PDF《基于 ECS 和WSN 的猪舍环境监控平台 设计与实现》

? 许佩全,?沈明霞,?刘龙申,?等.

?基于 ECS 和WSN 的猪舍环境监控平台设计与实现[J].?华南农业大学学报,?2018,?39(1):?112-119. 基于 ECS 和WSN 的猪舍环境监控平台 设计与实现许佩全,沈明霞,刘龙申,何灿隆,康健,陶源栋 (南京农业大学?工学院/江苏省智能化农业装备重点实验室,江苏?南京?210031) 摘要: 【目的】在 互联网+农业 的大背景下,实现对猪舍中的环境因子、图片信息采集等实时有效的监测和控制, 提高系统计算能力、数据存储能力,提升系统可维护性、安全性,降低运维成本.【方法】采用 MSP430F149 单片机 和CC1101 无线传输模块采集环境信息,实现 Socket、Http 等网络通信,使底层设备具有网络通信功能.综合利用 阿里云(Elastic?compute?service,?ECS)技术,将系统部署在云端,通过可编程逻辑控制器 (Programmable?logic controller,PLC) 等电气装置监控猪舍.【结果】在Web 端和手机终端上能够实时监测环境信息、监控猪舍画面,可 从上位机发指令远程调节猪舍内小环境.【结论】该系统稳定可靠,服务器部署在云端可降低生产管理成本,保证数 据不丢失,从而提高生产养殖的综合效益. 关键词: 猪舍;

环境监测;

PLC 控制;

网络通信;

ECS 技术 中图分类号: S126? ?文献标识码: A ?文章编号: 1001-411X(2018)01-0112-08 Design and implementation of piggery environmental monitoring system based on ECS and WSN XU?Peiquan,?SHEN?Mingxia,?LIU?Longshen,?HE?Canlong,?KANG?Jian,?TAO?Yuandong (College?of?Engineering,?Nanjing?Agricultural?University/Key?Laboratory?of?Intelligent?Agricultural?Equipment?of Jiangsu?Province,?Nanjing?210031,?China) Abstract: 【Objective】Under?the?background?of? Internet+Agriculture ,?to?realize?real-time?and?effective monitor?and?control?of?piggery?environmental?factors?and?picture?information?collection,?improve?computing?and data?storage?performance,?enhance?system?maintainability?and?security,?and?reduce?operational?cost. 【Method】?Environmental?information?was?collected?by?MSP430F149?microchip?and?CC1101?wireless transmission?module.?Bottom?devices?had?the?function?of?network?communication?with?the?software?of?Socket and?Http.?The?server?system?was?deployed?in?the?cloud?using?elastic?compute?service?(ECS)?technology comprehensively.?The?electrical?installations?such?as?programmable?logic?controller(PLC)?were?used?to?monitor and?control?piggery.【Result】Piggery?real?time?information?and?environmental?factors?were?obtained?using web?client?and?mobile?app.?The?piggery?microenvironment?was?adjusted?by?remotely?control?of?host?computer instructions.?【Conclusion】The?system?works?stably?and?reliably.?The?server?system?deployed?in?the?cloud server?can?reduce?the?cost?of?production?and?management?and?store?the?data?forever,?which?can?improve?the comprehensive?benefit?of?pig?raising. ? ? ? 收稿日期:2017-04-15 优先出版时间:2017-12-29 优先出版

网址:http://kns.cnki.net/kcms/detail/44.1110.S.20171229.1142.024.html 作者简介:许佩全 (1989―),男,硕士研究生,E-mail:[email protected];

?通信作者:?沈明霞 (1967―),女,教授,博士,E-mail: [email protected] 基金项目:江苏省农机三新工程项目 (NJ2016-10);

江苏省苏北科技专项 (BN2016097);

中央高校基本科研业务费专项资金 (KYGX201704) ? 华南农业大学学报?2018,?39(1):?112-119 http://xuebao.scau.edu.cn Journal?of?South?China?Agricultural?University doi:?10.7671/j.issn.1001-411X.2018.01.018 http://xuebao.scau.edu.cn ? Key words: piggery;

?environment?monitoring;

?PLC?control;

?network?communication;

?ECS?technology ? ? 适宜的猪舍生长环境不仅可以降低猪只的疾 病率,提高养殖效率,也符合福利养殖的生产需求[1-2] . 传统养殖业对猪只行为的监测和生产环境的调控 大多采取人工观察和现场调控的措施,不仅费时费 力而且生产效率低,?禽畜的养殖环境越来越受重 视,自动化、智能化的生产需求也越来越迫切[3] .随 着电气技术和计算机技术的迅猛发展,农业及畜牧 业监测控制系统得到极大改善,朱伟兴等[4] 提出了 一套基于 Zigbee 无线技术的猪舍环境监控系统,提 高了猪舍环境监测的自动化水平.Banhazi 等[5] 分 析了澳大利亚猪舍环境的影响因素,提高了猪舍环 境的自动化监测水平.Juanignacio 等[6] 提出基于 Zigbee 技术的无线传感网络定位用于牧场内牛只 的监测.Lee 等[7] 探索了无线传感网络?(Wireless sensor?network,?WSN) 技术在农作物精细耕作中的 运用.Zhang 等[8] 提出了基于 Zigbee 技术的温室监 控系统无线解决方案.熊迎军等[9] 设计出应用于温 室环境中的低功耗环境感知节点及 Web 智能温室 管控系统,能够精确采集、管控温室小气候.以上系 统大多是基于本地服务器的 WSN 无线组网技术, 一般是在局域网内对环境小气候进行监测控制,外 网很难进行访问或者要付出高昂的固定 IP 费用,系 统的稳定性与机房质量密切相关,本地服务器的数 据中心总设备能耗与 IT 设备能耗之比(Power wsage?effectiveness,PUE)较高,无法做到自动故障 恢复,难以阻止物理地址(Media?access?control,MAC) 欺骗和地址解析协议(Address?resolution?protocol, ARP)攻击,同时也面临着服务器宕机、数据丢失、 重新部署、扩容困难等问题. 在此基础上,本研究提出一种基于阿里云服务 器?(Elastic?compute?service,?ECS) 和WSN 技术的设 施农业云平台架构,可对猪舍环境进行数据处理分 析、可视化精确监测及调节.平台应用物联网、 Java 编程和互联网通信等技术,在具有网络连接的 条件下,通过手机 app 或Web 端实现猪舍内小环境 的远程手动调节、视频流数据的实时查看和云端存 储.以期做到数据在云端存储、信息在云端发布、服 务在云端托管,保证数据不丢失,降低养殖业的生 产管理成本,提高生产养殖的综合效益.

1 系统总体架构 本系统主要针对苏淮猪种猪猪舍环境,以无线 传感网络为基础进行数据的采集、交互和传输,采 用云服务架构整合环境信息、云端监测、远程控制 和图像采集为一体,为不同种猪饲养基地提供综合 性的服务. 系统主要分为以下

3 部分:WSN 子系统、 CloudServer 子系统和视频监控子系统.系统整体 架构如图

1 所示.其中猪舍内环境参数信息由无线 传感网络感知节点测得,采用 SimpliciTI 无线树型 自组织网络,将环境数据发送到多功能数据汇聚模 块进行信息的融合处理[10-11] ,通过网络发送给云服 ? ? 图1基于 ECS 和WSN 的环境调控系统总体架构 Fig.

1 Overall framework of environment control system based on ECS and WSN ??第?1?期 许佩全,等:基于 ECS 和WSN 的猪舍环境监控平台设计与实现 113?? ? http://xuebao.scau.edu.cn ? 务器;

远程控制由 Web 端或手机终端发起,通过 4G、Wifi 等途径与云服务器通信,云端核心程序利 用内网穿透技术对可编程逻辑控制器(Programmable logic?controller,PLC)控制系统发送指令驱动被控 机构动作;

网络视频监控综合运用了萤石云视频服 务平台,对猪舍内视频数据进行整合存储,实现从 数据到图像到视频信息的全面感知和监测.

2 方法 2.1 WSN 子系统 WSN 子系统包括无线传感网络和 PLC 远程控 制2部分.无线传感网络是猪舍环境信息采集、处 理的核心,分为感知模块、中继模块和多功能数据 汇聚模块,采取多跳自组织网络形式,提供用户友 好型的空气质量监测系统[12] ,能够对猪舍的环境信 息进行实时的监测、感知、采集和处理.上位机通过 串口服务器对 PLC 下达指令,控制舍内机构动作. 2.1.1????SimpliciTI 节点及无线网络设计 SimpliciTI 网络协议是美国 TI 公司开发的低功耗网络传输协 议,开发应用较其他协议更加灵活方便,对短距离 无线通信有着很好的支持.它的工作频段较宽,相比Zigbee 等技术,对硬件需求较少、数据的传输距 离更远、传输速率更高、在功耗和成本上有着明显 优势.通过 Simpl........