一种基于LoRa技术的养殖场环境智能监测系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于LoRa技术的养殖场环境智能监测系统及方法，该系统具体包括：Lora监测传感网络、Lora智能网关、云服务器以及用户终端展示设备；所述Lora监测传感网络包括若干个Lora监测节点，每一个Lora监测节点与所述Lora智能网关采用点对点Lora传输数据连接，用于周期性的读取养殖场的环境数据并将数据打包发送至Lora智能网关；所述Lora智能网关与云服务器连接，用于接收Lora监测传感网络传输的数据，并进行解析后发送至云服务器；所述云服务器，用于接收并存储来自Lora智能网关的数据信息，接收用户终端展示设备的查询请求，为用户终端展示设备提供养殖场环境查询数据信息；所述用户终端展示设备与云服务器网络连接；所述用户终端展示设备，用于用户查看养殖场的环境数据信息。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于LoRa技术的养殖场环境智能监测系统及方法。

背景技术

近年来规模化集约化养殖技术越来越成熟，肉鸡肉鸭等家禽目前已实现在立体多层笼养的全封闭式棚舍内进行规模化养殖，每棚舍每批次可养数万只。如此大规模的全封闭集约化式养殖对养殖棚舍环境提出了极高的要求，棚舍内的各项环境信息指标对家禽的生长发育起着至关重要的作用。因此，研究开发一种实时采集养殖棚舍内各项环境参数信息的养殖环境智能监测系统，对于养殖环境各项数据信息的远程监控管理、棚舍内各机电设备的自动控制以及各项养殖数据的统计分析等具有重大意义。

目前，各类环境监测系统大都已经采用数字式自动化采集方式，但监测节点部署时采用的通信方式多种多样，现阶段畜禽养殖棚舍环境监测传感系统主要采用以下几种方式：

1.采用CAN、RS485、Modbus等各种总线技术以及各种有线模拟量传感探头。目前大部分养殖场还是采用有线通信方式来进行数据采集，其在实际应用中存在以下问题：

电源线信号线布线繁琐复杂，工程量大，影响养殖环境的布局及外观；有线监测网络运行和维护成本较高，养殖棚舍内各种自动化机电设备较多，电磁环境较恶劣，受干扰风险较大，同时养殖棚舍环境十分恶劣，一段时间过后非常容易老化及遭到老鼠或其它动物的撕咬而破损，增加了系统的运维成本；采用的传感器大多数为模拟量有线类型，传感精度低；采用有线通信方式的系统以单机局域网组成居多，无法实现远程监测，各类环境数据信息无法上云存储，只能本地人工查看；

2.在采用无线通信方式的系统中，目前以采用Zigbee居多，其在实际应用中存在以下问题：

ZigBee功耗相对较高；若采用有线电源供电则布线繁琐复杂，失去其无线传输的优势；若采用电池供电则对电池容量要求较大，我们发现在实际应用中2000mAh电池仅能使用3个月左右；Zigbee接收灵敏度为-100dBm，链路预算为100dBm，通信距离在室内仅为30m左右，空旷的户外可达150m。在有十几个甚至几十个养殖棚舍的养殖场内，每个棚舍内均需配备一个网关，每个网关价格高达数千元，且每个棚舍均需配置网络，各项成本非常之高。并且各个棚舍分开组网很不灵活，工程量大且不好后期维护。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于LoRa技术的养殖场环境智能监测系统及方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明首先提出一种基于LoRa技术的养殖场环境智能监测系统，具体包括：Lora监测传感网络、Lora智能网关、云服务器以及用户终端展示设备；

所述Lora监测传感网络，用于周期性的读取养殖场的环境数据，并将数据打包发送至Lora智能网关；

所述Lora智能网关，用于接收Lora监测传感网络传输的数据，并进行解析，将解析后的数据信息发送至云服务器；

所述云服务器，用于接收并存储来自Lora智能网关的数据信息，接收用户终端展示设备的查询请求，为用户终端展示设备提供养殖场环境查询数据信息；

所述用户终端展示设备，用于用户查看养殖场的环境数据信息。

优选的，所述Lora监测传感网络包括若干个Lora监测节点，每一个所述Lora监测节点与所述Lora智能网关采用点对点Lora传输数据连接；

所述Lora智能网关与云服务器连接；

所述用户终端展示设备与云服务器网络连接；

优选的，所述Lora监测节点包括温湿度监测节点、负压监测节点、二氧化碳监测节点、氨气监测节点、光照监测节点和水温监测节点的一种或多种，分别对养殖场环境中的温湿度、负压、二氧化碳、氨气、光照和水温进行监测。

优选的，每一个所述Lora监测节点均包括该监测节点所对应类型的传感器、第一微控制器、Lora扩频模块、以及电池模块；

所述传感器、第一微控制器和Lora扩频模块三者之间依次连接；

所述电池模块分别与所述传感器、第一微控制器和Lora扩频模块电性连接，并为所述传感器、第一微控制器和Lora扩频模块提供电能；

所述传感器模块用于周期性的采集养殖场环境的数据信息，并传输至第一微控制器；

所述第一微控制器用于将采集的养殖场环境的数据信息进行处理与协议转换，并发送至所述Lora扩频模块；

所述Lora扩频模块用于接收数据信息后通过无线扩频技术传输至所述Lora智能网关。

优选的，所述Lora智能网关包括LoRa数据接收模块、第二微控制器、以太网模块、显示模块以及按键模块；

所述LoRa数据接收模块与第二微控制器相连接，用于接收所述Lora扩频模块发送的数据信息并发送至第二微控制器；

所述第二微控制器分别与以太网模块、显示模块以及按键模块电性连接；

所述第二微控制器将数据信息进行解析处理后，通过以太网模块传输至云服务器，同时通过显示模块对监测到的数据信息进行显示；所述按键模块用于用户与显示屏上的数据信息进行交互。

优选的，所述用户终端展示设备包括信息请求模块、信息接收模块、信息分析模块、报警模块以及显示模块；

所述信息请求模块，用于向云服务器发送获取养殖场环境信息的请求；

所述信息接收模块，用于接收云服务器返回的养殖场环境的数据信息；

所述信息分析模块，用于对所述信息接收模块接收到的数据信息进行分析处理；若养殖场环境的某一项数据属于预先设定的安全数据信息阈值范围时，则表示该项数据为正常数据；否则表示该项数据为报警数据；

所述报警模块，用于对信息分析模块中的报警数据进行报警；

所述显示模块，用于显示信息接收模块接收到的养殖场环境的数据信息，以及信息分析模块分析处理后的数据信息。

本发明还提出一种基于LoRa技术的养殖场环境智能监测系统的监测方法，其特征在于，所述方法具体包括：

(1)在待监测的养殖场的不同区域分别设置不同的Lora监测节点，所述Lora监测节点周期性的采集养殖场环境的数据信息，并通过Lora射频技术发送至Lora智能网关；

所述养殖场环境的数据信息包括养殖场环境中的温湿度、负压、二氧化碳、氨气、光照和水温的一种或多种；

(2)所述Lora智能网关接收每一个所述Lora监测节点传输的数据，对数据进行解析处理并显示，同时将解析后的数据信息通过云服务器发送至用户终端展示设备；

(3)所述用户终端展示设备对接收的养殖场环境的数据信息进行显示，并对数据信息进行分析处理，当得到报警数据时进行报警；其中，得到报警数据的方法具体如下：

预先对进行监测的养殖场环境的每一项数据信息均设置安全阈值范围；所述数据信息包括温湿度、负压、二氧化碳、氨气、光照和水温的一种或多种；

若监测到的养殖场环境的某一项数据属于安全阈值范围时，则表示该项数据为正常数据；否则表示该项数据为报警数据。

优选的，步骤(2)将解析后的数据信息通过云服务器发送至用户终端展示设备，具体方法如下：

(2.1)所述Lora智能网关将解析后的数据信息发送至云服务器；

(2.2)所述云服务器接收并存储来自Lora智能网关的数据信息；

(2.3)用户终端展示设备向云服务器发送获取养殖场环境信息的请求；

(2.4)所述云服务器接收用户终端展示设备的查询请求，并将养殖场环境的数据信息发送至用户终端展示设备；

优选的，用户终端展示设备对分析处理后的数据信息以文字或图片形式显示，

优选的，用户终端展示设备对分析处理后的报警数据以颜色或声音形式报警。

有益效果：与现有技术相比，本发明所述技术方案具有以下有益技术效果：

1、相较于传统有线通信技术，解决了布线安装繁琐复杂、工程量大的问题，大大减少部署及维护的成本；同时传感器节点间以自组织方式形成无线网络，具有很好的扩展性，组网十分灵活，便于调整部署，新传感器加入自组网络时不会对原有网络产生影响；

2、Lora网关相较于其他无线网关具有明显优势，超远传输距离、超低功耗、超大设备接入量、接收灵敏度高、覆盖范围广、数据传输容量大、安装简单且可靠性强；尤其在一个甚至多个大型养殖场内只需部署一个LoRa网关即可实现几十个甚至上百个养殖栋舍内所有传感器的连接，不需要再像Zigbee那样每个养殖栋舍内部署一个网关，极大地减少了设备成本及网络部署的复杂度

3、实现了对大型养殖场所有栋舍的各项环境信息进行全面的远程监控管理，若上传至后台服务器中的数据量足够大时，可利用大数据分析技术得出最佳的养殖参数及各种可能被应用于实际养殖过程中的信息和结论；同时传感器实时采集到的数据也可以传输至每个栋舍的环控集中器，可以由用户设置管理策略及控制逻辑通过环控控制器来实现各项环境参数的自动调节及控制，后期上传至服务器的海量数据通过云计算及深度学习等算法，使环控集中器可以自己设置出各种最佳管理策略及控制逻辑最终实现人工智能养殖。

附图说明

图1是养殖场环境信息智能监测系统数据传输框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的一种基于LoRa技术的养殖场环境智能监测系统，具体包括：Lora监测传感网络(100)、Lora智能网关(200)、云服务器(300)以及用户终端展示设备(400)；

所述Lora监测传感网络(100)，用于周期性的读取养殖场的环境数据，并将数据打包发送至Lora智能网关(200)；

所述Lora智能网关(200)，用于接收Lora监测传感网络(100)传输的数据，并进行解析，将解析后的数据信息发送至云服务器(300)；

所述云服务器(300)，用于接收并存储来自Lora智能网关(200)的数据信息，接收用户终端展示设备(400)的查询请求，为用户终端展示设备(400)提供养殖场环境查询数据信息；

所述用户终端展示设备(400)，用于用户查看养殖场的环境数据信息。

参考图1，图1为养殖场环境信息智能监测系统数据传输框图；所述Lora监测传感网络(100)包括若干个Lora监测节点(110)，每一个所述Lora监测节点(110)与所述Lora智能网关(200)采用点对点Lora传输数据连接；

所述Lora智能网关(200)与云服务器(300)连接；

所述用户终端展示设备(400)与云服务器(300)网络连接；

其中，所述Lora监测节点(110)包括温湿度监测节点、负压监测节点、二氧化碳监测节点、氨气监测节点、光照监测节点和水温监测节点，分别对养殖场环境中的温湿度、负压、二氧化碳、氨气、光照和水温进行监测。

优选的，每一个所述Lora监测节点(110)均包括该监测节点所对应类型的传感器(101)、第一微控制器(102)、Lora扩频模块(103)、以及电池模块(104)；

所述传感器(101)、第一微控制器(102)和Lora扩频模块(103)三者之间依次连接；

所述电池模块(104)分别与所述传感器(101)、第一微控制器(102)和Lora扩频模块(103)电性连接，并为所述传感器(101)、第一微控制器(102)和Lora扩频模块(103)提供电能；

所述传感器模块(101)用于周期性的采集养殖场环境的数据信息，并传输至第一微控制器(102)；

所述第一微控制器(102)用于将采集的养殖场环境的数据信息进行处理与协议转换，并发送至所述Lora扩频模块(103)；

所述Lora扩频模块(103)用于接收数据信息后通过无线扩频技术传输至所述Lora智能网关(200)。

在本实施例中，温湿度监测节点是由SHT30芯片通过I2C接口将数据传输至第一微控制器(102)MCU模块；

负压监测节点是由SMI系列芯片输出4-20mA电流信号，通过160欧姆电阻将其转化为电压信号传输至第一微控制器(102)MCU模块；

二氧化碳监测节点是利用NDIR原理探测到的CO

氨气监测节点是利用电化学原理探测到的CO

光照监测节点是利用热电效应原理探测到的光照数据通过I2C接口将数据传输至第一微控制器(102)MCU模块；

水温监测节点是由DS18B20芯片通过单总线协议将数据传输至第一微控制器(102)MCU模块。

LoRa扩频模块(103)内部集成的射频芯片为SX1278芯片，内置收发射频开关，有IPEX接口，可直接外接50欧姆天线，该模块集成LoRaWAN协议栈。

优选的，所述Lora智能网关(200)包括LoRa数据接收模块(201)、第二微控制器(202)、以太网模块(205)、第一显示模块(203)以及按键模块(204)；

所述LoRa数据接收模块(201)与第二微控制器(202)相连接，用于接收所述Lora扩频模块(103)发送的数据信息并发送至第二微控制器(202)；

所述第二微控制器(202)分别与以太网模块(205)、第一显示模块(203)以及按键模块(204)电性连接；

所述第二微控制器(202)将数据信息进行解析处理后，通过以太网模块(205)传输至云服务器(300)，同时通过第一显示模块(203)对监测到的数据信息进行显示；所述按键模块(204)用于用户与显示屏上的数据信息进行交互。

优选的，所述用户终端展示设备(400)包括信息请求模块(401)、信息接收模块(402)、信息分析模块(403)、报警模块(404)以及第二显示模块(405)；

所述信息请求模块(401)，用于向云服务器发送获取养殖场环境信息的请求；

所述信息接收模块(402)，用于接收云服务器返回的养殖场环境的数据信息；

所述信息分析模块(403)，用于对所述信息接收模块接收到的数据信息进行分析处理；若养殖场环境的某一项数据属于预先设定的安全数据信息阈值范围时，则表示该项数据为正常数据；否则表示该项数据为报警数据；

所述报警模块(404)，用于对信息分析模块中的报警数据进行报警；

所述第二显示模块(405)，用于显示信息接收模块接收到的养殖场环境的数据信息，以及信息分析模块分析处理后的数据信息。

本发明还提出一种基于LoRa技术的养殖场环境智能监测系统的监测方法，其特征在于，所述方法具体包括：

(1)在待监测的养殖场的不同区域分别设置不同的Lora监测节点(110)，所述Lora监测节点(110)周期性的采集养殖场环境的数据信息，并通过Lora射频技术发送至Lora智能网关(200)；

所述养殖场环境的数据信息包括养殖场环境中的温湿度、负压、二氧化碳、氨气、光照和水温；

(2)所述Lora智能网关(200)接收每一个所述Lora监测节点(110)传输的数据，对数据进行解析处理并显示，同时将解析后的数据信息通过云服务器(300)发送至用户终端展示设备(400)；

(3)所述用户终端展示设备(400)对接收的养殖场环境的数据信息进行显示，并分析处理，当得到报警数据时进行报警；其中，得到报警数据的方法具体如下：

预先对进行监测的养殖场环境的每一项数据信息设置安全阈值范围；所述数据信息包括温湿度、负压、二氧化碳、氨气、光照和水温；

若监测到的养殖场环境的某一项数据属于安全阈值范围时，则表示该项数据为正常数据；否则表示该项数据为报警数据。

优选的，步骤(2)将解析后的数据信息通过云服务器(300)发送至用户终端展示设备(400)，具体方法如下：

(2.1)所述Lora智能网关(200)将解析后的数据信息发送至云服务器(300)；

(2.2)所述云服务器(300)接收并存储来自Lora智能网关(200)的数据信息；

(2.3)用户终端展示设备(400)向云服务器(300)发送获取养殖场环境信息的请求；

(2.4)所述云服务器(300)接收用户终端展示设备(400)的查询请求，并将养殖场环境的数据信息发送至用户终端展示设备(400)；

优选的，用户终端展示设备(400)对分析处理后的数据信息以文字或图片形式显示；

优选的，用户终端展示设备(400)对分析处理后的报警数据以颜色或声音形式报警。