..
.系统硬件设计..
..嵌入式硬件接口资源分析?
?
..
..舵机云台设计..
..
节点控制设备开关的电路设计?
.
.开发平台的设计?
?
.
..交叉开发环境的设计?
?
..
’
..
机软件环境设计
..
平台软件开发环境设计.
.本章小结第四章系统软件设计与实现?
?
..?
..
.
节点与设备组建无线网络设计
..
星状网络?
基于物联网技术的养猪场环境监控系统
..
网关命令分析?
?
..
..
终端节点与协调节点流程分析?
.嵌入式数据库的移植与编程?
?
..
..
的语言编程?
?
..
..
嵌入式数据库的移植..
..养猪场数据信息的存储.视频监控模块设计?
?
.
..舵机云台控制程序设计..视频采集驱动层设计?
?
..
..视频采集应用层设计?
?
..
●●●●●●●●●●一
一一
●●●●●●●●●●一一一
●●●●●●●●●
●一一一
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●●●●●●●●●●一的一实现
●●●●●●●●●●一一一
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●●●●●●●●●●
一一一
●●●●●●●●●●一一一
●●●●●●●●●一一一
●.●●●●●●●●一一一
●.●●●●●●●一一一
●●●●●●●●●●一一一江苏大学硕士学位论文
第一章绪论
.养猪场环境监控的研究背景
现代信息技术正在向农业领域渗透,农业现场数据信息的及时获取并分析处
理,逐渐成为信息农业研究的重要课题。
我国养猪业正逐步由小规模饲养向集约
化、工厂化发展,迫切需要改变传统的经营模式,建立新的管理模式,提高养猪
场的现代化管理水平和生产效率。
随着养猪场规模的不断扩大,养猪场的管理难
度也越来越大,将现代信息技术引入养猪业,提高养猪业的信息化管理水平显得
日益重要。
影响养猪场经济效益的因素很多。
环境是决定养猪业生产水平高低的重要因
素之一。
养猪环境是指影响猪群繁殖、生长发育等方面的生活条件,由猪舍内的
温度、湿度、光照、设施、设备等因素组成的特定环境【】。
小猪怕冷、大猪怕热、
大小猪都不耐潮湿,而且需要洁净的空气和一定的光照。
因此,创造有益于生猪
健康成长的外界环境,消除或避免有害因素的影响,是生猪环境控制和管理的基
本任务。
猪舍温度过低或过高会使猪只的抵抗力下降,导致疫病增多,严重影响
成活率和生长速度,因此需要对养猪场环境进行适时适当的调节和控制。
精确采
集猪舍环境信息并对猪只的生长环境进行可视化精准化智能化调控,让猪群生活
在符合其生理要求的小气候环境内,从而达到优质高产。
规模化养猪场的猪只数
量较多、密度较大,如果没有及时发现和处理疫病,后果将不堪设想。
有效控制
猪只传染病蔓延是规模化养猪场的重要任务之一。
信息化可视化管理养猪场,可
及时发现疑似病猪,防止传染病蔓延,提高生猪的健康养殖水平。
目前,对群养猪行为的监测及生长环境的控制大多采用人工观察、人工调节
的方式。
人工观察到的数据主观性强,不利于精确、稳定、连续地记录;人工控
制则存在时效性差、占用人力资源和生产效率低等缺点。
另外,对规模化养猪场
的环境监控和猪群行为跟踪不及时,会造成猪舍环境的调节滞后,严重影响猪群
的正常生长繁育和猪肉质量,甚至会造成传染病蔓延,使养猪业蒙受巨大的经济
.
损失。
我国规模化养猪场的精细养殖技术相对落后,精细养殖中存在许多问题还未基于物联网技术的养猪场环境监控系统
解决,如养猪场多测点且多设备,布线复杂;数据采集及设备控制的实时性、精
确性;用户管理受时间和空间限制,等等。
物联网技术使客户端延伸和扩展到远
程物体,实现物体与物体之间、人与物体之间进行信息交换,能使远程用户及时
获取现场数据信息并分析处理,有广阔的应用前景。
引入物联网技术能够实现猪
个体和群体及环境的信息采集、猪舍环境的远程调控以及猪病的远程诊断防治
等,符合养猪业信息化管理的需求。
本文针对我国养猪业精细养殖的现状,引入现代经营理念,融合嵌入式技术、
无线通信技术、信息传感技术、视频监控技术等科技手段,设计一套基于物联网
技术的养猪场精准管理平台,为管理者提供一套环境可视化监控系统,提高养猪
场的生产经营效率。
物联网技术和视频技术实现用户操作不受空间限制,延伸和
扩展到远程猪舍,精确采集猪舍环境信息并对其进行远程可视化精准化智能化调
控,提高规模养猪业的数字化、自动化和智能化水平,使我国的养猪业朝着健康、
高效和环保的方向发展。
.国内外信息化养殖技术研究现状
早在世纪年代,荷兰、日本、美国、德国和英国等发达国家已经开始
建立一些自动化程度较高的精准畜禽养殖场,以便管理决策,提高生产经营效率江苏大学硕士学位论文
获取放牧生态信息。
他们计划将该系统与电子围栏技术相结合,为放牧者支持欧
盟共同农业政策的福利法规提供一套可行的方梨。
年,.等人采用
.
技术识别动物身份并设计了一套完整的农场管理系统。
他们除了使用数据库存储
数据外,还引入了一种可擦写的标签存储信息,实现无需关联数据库就可以识别
猪只身份等功能。
他们采用了移动计算、和无线移动网络等技术,实现任
何时间任何地点均可及时并准确获得农场信息【】。
年,’
等利用技术在放牧场
组建了一套无线传感网络,用于定位监测牧场中的牛。
该系统可大大降低传统放
牛监控系统的成本和能量消耗【】。
年,
等人设计一套计算机视觉系统实时
跟踪未限位的猪只。
他们在机上运行一套跟踪算法并使用摄像头跟踪猪只,
可以估计猪只的位置并识别猪只身份。
该系统可对只以上的猪只进行较长时间
的跟踪和身份识别,减轻管理员识别和定位猪只的工作量【】。
年,等人设计了一套养鸡场室内空气
过滤系统。
他们研究了日变化和季节繁殖与室内灰尘产生之间的关系。
在两个不
同的季节,全天测试室内不同区域灰尘颗粒浓度,最后设计并测试一套室内空气
过滤系统。
该系统可控制养鸡场室内灰尘浓度,为管理员和动物提供一个适合的
环境,同时避免了养鸡场的灰尘、异味、氨气等通过通风系统排放到周围,污染
环境吲。
年,朱伟兴,蒲雪峰等人针对传统的群养猪行为观察方法的缺点,基
于平台设计一套疑似病猪行为自动检测系统。
该系统通过改进的运动目标
检测算法和图像识别算法定位异常行为的疑似病猪,对我国的养殖业实施自动化
监测具有很好的借鉴意义。
年朱军、麻硕士等人为固定栏中的母猪个体设计了一套自动精细饲
喂系统。
他们采用机作为系统控制中心,作为现场控制设备,通过步进
电机控制卸料器实现饲料落料。
该系统在实时监控的基础上增加了互动性,饲喂
人员可根据种猪个体的情况设定饲料量,获取设定值后控制电机实现精确投
放【。
基于物联网技术的养猪场环境监控系统
年,李立峰、麻硕士等人研发了一套基于的分娩母猪舍环境监测
和控制系统,旨在解决北方地区较为寒冷而分娩母猪对猪舍内的环境要求较高的
问题。
该系统结合模糊控制、组态软件等技术,采用热水采暖系统和机械通风系
统改善分娩母猪舍的环境质量,提高北方寒冷地区养殖效益【Ⅻ。
年,为了缓解北京市高温对猪繁殖性能的影响,王美芝,田见晖等人
调查了北京市猪舍的建筑类型和降温方式,并对猪舍内的温度进行多次测试,总
结分析后提出了北京市繁殖猪舍温度调控的参考意见【】。
年,戴建国、李栓明等人在奶牛场的奶罐下安置了质量称重机,快速
获取奶牛产奶量数据。
该系统采用.的无线识别耳标和读卡器识别奶牛
身份,采用总线传输采集的数据信息。
该称重机基于压力传感器技术,通
过将压力的模拟信号转换成数字信号,准确获取奶牛产奶量数据,有效避免间接
测量造成的误差。
该系统能准确测量奶牛日产奶量,为判断奶牛生理状况和奶牛
精准饲喂提供了重要依据【。
年,国际电信联盟在举办的信息社会世界峰会上提出了
物联网的概念【。
物联网是指人和物之间、物和物之间,在任何时间任何地点
进行信息交换,形成的一个全新的动态网络【。
年,阎晓军,王维瑞等人
。
提出一种农业物联网的应用模式总体架构,为实施农业物联网建设提供参考【
纵观国内外的发展现状,近几年,信息化养殖技术已经广泛应用于提高禽畜
养殖业的管理水平。
国内外养殖业在精细养殖上已经有不少研究,如绵羊行为自
动分类、基于技术的农场管理、养猪场的自动精细饲喂系统和奶牛产奶量
数据采集等。
国外在精细养殖方面发展很快,我国精细养殖技术也在不断发展。
但是,目前我国精细养殖业还处于初级阶段,需要融合物联网技术、信息精确采
集技术、自动控制技术、无线通信技术等多种科技手段,提高我国精细养殖的水
平。
.课题研究的主要内容
本文采用嵌入式、无线通信、视频监控和数据库等先进技术将养猪场猪舍内
的热风炉、电热板、湿帘机组、负压风机、给料机、摄像头、各类传感器等设备
组建成一个物联网系统。
该系统实现养猪场信息的精确采集,设备的远程可视化
江苏大学硕士学位论文
管理,猪舍环境的自动控制,最大程度地减少布线,降低成本。
本文研究的主要
内容有:
采用信息传感和无线网络技术将养猪场猪舍内的环境及周围设
备组建成一个无线网络系统。
首先设计终端节点扩展板电路,扩展节点
功能,采用传感器采集养猪场猪舍环境信息,采用的/引脚控制热风
炉、电热板等设备。
然后将终端节点与协调节点设计为一个星状
网络。
采用舵机云台技术和视频监控技术实现养猪场猪舍的视频监控。
设计
程序控制舵机云台,从而控制摄像头水平和垂直转动,扩大摄像头可视范围,
通过应用程序编程接口实现视频信息的采集,设计视频服务器实
现养猪场远程视频监控。
采用嵌入式.设备代替传统机作为养猪场各个猪舍内的控
制处理器,建立/远程管理模式,提高管理决策效率。
采用嵌入式建立
服务器,设计网页管理界面,设计嵌入式数据库存储养猪场数据信息,设
计程序实现数据的实时显示,设计控制设备程序实现通过网页界面远
程控制养猪场设备运作。
同时,架设、.无线网络并与无缝链接,添
加域名解析服务功能,实现通过域名访问嵌入式服务器。
.项目需求分析
养猪场环境监控系统的目标是精确获取猪舍环境信息并精准控制设备,实现
可视化和精细化远程管理。
养猪场环境监控系统设计要求如下:
精确获取养猪场猪舍内各个猪栏的局部环境参数;
.
准确控制养猪场猪舍内各个猪栏内设备的运作;
现场控制器能分析存储养猪场猪舍内的环境信息并控制设备;
养猪场猪舍多方位视频监控并实现拍照功能;
能查询养猪场历史数据信息;
远程管理人员能随时随地获取养猪场实时数据信息并管理养猪场;
容易布局安装,灵活性较高,最大限度地减少布线;
低成本。
.系统方案设计
本文针对项目需求,设计一套基于物联网技术的养猪场环境监控系统,如图
.所示。
设计方案具体分析如下:
在养猪场猪舍内各个猪栏内都分布温度、湿
度等传感器,精确采集猪舍内各点的局部环境参数;采用无线网络技术
将猪舍内的热风炉、负压风机、湿帘机组等设备及猪舍内各个猪栏内的传感器、
电热板、给料机等设备组建成一个无线网络;采用嵌入式控制器代替
机作为现场控制设备,自动分析数据,存储数据并自动控制养猪场设备运作;使
用摄像头获取视频图像信息并且通过舵机云台来控制摄像头水平和垂直转
动,扩大摄像头的可视监控范围;设计备份服务器,存储养猪场大量数据信息,
实现历史数据查询;设计/浏览器/服务器远程管理模式,远程用户可使用平
板电脑、智能手机等设备随时随地获取养猪场实时数据信息并管理养猪场;采用
?
无线网络技术,降低养猪场设备联网成本;选用低功耗的无线网络
设备节点组网,最大限度地减少系统布线,提高系统布局安装的灵活性并降低成
本。
江苏大学硕士学位论文
精胃
图.养猪场环境监控系统
在图.中,网络备份服务器解决养猪场大量数据信息的备份,是实现历史
数据查询的关键。
本文采用网络文件系统将备份服务器文件系统的目录
挂载到现场嵌入式设备文件系统的目录上,嵌入式设备上的应用程
序将远端服务器文件系统的目录当作本地文件系统的目录进行访问。
嵌入式
设备将本地数据拷贝到挂载的备份服务器的目录下,实现数据信息的网络
备份。
在图.中,现场嵌入式监控中心服务器采用嵌入式控制器,它是构
建养猪场环境监控系统的关键。
嵌入式控制器采用操作系统作为软
件平台。
.嵌入式系统软件架构如图.所示。
协调‘常点
数据库
’
无
浏
线
览
利
器
网
兰
编程
视频服务器
摄像头
?
?
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?
一?
:
一?
?
?
?
图..嵌入式系统软件架构
基于物联网技术的养猪场环境监控系统
.系统通过串口获取网络采集的环境参数。
考虑到
采集的数据及摄像头采集的视频信息较多系统移植针对嵌入式的轻量级
数据库,方便存储和管理。
系统采用视频和音频流方案设计视频服务器,
采用嵌入式架设服务器,采用通用网关接口使网页具有交互功
能,解释处理来自表单的输入信息,并在服务器产生相应的处理,或将相应的信
息反馈给浏览器。
基于物联网技术的养猪场环境监控系统,使远程用户端延伸和扩展到养猪场
猪舍及室内设备,实现猪舍设备与嵌入式设备之间、设备与人之间进行信
息交换,实现养猪场环境的精准调控、视频监控和远程实时监控。
.关键技术的选择
..
.嵌入式系统分析
嵌入式系统是软件与硬件相结合,为实现特定功能设计的专用计算机系统,
可根据特定的需求进行裁剪和优化,降低系统成本并提高系统可靠性和?
土日出匕。
本文设计的养猪场信息化精准管理平台需要在每个猪舍安装一台设备作为现场
控制中心,主要用于分析处理猪舍内采集的信息并对猪舍设备的运作进行控制。
’目前,大型养猪场普遍采用机作为现场控制中心,布线复杂而且成本较高。
考虑到嵌入式系统的功耗较低,集成度高,软硬件都可以依据实际需求进行定制,
可大大降低成本。
本文采用嵌入式系统作为现场控制中心,对猪舍进行信息化管
理。
为了找到合适的嵌入式硬件和软件平台,让两者的运作能徊好地配合,首先,
划分并分析嵌入式系统的体系结构。
一般而言,嵌入式系统的体系结构包括三个
部分:
嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统和应用软件,如图.所示。
嵌入式硬件平台是整个嵌入式实时操作系统和实时应用程序运行的硬件平
台,不同的应用通常有不同的硬件环境。
嵌入式硬件平台由嵌入式微处理器和嵌
入式外围设备组成。
嵌入式微处理器以最低的资源和功耗实现嵌入式应用的特殊
要求,是硬件平台的核心。
目前,市场上使用较多的嵌入式处理器有、
、掣刀。
嵌入式处理器影响外设、存储器和开发工具等的选择。
选择处
江苏大学硕士学位论文
理器时要考虑:
处理器的性能,软件开发工具的支持,功耗和成本等。
嵌入式外
围设备是为了辅助用户完成系统开发而添加的设备,如调试模块、/转换电路、
存储模块等。
外围设备要依据实际应用需求选择。
图.嵌入式系统的组成
嵌入式操作系统完成嵌入式实时应用的任务调度和控制等核心功能,具有系
统内核精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点。
嵌入式操作系统对系统硬件
进行抽象,统一管理系统资源,是任务调度和控制的核心。
目前,应用的较多的
嵌入式操作系统有、嵌入式、、/.等【。
嵌入式应用程序运行于操作系统之上,利用操作系统提供的接口完成特定的
功能。
嵌入式应用软件是为了解决特定的问题而设计的,如服务器、拨号
上网软件、数据库等。
由于嵌入式系统的资源有限,要求应用软件要尽量高效、
低耗。
通用计算机的应用软件与嵌入式应用软件有些情况下是通用的,但是为了
更好地适应嵌入式系统需要尽可能优化,降低其资源消耗。
有些应用软件存在操
作系统的依赖性,在不同操作系统间使用需要进行修改甚至重新编写。
其次,为养猪场现场控制中心选择较合适的软硬件平台。
处理器是一种低功耗高性能的位处理器,在嵌入式设备如移
动电话和中广泛使用。
基于体系结构的系列微处理器是
公司推出的其中一款处理器。
在之前的版本上进行了改进,
如增强了异常和中断处理,提高系统的实时性;增强了结构,减少
的刷新和重载,减少上下文切换的开销;特别是增加了对多媒体功能的支持。
为
了支持媒体功能,中包含的一些媒体指令。
媒体功能扩展
为音频/视频的处理提供了优化的功能,可以使音频/视频的处理性能提高倍。
基于物联网技术的养猪场环境监控系统
处理器由级流水线组成,比以前的内核提高了至少%的吞吐
量¨。
删低功耗及媒体处理能力强的特点非常适合在养猪场现场分析处
理数据及媒体信息,而高性能及高数据吞吐量的特点非常适合作为嵌入式网络服
务器。
本文选用:
嵌入式微处理器作为现场控制中心的微处理器。
是一种类操作系统,它是在的基础上发展起来的。
从技术
上说,是一个系统内核,不是一套完整的操作系统。
人们已经习惯用
来指代基于内核的完整的操作系统,科学来讲是/,即采用
内核的操作系统。
完整的/操作系统包括内核、一些
程序库和工具、.等【。
严格意义上,本身只代表内核。
是一个一体化内核系统,设备驱动程序可以访问硬件。
内的设备驱
动程序可以以模块化的形式进行设置,并在系统运行期间直接装载或卸载,非常
适合嵌入式系统开发。
的开发一直朝着支持更多的、硬件体系结构和
外部设备,支持更广泛领域的应用,提供更好的性能个方向发展。
最初,
只能运行在系统上,现在能运行在多种处理器架构上,如,
与等【。
有诸多优点,如开放源码、易于移植、
资源丰富、免费等,因此本文选择内核作为养猪场现场嵌入式控制中心的
软件平台的核心。
综上所述,根据应用场合和需求分析,选择内核和微处理器
作为养猪场现场嵌入式控制中心的软硬件平台。
..短距离无线通信技术的分析与选择
本文设计的养猪场环境监控系统采用短距离无线通信技术组建无线网络,最
大程度地减少布线的工作量,而且可以解决大型养猪场配备精准管理系统安装布
线繁琐、成本较高等问题。
短距离无线通信技术的概念较宽泛,通常信息传输距离较短且以无线方式通
信的技术就可以称为短距离无线通信技术。
典型的短距离无线通信系统由无线发
射器和无线接收器组成。
目前有多种短距离无线通信技术成为业界谈论的焦点,
它们分别是蓝牙技术、垒数据协会技术、紫蜂技术、
、.无线局域网技术和射频识别技术等等】。
这几种无线技术虽然都
江苏大学硕士学位论文
是短距离无线通信技术,但它们之间不一定是竞争关系,实际应用中需要根据无
线技术各自的特性及应用的场合,选择最合适的技术,充分发挥短距离无线通信
技术各自的优势。
几种常用的短距离无线通信技术的特点分析如下【‘:
是一种利用低功率无线电通信的规范,旨在支持简单的个人消费
电子设备和外围设备通信,如手机、无线耳机、打印机等。
蓝牙采用全球开放的
.
频段,频率范围为...。
蓝牙
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- 基于 联网 技术 养猪场 环境 监控 系统