基于WSN的畜牧养殖智能监控系统研究

摘要：针对畜牧养殖监控技术手段存在的缺陷，提出一种应用于畜牧养殖场的智能监控的无线传感器网络，实现实时、全面的监控家畜的生长环境，提高养殖场的自动化、信息化。

关键词：无线传感器网络 网络结构 传感器节点 智能监控

引言

近年来，畜禽各类流行性疫病(禽流感、猪链球菌病、猪高温病等)不断暴发和传播，给畜禽养殖带来了灾难性的打击。许多专家认为，畜禽疫病的暴发和传播与畜禽养殖环境的不断恶化关系密切。畜禽舍环境质量的优劣直接影响着畜禽健康和产品品质的提升，如冬天畜禽需要保温，畜禽舍内通风不畅，二氧化碳、氨气、二氧化硫等有害气体含量超标，空气中尘埃、飞沫及气溶胶浓度增加，温、湿度等环境指标超标，这些均会导致畜禽产生各种应激反应及免疫力降低并引发各种疾病。因而有专家提出，畜禽养殖环境的控制是有效防控重大疫病传播和流行的先决条件。

目前中国的畜禽舍采用密闭方式饲养的同时，也采用了纵向通风、夏季湿帘降温等一系列先进环境控制技术，为畜禽舍的环境调控提供了物质保障。但从管理的角度看，在畜禽舍的环境控制上多数控制系统必须由饲养管理人员手动操作或机电式操作，自动化水平低，难以适应现代化管理的要求。畜禽舍环境指标的监测主要采用手工测定，如畜禽舍内氨气浓度的测定，常采用负压空气机采集定量空气，然后将空气压入水中，用盐酸中和，依据盐酸消耗量推导空气中氨气浓度，该过程繁琐费力、误差大、时效性差。

1、无线传感器网络

无线传感器网络综合了嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送给观察者。无线传感器网络在军事、农业、环境监测、医疗卫生、工业、智能交通、建筑物监测、空间探索等领域有着广阔的应用前景和巨大的应用价值。

使用无线传感器网络进行信息采集有3个显著的优势：

(1)无线传感器网络节点数量大、分布密度高，每个节点可以检测到局部环境的详细信息并汇总到基站。因此，传感器网络具有数据采集量大、精度高的特点。无线传感器的节点本身具有一定的计算能力和存储能力，可以根据物理环境的变化进行较为复杂的监控，传感器节点还具有无线通信能力，可以在节点间进行协同监控。

(2) 无线传感器网络节点的部署采用非人工、随机方式实施。无线传感器网络系统可以通过一套合适的通信协议保证网络在无人干预的情况下自动组网、自动运行。在节点失效等问题出现的情况下，系统能自动调整，实现无人值守。

(3) 无线传感器网络具有低功耗、节能、成本低、无线、自组织等特征，非常适合用于农业信息采集。

2、基于WSN的畜牧养殖智能监控系统设计

2.1 系统分析

本监控系统主要是对养殖场进行实时监控，按照现代化科学的养殖技术精确控制养殖场的各项环境指标，对养殖场出现的异常情况进行早期的预警。在养殖场分布着多个气体、温度、光强等传感器节点，这些传感器节点可以自组织的构成一个无线传感器网络，每个节点将采集到的信息通过该网络传送到总控制器。总控制器对当前的水质信息进行处理，然后给出相关的控制信息，该控制信息再通过无线传感器网络送到相应的控制节点上，实现对养殖场的控制；同时，总控制器提供远程通信功能，可以将当前状态或异常情况通过网络发送到远程的智能终端上，远程智能终端能够对总控制器进行指挥操作。

2.2 网络结构

无线传感器网络体系结构通常包括传感器节点、汇聚节点、外部网络和用户界面。大量传感器节点随机部署在感知区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点将采集到的数据沿着其他传感器节点逐跳进行传输，在传输过程中所采集的数据可能被多个节点处理，经过多跳路由后到汇聚节点，再由汇聚节点通过外部网络把数据传送到处理中心进行集中处理。

每一个室内的传感器节点，执行器终端组成一个独立的监控区域，再将各个区域的汇聚节点组成一个网络并通过网关与控制器相连接组成该智能监控网络结构。

2.3.1 传感器节点

传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成根据所监测项目的不同应用需求，可以外扩不同的传感器如光、温度、湿度、光照、NH4和SO2浓度等。

2.3.2 接入网关

接入网关sink应具有无线收发和接入通信网络的能力。如图示，设计的sink使用的32位ARM9芯片作为系统控制核心，采用嵌入式Linux实时操作系统，支持10/100M以太网接口，而且增加了必要的数据采集和处理部分。

2.4 系统软件设计

基于无线传感器网络的监测系统主要由数据采集系统和无线控制系统组成。其中，数据采集系统使用无线传感器节点采集环境信息，并无线自组网，把数据传输到汇聚节点；汇聚节点把数据融合后的数据信息发送到控制器；同时，汇聚节点接收来自控制器的指令，再向传感器节点转发该指令。控制器集中管理无线传感器网络，具有数据存储与查询、网络拓扑结构显示、网络状态监控以及实时查询等功能，并以表格形式显示数据结果。

3、结语

本文建立了一个养殖场无线传感器智能监控网络。无线传感器网络应用于养殖场能够很好地解决布线困难和难以实现检测区域完全覆盖的问题，采用高性能、低功耗的元器件，具有成本低廉、响应速度快、通信稳定可靠、操作便利等优点。

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