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基于物联网的保育猪舍环境监控系统

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资料介绍

保育猪舍内部小气候环境对确保仔猪的正常生长关系重大,该文基于物联网技术开发了保育舍环境可视化调控系统.采用Zigbee无线技术将舍内各保育床及周围设备组成无线网络系统,以ARM-LINUX嵌入式服务器为现场控制中心.系统依据分布于各保育床内的传感器获得的环境参数,精确调节各保育床内的小气候环境.通过WIFI无线技术将服务器与INTERNET无缝连接,使用户端延伸并扩展到猪舍及室内设备,实现环境与设备之间,环境与人之间进行信息交换.采用B/S(浏览器/服务器)模式,实现通过浏览器远程实时监控猪舍.试验结果表明,该系统性能稳定,信息无线采集、环境自动调控及远程可视化调控均达到实际需求,适合保育猪舍环境智能化精准管理,可应用于自动化、智能化的牲畜养殖中.

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、，01．28

NO．1l

第28卷

2年

第11期

农业工程学报

of the Chinese

6月Transactions

Jun．2012

177

Society

Agricultural Engineering

基于物联网的保育猪舍环境监控系统

朱伟兴，戴陈云，黄鹏

(江苏大学电气信息工程学院，镇江212013)

摘要：保育猪舍内部小气候环境对确保仔猪的正常生长关系重大，该文基于物联网技术开发了保育舍环境可视化调控

系统。采用Zigbee无线技术将舍内各保育床及削围设备组成无线网络系统，以ARM．LINUX嵌入式服务器为现场挣制中

心。系统依据分布于备保育床内的传感器获得的环境参数，精确调节各保育床内的小气候环境。通过WIFI无线技术将服

务器与INTERNET无缝连接，使用户端延伸并扩展到猪舍及室内设备，实现环境与设备之间，环境与人之间进行信息交

换。采用B／S(浏览器朋艮务器)模式，实现通过浏览器远程实时监控猪舍。试验结粜表明，该系统性能稳定，信息无线

采集、环境自动调控及远程可视化调控均达到实际需求，适合保育猪舍环境智能化精准管理，可应用于自动化、智能化

的牲畜养殖中。

关键词：环境工程，监控，嵌入式系统，物联网，Zigbee无线网络，保育猪舍

doi：10．3969／j．issn．1002—6819．2012．11．029

中图分类号：$24

文献标志码：A

文章编号：1002—6819(2012)一11一叭77—06

朱伟兴，戴陈云，黄鹏．基于物联网的保育猪舍环境监控系统[J]．农业工程学报，2012，28(11)：177—182．

Zhu

control

Weixing，Dai Chenyun，Huang Peng．Environmental

_{Engineering(Transactions}ofme

based on IOTfor

system

nursery pig house[J]．Transactions

Chinesewith

theChillese

Society ofAgricultural

CSAE)，2012，28(1 1)：177-182．(in

English abstract)

要，精确采集猪舍环境信息并对其进行可视化精准化智

能化调控，可将养猪场所有猪舍组建成一个可视化精准

调控无线网络系统，实现集中管理。

0引言

中国养猪业正逐步由小规模向集约化、工厂化发展，

养猪业的信息化管理日益苇要。环境调控水平是决定养

猪业生产水平高低的重要冈素之一【l。J。目前，对群养猪

行为的I监测及生长环境的拄制多采用人工观察、人工调

节，调节有滞后性，生产效率低，占用人力资源多。一

些大型养猪场酣置了传统的环境监控系统，采用PLC(可

编程逻辑控制器)作为现场监控中心，采用有线方式分

1系统总体方案

本文设计的物联网(10T)系统逻辑上可划分为i大

子系统：安装在现场的猪舍环境参数控制子系统(现场

控制站)、互联网子系统(WIFI无线网络基站)和远程

控制中心子系统。系统的总体设计框图如图1所示。其

布设备。系统布线复杂，容易造成接触不良，维护困难，

成本较高。李立峰等研发了一套基于PLC的猪舍环境智

中，安装在现场的控制站，逻辑上包括三大模块：Zigbee

节点与猪舍设备组建的无线网络、视频监控模块、嵌入

能监控系统，改善了分娩猪舍的环境质量，提高养殖效

益【4】。但是，该系统对猪舍环境进行整体控制，没有进一

步调节各猪栏的小环境，未实现按不同猪栏的个性化要

求灵活调节猪舍内各猪栏的小气候环境。

式ARM．LINUX控制器。

精准管理农业环境的技术在其他领域已有突破性的

进展。W．S．Lee等提出的传感技术在农作物精确种植中

的应用，利用无线传感技术精确采集农业现场数据信息，

实现农作物的精确管理【5】。韩华锋等基于Zigbee技术设

计一套温室环境远程监控系统，精确采集温室环境数据

信息f6】0本文在前人研究的基础上，提出了一种基于物联

网技术的保育猪舍环境可视化精准调控系统。系统利用

物联阀技术【7‘91和视频技术使用户操作不受空间限制，延

伸和扩展到远程猪舍。用户可根据精准控制与管理的需

准通风E》．．／现场嵌

熏薹

p’邂

‘

＼

，／-

，／

收稿日期：2011．12．30

修订日期：2012-02· 21

一代表有线连接

基金项目：国家自然科学基金资助项目(31172243)：教育部博上点基金资

助项目(20103227110007)；江苏高校优势学科建设T程资助项目

作者简介：朱伟*(1957--)，江苏苏州人．教授。博十生导帅，手要研究

⑩淼<_{毫莉—三F岍麟传输徽}

图1基于物联网的调控系统总体框架

Overall frameworkofcontrol basedOn IOT

system

方向为智能检测、图像处理与机器视觉等。镇江江苏大学电气学院信息工

Fig．1

s．edu．∞

程学院。212013。Email：WXzhu固uj

万方数据

2012焦

农业工程学报

直接吸收猪体身上的热量而汽化，使猪仔感觉凉爽B5]。

而且，管理人员可以单独控制各猪栏上方的喷头阀门，

实现局部精确调节猪舍环境。保育猪舍使用标准通风口

和负压风机为保育舍通风和降温。

Zigbee终端节点连接温湿度等传感器、标准通风121、

负压风机、热风炉、电热板等设备，用于无线采集环境

参数，并控制猪舍设备的运作。Zigbee协调节点汇聚

Zigbee终端节点采集的数据，并传送给现场ARM-LINUX

嵌入式控制器：同时将现场嵌入式控制器传送来的控制

将CC2430模块与猪舍控制设备组成星型无线网络，

如图2所示。其中，Zigbee协调节点通过RS232串口与

嵌入式ARM．LINUX控制器通信。

指令发送给Zigbee终端节点，从而控制设备运作。将

Zigbee无线网络技术作为猪舍内调节环境的设备与嵌入

式ARM．LINUX控制器间的通信方式，无需布线，容易

安装。

@猃、

位于现场的ARM．LINUX嵌入式控制器将环境参数

存入数据库，然后发布到嘲络上；采集视频图像并对视

频图像编码。控制器依据预先设定的温、湿度等环境参

数的范围，分析采集的环境参数并自动发送控制命令给

相应设备调节环境。

电动云台摄像头连接嵌入式控制器。用户可远程控

制摄像头的云台转动，调整观测区域，观察猪舍中设备

的运作状态，还口】以观察仔猪的生活状况。

本文设计的系统通过自行架设的WIFI无线网络基站

连入互联网。远程用户可通过浏览器登陆现场嵌入式控

制器，实时观测猪舍并可以随时精准调控猪舍环境。

@ ⑧7

图2

Zigbee节点与设备组成的星状网络

nodesand

equipments

2方法及实现

Star network

Fig．2

ofZigbee

2．1现场控制站的设计

Zigbee无线网络软件主要分为2个部分：Zigbee终

端节点设计、协调节点设计。Zigbee终端节点搜索并加

入Zigbee网络，接收协调器发来的数据帧，执行读取传

感器值或控制设备。Zigbee终端节点通过控制继电器，控

制设备开关档位，Zigbee终端节点工作流程如图3所示。

为了实现猪舍环境的无线远程实时监控，现场控制

站必须具备数据采集、视频图像采集、存储管理、分析

处理、自动控制、网络发布等功能。

2．1．1

zigbee节点与设备组建无线网络设计

Zigbee技术是建立在IEEE802．15．4国际标准上的一

种自组织无线网络技术，具有近距离、低功耗、低数据

传输速度、低成本等特性110-12J。Zigbee网络町支持较多

节点，非常适合猪舍多测点、多设备的需求，无需布线，

使用安装方便。考虑到受室内遮挡物等的影响，Zigbee

节点之间的通信距离较近，而大型养猪场面积较大。为

(

)

堑塑

●

韧始化设备l

t'---

搜索zIgbee州络

了提高Zigbee节点之间的通信距离，在发射器的输出端

和发射天线之间增加一个功率放大器。使通信距离延长

接收协调器发柬的数据帧

到200～30011"1之间。Zigbee技术有强大的组网能力，本

课题选用CC2430开发套件作为二次开发平台，扩展其模

块功能，组建星状网络。星状网络由协调节点(FFD)和

一个或多个终端节点(RFD)组成j13-14]。选用CC2430开

发套件并组建星状刚络，有效降低开发周期和成本，缩

短程序的开发周期，同时增加系统的稳定性。

《适蓼墨—+[翠

读温、浔瞪等传感器I厂；●—鼍型=吧兰=兰

当『砖

堕堕蒸三团I倦慧篙淼薄3。

断奶仔猪转入保育猪舍，由依靠母猪生活过渡到完

全独立生活，对环境的适应能力差，对疾病的抵抗力较

弱，而这段时间又是仔猪生长最迅速的时期【21。为了给仔

猪提供较好的小气候环境，保育猪舍选用温湿度等传感

器、电热板、热风炉、喷雾降温系统、负压风机等设备。

可调电热板能为仔猪提供温暖的趴卧和活动环境，在寒

冷的天气，配合使用热风炉提高舍内平均温度，节省成

本。在炎热的天气，喷雾降温系统的喷头喷出的雾粒吸

收舍内空气大量热量很快汽化，部分水分喷落在猪身上，

k _、、翁_、／

该继电器对应的I／0；3

脚置商I乜半

1是

图3

Zigbee终端节点工作流程

terminal

Workflow

nodes

ofZigbee

Fig．3

Zigbce协调节点循环等待接收ARM的初始化命令，

并将网络状态反馈给ARM。初始化完成后，若有终端节

点申请加入网络，建立连接。Zigbee协调节点接收ARM

万方数据

朱伟兴等：基于物联网的保育猪舍环境监控系统

第11期

的控制设备命令并转发给相应的终端节点，同时接收终

端节点采集的数据转发给ARM控制器。

制命令到ARM控制器，控制远程设备的运作。手动控制

模式下，如果ARM在预设时间内没有接收到操作设备命

令，则自动转换到自动控制模式。本文采用经典的模糊

控制技术对保育猪舍内的环境进行自动控制【24--25]。影响

猪舍内环境的主要因素有温度、湿度、氨气(NH，)和通

风等[261。本文将传感器采集的各环境参数信息与预没环

境参数相比较，利用模糊神经控制器对猪舍环境的主要

因素进行解祸[27-28】，通过模糊计算推理使猪舍环境达到

仔猪所需状态。进而通过嵌入式控制器对猪舍内设备进

行控制，获得仔猪生长所需的最适环境状态。自动控制

模式下，ARM控制器根据预设环境参数自动分析温度、

2．1．2视频监控模块设计

电动云台是一种安装在摄像头支撑物上的工作平

台，可带动摄像头转动，扩大摄像头的町视监控范围。

本课题使用尼龙云台和2个180。会属齿的舵机，组装电

动云台。系统通过调节嵌入式ARM．LINUX控制器输出

的PWM波的占窄比，控制舵机转动位置。当系统输入的

脉冲周期是20 ms，脉冲宽度在0．5～2．5 ms变化时，舵

机输}H的轴转角在．900～+900变化[16-17l。

视频服务器采用ffmpeg+ffserver构建。为了解决摄

像头采集的视频信息的数据量大，而嘲络带宽有限的问

题，使用x264视频编码器压缩视频[18-19]。

湿度、氨气等传感器无线采集的数据，利用Zigbee无线

技术自动发送信号对标准通风口、负压风机、热风炉、

2．1．3嵌入式ARM-LINUX控制器设计

电热板等猪舍设备进行控制，精确调节猪舍局部小环境。

自动控制模式下，ARM控制器若收到WEB发送的手动

控制设备命令，则转入手动控制模式。ARM控制器无线

控制猪舍环境的流程如图5所示。

本文选用ARMl 176JZF．S核，作为嵌入式控制器的

微处理器，该处理器媒体处理能力强，功耗低，性能好，

成本低(201。Linux操作系统是支持多用户、多进程、实时

性较好的功能强大而稳定的系统，开放源码，有丰富的

软件资源，这罩选用Linux操作系统作为软件平台[2”。

嵌入式系统软件架构如图4所示。虚线内为嵌入式Linux

系统、系统内移植的工具和应用程序。

L-开-始)

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发j羔zlgbee无线

网络御始化命令

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图4 ARM．LINUX嵌入式系统软件架构

Softwarearchitecture ofARM-LINUXembedded

Fig．4

system

影

’l

ARM．LINUX系统通过串口获取Zigbee网络采集的

环境参数。考虑到Zigbee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SQLite数据

库[221，方便存储和管理。系统采用嵌入式BOA服务器软

件架设WEB服务器【231，采用CGI(通用网关接口)使网

页具有交巨功能，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，或将丰I】应的信息反馈给浏览器。

嵌入式ARM．LINUX控制器对环境参数的无线采集

及对猪舍环境的无线调控分析如下。首先判断是否有

接收到拧制某I

设备命令

l目功州剐嫂备

l————_r——一

嚣

图5 ARM．LINUX控制设备流程图

}送命令给|办调节

点拧$Ⅱ埘血改各

FlowchartthatARM—LINUX controller

Fig．5

2．2互联网子系统

互联网子系统采用WIFI无线网络技术架设基站。该

基站将猪场每个猪舍的ARM-LINUX控制器与

INTERNET无缝连接，实现用户远程访问。WiFi网络无

需布线，方便与现有的有线以太网整合，而H自行架设

WiFi接入点，无需支付使用费用。WIFI无线网络由AP

Zigbee节点申请加入网络，初始化Zigbee星状网络。由

于实时采集数据产生的数据餐太大，系统只是定期采集

环境参数，同步更新ARM中的数据库，然后在WEB上

动态更新显示猪舍的环境参数。设备的控制模式育手动

控制和自动控制，默认采_【}j自动控制模式，适合无人监

控的环境。而手动控制模式，方便管理人员或专家通过

WEB页面监控现场，并依据专家经验对不同猪栏的个性

化要求进行调控。如果采用手动控制，可以随时发送控

(Access

Point)和无线网卡组成15】。AP一般称为网络桥

接器或接入点，选用室外智能型大功率802．1ln无线基站

接入设备。养猪场周边一般比较窄旷，信号干扰也较少，

万方数据

2012正

180

农业工程学报

无线传输信号很好。无线网卡采用IEEE 802．1

均温度与舍外平均温度变化情况，如图7所示。

b／g标准

的网卡，最高速率达到54

Mbps。在养猪场中心自行架设

WiFi接入点可大大降低猪场嵌入式ARM—LINUX控制器

联网成本。

世

赠

2．3远程控制中心子系统

远程控制中心子系统可采用PC机或便携式设备如

iPhone等。系统采用B／S(浏览器／服务器)模式，远程

用户通过客户端浏览器登陆猪场现场的嵌入式

ARM．LINUX控制器，监测猪舍环境并控制设备调节环

境。为了实现可视化调控，客户端的浏览器嵌入播放器。

本系统嵌入VLC播放器，该播放器可在各种平台上使用，

如Windows，Linux，Mac等等。该播放器的跨平台特性

也使得本系统能够不受平台的约束，比传统的视频监控

系统应用范围更广泛。该播放器支持众多音频与视频解

码器及文件格式，支持H．264解码，使用该播放器对远

程视频服务器端传来的视频流解码播放。

图7 自动监控模式下舍内外平均温度变化曲线

indoor andoutdoorunder

Fig．7 Average temperature changes

automatic controlmode

从图7可以看出，5—6日两天舍外温度在9～18℃

之间，凌晨和中午温差较大。而在系统控制下，舍内平

均温度控制在20～22℃之间。可见，该系统通过自动调

节热风炉开关档位高低维持舍内平均温度，同时配合自

动精确调节各保育床内的电热板，确保猪舍内平均温度

不因舍外温度的变化而发生剧烈变化，综合效果良好。

2011年11月6日2l：00舍外平均温度9．7℃，自动

控制模式下，舍内各保育床温度对比如图8所示。

3实际应用效果与讨论

为验证该系统的可行性和实用性，本文以猪场的一

个保育舍为实施地点，该保育舍的面积约720 m2，共50

个保育床。基于浏览器的保育猪舍环境监控界面如图6

所示。

注：N1～N25代表保育舍北面由西至东25个保育床，S1～s25代表保育舍

南面由西至东25个保育床。

图8 11月6日21：00舍内各保育床温度的对比

beds at 21：00 Nov．6

Fig．8 Temperature comparisonofnursery

从图8可以看出，21：00时刻，猪舍各保育床温度均

稳定在20～22℃之间，可见，该系统依据各保育床局部

温度情况，通过自动调节各保育床上的电热板开关档位

高低，实现精确调节局部温度。该系统可确保各个保育

床的温度均在预设范围内且相对均衡稳定，不因保育床

位于猪舍南面或北面而产生差异。

其次，仍以温度为试验对象，试验手动控制模式下，

无线远程调控猪舍设备的效果。

图6基于浏览器的猪舍环境监控界面

试验方法：使用平板电脑的浏览器登陆猪舍环境监

控系统服务器，点击控制界面的按钮并通过调节摄像头

视野观察设备运作是否正常。

Browser-baseduser interfaceofenvironmental

Fig．6

monitoring

andcontrol

system

首先，以温度为试验对象，分析自动控制模式下，

试验结果是在手动控制模式下，设备远程控制正常。

可见，系统采用Zigbee无线网络传输控制设备命令，使

用嵌入式BOA服务器软件架设WEB服务器并采用CGI

(通用网关接口)使网页具有交互功能，解释处理浏览器

控制界面的输入信息，并在服务器产生相应的处理，达

到预期效果。

精准监控舍内温度的效果，试验日期为2011年11月5

日到6日。

保育猪舍最适温度在20～28℃之间【2”，通过控制界

面将舍内温度预设为20～28"C。程序设置为当舍内平均

温度低于19℃时，热风炉开关档位自动调至高档；当舍

内平均温度高于20"C时，自动调至低档。当某保育床温

度低于20℃时，其对应的电热板开关自动调至高档，达

到22℃时又自动调至低档。

手动控制模式下，将距离热风炉较远的保育床S1对

应的电热板开关长时间调节至高档，同时远程控制云台

摄像头转动，观察仔猪的睡姿及分布状况。过一段时间，

发现该保育床仔猪分布在电热板周围且分布较为分散，

Et，自动控制模式下，舍内平

2011年11月5日一6

万方数据

第lI期

朱伟兴等：基于物联网的保育猪舍环境监摔系统

18l

environment data

greenhouse

the Chinese

acquisition[J]．Transactions

是电热板温度过高的现象。此时，观察该保育床对应的

传感器测得的温度为32℃，该保育床电热板温度较高。

可见，从摄像头观察到的仔猪分布状况的分析结果与试

验测鼍的数据相一致。仔猪侧睡且平均分布在电热板上，

表示这种保温状况最合适，仔猪感觉最舒服：仔猪躺卧太

过拥挤或太过分散，说明温度偏低或偏高。

Society ofAgricultural Engineering(Transactions

Chinese with

the

CSAE)，2009，25(7)：158—163．(in

English

abstract)

Interact

2005：The Interact of

【7】ITU

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Things[R]．

O衢cial Launch and Press

Conference(webcast)held

WSIS in Tunis，Tunisia on 17 November 2005．

Atzofia，Antonio

上述试验以温度为试验对象，试验结果表明该系统

将猪舍每个保育床及舍内设备组成无线网络系统，可实

现精确获取环境参数并分别精准控制各设备。系统可使

舍内各点小环境均符合要求，同时。)以实现按不同猪栏

的个性化要求灵活调节猪舍内各猪栏的小气候环境，为

仔猪提供一个良好的生长环境，达到了预期效果。

Morabito．The

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Application

oftmngs(IOT)for

ofthe Chinese

facility agriculture

Beijing[J]，Transactions

4结论与展望

of the

English

Society

Agricultural Engineering(Transactions

Chinese

with

CSAE)，2012，28“)：149一154．(in

本文简要介绍了基于物联网技术的保育猪舍环境可

视化调控系统的设计方法和系统开发的主要流程，然后

检测实际应用效果。通过研究和应用表明，该系统使用

户端延伸和扩展到猪舍及室内设备，实现设备与ARM嵌

入式设备之间、设备与人之间，进行信息交换和通信，

实现保育猪舍环境的自动控制、精准调控和远程实时监

控。该系统的功能还町以拓展到自动控制给料，达到精

准倒喂的目标，在农牧领域应用有很好的发展前景。

abstract)

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of the Chinese

for

based on H．264 and embedded

for

system

piggery

platform

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and

Imemational

of the

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system

based on 10T for

nursery pig

house

Zhu

Weixing，Dai Chenyun，Huang Peng

(School ofElectronic andInformationEngineering,diangsu University,Zhenfiang 212013，China)

Abstract：The microclimate environment in

based on intemet of

house iS

this thesis．an environmental control

nursery pig

important，In

designed．In

house was

order to

the local microclimate

were constructed．The

system

things(IOT)for nursery pig

network of

adjust

1ike sensors and electronic hot

plates

environment in

precise．wireless

equipments

network WaS based on

embedded web server was used as control

houses to realize the

ZigBee protoc01．ARM

center．Management operation

of information between the

could extend from remote user into the

nursery

pig

exchange

environment and devices．as well as between the environment and remote

was used

user．B／S(Browser／Server)structure

in the

and

reduce

maintenance．The

system experimental

could

the client

load

system．which

greatly simplify

ofthe

computer

resul_【s showed that the

was _quitestable and the

satisfies the

performance

system

design requirements

visualization

real．time data

automatic control and environmental

control

remotely．

acquisition wirelessly．environmental

for environmental

The

for

house and has a

pig

is suitable

nursery

monitoring system

precision

livestock

intelligent

management

good

in automaticand

breeding industry．

application prospect

words：environmental

wireless

Key

systems，intemet

things(10T)，Zigbee

engineering，monitoring，embedded

house

network，nursery pig

万方数据

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