基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的羊舍環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)

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(yǎng)殖現(xiàn)狀及環(huán)境對畜禽生長的重要性，提出了羊舍環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方案。在傳感器設(shè)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(nèi)的方案，有效提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性；在傳感器網(wǎng)絡(luò)方面提出了部分有線加3G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方案，兼顧易安裝性及可擴展性，同時提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；在軟件方面提出了?shù)據(jù)采集中間件方案，主要是為了實現(xiàn)軟硬件的分離，提高軟件系統(tǒng)的兼容性和可移植性；管理系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)設(shè)計，采用MVC開發(fā)模型，基于J2EE企業(yè)級軟件系統(tǒng)實現(xiàn)方案。經(jīng)過實際應(yīng)用及用戶操作體驗調(diào)查結(jié)果表明，系統(tǒng)用戶界面友好，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在環(huán)境參數(shù)超出設(shè)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(guān)鍵詞：羊舍環(huán)境監(jiān)測；預(yù)警；傳感器網(wǎng)絡(luò)；3G網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號： S126文獻標(biāo)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(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)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(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)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(nóng)業(yè)信息分析與咨詢。Tel：（025）84391909；E-mail：dqw00001@126.com。畜牧業(yè)是中國農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收的重要產(chǎn)業(yè)，近年來取得了長足的進展[1]，畜禽健康養(yǎng)殖也越來越受到人們的重視。畜禽健康養(yǎng)殖是指動物養(yǎng)殖過程的安全、健康以及飼料營養(yǎng)的無公害，達到保護人類安全和維護社會穩(wěn)定的目的[2]。環(huán)境、品種、飼料和疾病構(gòu)成畜禽健康養(yǎng)殖的四大技術(shù)限制因素，其中環(huán)境監(jiān)測是畜禽健康養(yǎng)殖的關(guān)鍵限制因子。品種及飼料的優(yōu)勢都是以適宜的環(huán)境為基礎(chǔ)而得到充分發(fā)揮的，同時舒適的養(yǎng)殖環(huán)境也是控制畜禽疾病發(fā)生的有效方法。隨著畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的要求也越來越高，不但要求監(jiān)測控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度、濕度、光照和氨氣濃度等眾多畜舍環(huán)境因子實時數(shù)據(jù)的獲取，對這些數(shù)據(jù)進行存儲、分析、處理，還要能實現(xiàn)對諸環(huán)境因子的控制，操縱相應(yīng)的控制設(shè)備，達到畜禽養(yǎng)殖的現(xiàn)代化、智能化、精準(zhǔn)化。

隨著計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)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(wǎng)絡(luò)得到快速的發(fā)展[3-4]，同時也為畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測和預(yù)警提供較好的技術(shù)手段[5]。傳感器網(wǎng)絡(luò)采用無線通信技術(shù)，可實現(xiàn)分布式部署，能最大程度地減少器件連線，降低系統(tǒng)搭建、維護的費用和難度，同時提高系統(tǒng)的可擴展性[6]。針對畜禽健康養(yǎng)殖對智能化環(huán)境監(jiān)測和預(yù)警的需要，本研究以羊舍環(huán)境監(jiān)測和預(yù)警為研究對象，設(shè)計一套能實現(xiàn)羊舍環(huán)境實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理與分析、自動報警等功能的羊舍環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)。實際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集與傳輸，并在環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定范圍時，采用短信、聲光等手段實現(xiàn)報警，從而提高養(yǎng)殖的自動化、智能化和精準(zhǔn)化水平。

1羊舍環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

羊舍環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要有環(huán)境參數(shù)傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊（RTU）、數(shù)據(jù)傳輸模塊（DTU）、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、客戶終端和高清拼接屏等設(shè)備組成。傳感器通過有線的方式連接到RTU，經(jīng)RTU把傳感器采集到的模擬數(shù)據(jù)（每個羊舍內(nèi)的溫度、濕度、光照強度和氨氣濃度）轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，通過串口通信傳輸?shù)紻TU，DTU通過3G網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；系統(tǒng)平臺通過WEB服務(wù)對外提供服務(wù)；用戶通過客戶端設(shè)備（計算機、手機或平板計算機等）訪問系統(tǒng)服務(wù)， 實現(xiàn)對羊舍環(huán)境的管理和報警信息接收。展示平臺由高清的工業(yè)級顯示屏拼接而成，具有可長期運行、穩(wěn)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(huán)境參數(shù)、視頻數(shù)據(jù)、展示相關(guān)成果，也可用于操作控制平臺。

2羊舍環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1傳感器節(jié)點

溫濕度傳感器受局部環(huán)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(dāng)陽光轉(zhuǎn)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(shù)值快速升高。因此，本研究設(shè)計了一個光、溫、濕三合一傳感器（圖2）。設(shè)計思路是：設(shè)計1個圓形的百葉窗，把溫濕度傳感器放在百葉窗設(shè)備中，在設(shè)備的頂部放置光傳感設(shè)備。百葉窗具有很好的通風(fēng)功能，其內(nèi)部和外部具有同樣的溫濕度。這種設(shè)計既不影響采集光照度參數(shù)，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(shù)失真。從設(shè)備的安全性和安裝性能上來說，百葉窗可以很好地保護內(nèi)部的光溫濕傳感器，同時又易于安裝。

2.2傳感器網(wǎng)絡(luò)

該系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)采用部分有線加3G網(wǎng)絡(luò)的方式。傳感器節(jié)點通過串行接口與模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備可以根據(jù)需要連接到無線傳輸設(shè)備上，組成局域網(wǎng)絡(luò)，最終把數(shù)據(jù)集中到數(shù)據(jù)傳輸模塊中，或直接與數(shù)據(jù)傳輸模塊相連；采集的環(huán)境數(shù)據(jù)最終由數(shù)據(jù)傳輸模塊經(jīng)過3G網(wǎng)絡(luò)傳送到遠程的上位機，經(jīng)上位機把數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫或?qū)ι蠈討?yīng)用提供服務(wù)。這種環(huán)境數(shù)據(jù)采集和傳輸網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)點：（1）在傳感器網(wǎng)絡(luò)到數(shù)據(jù)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?shù)姆€(wěn)定性；（2）采用3G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸，即考慮了環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)量有限，可把通信費用控制在可接受的范圍內(nèi)，同時也提高了系統(tǒng)部署的靈活性以及系統(tǒng)的可擴展性。

3羊舍環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)軟件的設(shè)計

軟件系統(tǒng)對羊舍環(huán)境智能監(jiān)測和報警十分重要，是整個系統(tǒng)的靈魂。軟件系統(tǒng)的設(shè)計要充分考慮硬件系統(tǒng)的特點和拓撲結(jié)構(gòu)，不僅要滿足系統(tǒng)的功能要求，還要滿足用戶對系統(tǒng)操作的方便性和友好性。本研究提出的軟件系統(tǒng)主要分為兩部分：數(shù)據(jù)采集中間件和基于WEB的服務(wù)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集中間件的主要任務(wù)是接收數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理、保存，同時對WEB服務(wù)系統(tǒng)提供實時環(huán)境數(shù)據(jù)。服務(wù)系統(tǒng)的主要功能是對遠程用戶提供環(huán)境參數(shù)查詢、統(tǒng)計分析、展示、環(huán)境參數(shù)閾值設(shè)置、報警及其他管理功能。

3.1數(shù)據(jù)采集中間件設(shè)計

中間件是一種獨立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序，分布式應(yīng)用軟件借助這種軟件在不同的技術(shù)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(huán)境的復(fù)雜性和異構(gòu)性，為上層的應(yīng)用軟件提供統(tǒng)一的接口，使用戶可以靈活、高效地開發(fā)和集成復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)[7]。本研究設(shè)計的數(shù)據(jù)采集中間件的主要功能是接收從數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送過來的環(huán)境數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析、處理和整合，一方面存儲到數(shù)據(jù)庫中，另一方面對上層應(yīng)用提供實時環(huán)境數(shù)據(jù)。具體實現(xiàn)方式是：在中間件初始化階段啟動2個套接字服務(wù)，一個用接收遠程環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸請求，一個用于處理實時數(shù)據(jù)請求；當(dāng)有環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸請求到達時，建立一個套接字連接，并創(chuàng)建一個線程來處理數(shù)據(jù)傳輸過程；數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫，同時更新中間件維護的實時環(huán)境數(shù)據(jù)信息表；當(dāng)有實時環(huán)境數(shù)據(jù)請求到達時，建立一個套接字連接，同時創(chuàng)建一個線程來處理實時數(shù)據(jù)請求；實時數(shù)據(jù)請求處理線程的主要任務(wù)是根據(jù)請求的傳感器節(jié)點編號，查詢實時環(huán)境數(shù)據(jù)信息表，并把當(dāng)前的環(huán)境數(shù)據(jù)打包發(fā)送給請求客戶端。中間件的內(nèi)部事件處理邏輯如圖3所示。

3.2管理系統(tǒng)設(shè)計

本研究提出的管理系統(tǒng)是基于B/S架構(gòu)設(shè)計的，該架構(gòu)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(gòu)采用MVC架構(gòu)，做到表示層和業(yè)務(wù)邏輯層分離，使美工擺脫復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系，而只注重界面設(shè)計的美工和易操作性；同時業(yè)務(wù)邏輯編程人員只需注重業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系的實現(xiàn)，從而開發(fā)出功能完善、執(zhí)行效率高、運行穩(wěn)定的軟件系統(tǒng)。從功能上來看，主要包括數(shù)據(jù)管理、設(shè)備管理、養(yǎng)殖信息管理、參數(shù)閾值管理、報警信息管理等功能模塊。數(shù)據(jù)管理主要提供環(huán)境數(shù)據(jù)查詢、溫濕光曲線圖、氨氣曲線圖等功能；設(shè)備管理主要功能是設(shè)備位置、參數(shù)的管理；養(yǎng)殖信息管理主要功能包括飼養(yǎng)記錄、防疫記錄、出欄情況等信息管理和統(tǒng)計分析；參數(shù)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(shè)置環(huán)境參數(shù)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(dāng)某一環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定的閾值時產(chǎn)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(jù)實際情況對報警信息進行處理。

4羊舍環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)實現(xiàn)與應(yīng)用

系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)包括數(shù)據(jù)采集中間件和管理系統(tǒng)兩部分。中間件部分采用Java語言實現(xiàn)，Java語言提供有套接字網(wǎng)絡(luò)連接接口、進程管理類以及數(shù)據(jù)庫連接和操作軟件包，采用這些軟件包可以很快捷地實現(xiàn)中間件設(shè)計的所有功能。管理系統(tǒng)實現(xiàn)方面采用Tomcat服務(wù)器作為WEB服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫采用Mysql數(shù)據(jù)庫，采用J2EE系統(tǒng)解決方案來實現(xiàn)羊舍環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)。Tomcat和Mysql均為開源的WEB系統(tǒng)解決方案，其功能完善，技術(shù)成熟，用戶界面友好。J2EE架構(gòu)是應(yīng)用較廣泛的WEB系統(tǒng)解決方案，采用EJB組件實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯層開發(fā)，可以提高代碼的重復(fù)利用率，從而提高系統(tǒng)的開發(fā)效率，同時采用Struts架構(gòu)實現(xiàn)表示層與業(yè)務(wù)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(xiàn)；表示層主要用JSP、Javascript等技術(shù)實現(xiàn)。其系統(tǒng)界面如圖4所示。

本研究在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合動物科學(xué)基地的養(yǎng)羊場安裝、配置了此監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)。經(jīng)過一段時間的運行和調(diào)試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，并按一定的周期采集到了羊舍的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。在環(huán)境參數(shù)超出設(shè)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(xiàn)場情況進行處理。對羊場工作人員的應(yīng)用體驗調(diào)查結(jié)果表明，此系統(tǒng)用戶界面友好，應(yīng)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(jié)論

本研究根據(jù)羊場環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警的需求提出了一套系統(tǒng)軟硬件設(shè)計和實現(xiàn)方案，在傳感器網(wǎng)絡(luò)方面采用部分有線加3G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案，此方案設(shè)計較成熟、運行較穩(wěn)定，且又能保證系統(tǒng)安裝的方便性和系統(tǒng)的可擴展性。在傳感器方面設(shè)計了光、溫、濕三合一集成方案，并加入了百葉窗的設(shè)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(shù)據(jù)采集中間件以及管理系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)方案，中間件的設(shè)計可以有效分離硬件和軟件系統(tǒng)，提高軟件系統(tǒng)的兼容性、可移植性和可擴展性。經(jīng)過實際應(yīng)用及用戶操作體驗調(diào)查，結(jié)果表明，系統(tǒng)用戶界面友好，應(yīng)用方便快捷，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能準(zhǔn)確地采集環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)且能可靠地傳輸數(shù)據(jù)，在環(huán)境參數(shù)超出設(shè)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(tǒng)只是完成了環(huán)境的監(jiān)測和預(yù)警，下一步需要進一步完善環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)，加入環(huán)境調(diào)節(jié)和自動控制功能。

參考文獻：

[1]陸明洲，沈明霞，丁永前，等. 畜牧信息智能監(jiān)測研究進展[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，45（14）：2939-2947.

[2]王雷雨，孫瑞志，曹振麗. 畜禽健康養(yǎng)殖中環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)研究[J]. 農(nóng)機化研究，2012，34（10）：199-203.

[3]王冉，徐本崇，魏瑞成，等. 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的畜禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報，2010，26（3）：562-566.

[4]孫其博，劉杰，黎羴，等. 物聯(lián)網(wǎng)：概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J]. 北京郵電大學(xué)學(xué)報，2010，33（3）：1-9.

[5]戴起偉，曹靜，凡燕，等. 面向現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)模式設(shè)計[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報，2012，28（5）：1173-1180.

[6]刁智華，陳立平，吳剛，等. 設(shè)施環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24（7）：146-150.

[7]黃海平，王汝傳，王翠. 基于移動Agent的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件[J]. 南京大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，44（2）：157-163.