基于无线传感器网络的母猪产前行为监测系统研究与实现

摘要

中国是猪肉生产和消费大国，养猪业在中国已有几千年历史。猪肉一直是中国居民最喜爱的食品之一，长期以来中国养猪业在中国畜牧业和农业中占有重要的地位。近年来，随着养殖业向规模化和集约化方向发展，自动化技术在养殖应用中日趋广泛。母猪分娩是母猪养殖生产过程中关键环节，传统养殖方式中，母猪分娩时间判断主要依赖饲养员的连续观察，不仅程序繁琐，而且容易受养殖人员主观影响而产生错误判断，如不能及时发现母猪分娩易造成仔猪死亡。行为是判断母猪分娩时间的依据，因此准确、实时地监测母猪产前行为对预测母猪分娩时间以减少仔猪死亡率具有重要意义。 无线传感器网络具有体积小、可靠性强等优点被广泛应用于畜牧养殖领域。本文针对规模化母猪养殖生产中实际需求，设计基于无线传感器网络的母猪产前行为监测系统，为后续建立母猪分娩时间预测模型提供数据支持。主要研究内容: (1)研究以STM32与CC2430为核心的数据采集节点与数据接收网关的硬件和软件设计，实现母猪头部、背部、尾部距超声波探头的距离数据的采集，并通过无线射频模块发送并接收。 (2)分析母猪产前行为过程:通过超声波测距传感器采集到的距离数据，设计了基于距离的滤波算法对异常数据进行预处理;研究以K-means聚类算法为核心的母猪产前行为识别与分类算法，判断结果与通过观察录像统计的行为情况进行对比。 (3)研发了基于Android平台的母猪信息综合查询移动管理终端以及Web监测平台，方便饲养员实时查询母猪行为变化历史记录，并判断相关异常行为。 试验在江苏省南京市浦口区江浦农场进行，选用长白母猪作为实验对象，试验母猪均在预产期前一周左右并转入限位栏产床。试验结果表明:系统能够快速采集母猪行为信息并对母猪行为进行分类，能够检测出母猪筑窝、站立、躺卧等行为，正确率为90.47％，系统工作稳定。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1课题来源

1．1．1研究意义

1．1．2研究背景

1．2国内外研究现状

1．2．1无线传感器网络在畜牧养殖中的应用现状

1．2．2母猪行为监测技术国内外研究现状

1．3课题研究内容和技术路线

1．3．1研究内容

1．3．2技术路线

1．4本章小结

第二章硬件系统设计

2．1．母猪产前行为监测系统总体设计

2．1．1无线节点功能需求

2．1．2系统总体设计

2．2超声波测距节点硬件设计

2．2．1超声波传感器构成

2．2．2超声波测距原理

2．2．3超声波测距节点硬件框图

2．2．4微处理器选型与最小系统

2．2．5射频通信模块设计

2．2．6电源供电模块

2．3网关节点硬件设计

2．4行为视频监控

2．5本章小结

第三章软件系统设计

3．1软件系统需求分析

3．2无线传感器网络协议栈

3．2．1物理层

3．2．2介质访问控制层

3．2．3网络层

3．2．4应用层

3．3超声波测距采集程序设计

3．3．1超声波数据传输时序

3．3．2传感器采集节点软件设计

3．3．3数据通信格式

3．4网关节点程序设计

3．5 Web终端程序设计

3．6移动终端程序设计

3．7本章小结

第四章系统算法研究与试验

4．1基于测量距离的滤波算法

4．2母猪产前行为分析

4．2．1母猪产前行为特征分析

4．2．2母猪典型行为的距离数据分析

4．3测距节点安装方案

4．4母猪产前行为特征分类研究

4．4．1聚类定义以及聚类算法分类

4．4．2 K-means算法介绍

4．4．3基于Silhouette Coefficient聚类个数K的确定

4．4．4基于Davies-Bouldin Index的聚类个数K的确定

4．4．5基于K-means的母猪产前行为识别算法

4．5本章小结

第五章系统功能实现与测试

5．1监测系统实现

5．1．1 WEB监测平台的实现

5．1．2 Android终端的实现

5．2系统测试

5．2．1节点通讯距离测试

5．2．2母猪产前行为测试结果

5．3本章小结

第六章总结与展望

6．1总结

6．2展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间研究成果