一种基于养殖环境物联网的无线监测系统及方法与流程

本发明涉及动物养殖领域，具体涉及一种基于养殖环境物联网的无线监测系统及方法。

背景技术：

在配备了各种现代化畜牧设备的高效化家庭农场中，环境数据诸如温湿度的集中监控已经是一项基本需求。实现这种温湿度传感监控的方案有很多，比如采用有线将多个传感器汇集到一个监控终端，通过本地设备的显示屏查看；或者使用独立一体式的环境检测终端将数据采集后联网上传到云端，通过手机app集中查看数据。这些方案中大部分都是单机使用，只能通过场内终端设备查看数据，而个别的联网方案中，在针对多个监测点的情况下则需要多张流量卡或者是要覆盖wifi点，成本比较高。

在市面上现有的方案中，从传感器的选型，组网方式到数据集中显示上传的方式都是各有差异的，加上不同的组合后就更是种类繁多，没有标准的产品规范。但目前能提供可靠且远距离无线传输信号，又能通过简易的连网方式上传数据，并能深度融合物联网技术，具备完善的移动和云平台应用的产品不是很多，价格也是较混乱。

现有技术存在以下技术问题：

1、采用的传感器大多数为模拟量有线类型，传感精度低，安装时需要布线且要人工修正线材带来的误差，实施成本比较高；

2、采用无线传输的方案中，主要还是采用230mhz或者是433mhz频段的传统无线技术，对于一些复杂的障碍物或者是地势，传输距离和通信命中率不是太理想；

3、传统还是以单机局域网组成的系统居多，不具备数据联网功能，监控数据必须在现场，不能远程实时监控；

4、物联网应用深度不足，往往只是简单的数据展示界面，不能提供多方位的物联网技术配套服务，比如数据异常报警、断电报警和数据历史分析与挖掘等；

技术实现要素：

为克服上述现有技术存在的不足，本发明提出一种基于养殖环境物联网的无线监测系统，所述系统包括：无线传感节点单元、无线主机单元、云端服务应用单元；

无线传感节点单元，采集至少一个点的温湿度环境数据，并上传至无线主机单元；

无线主机单元，对无线传感节点单元的环境数据汇集、加工并重新编码，上传到云端服务应用单元；

云端服务应用单元，用于对无线主机单元编码后的环境数据的进行频道的订阅、监听和数据库入库。

进一步地，所述无线传感节点单元与所述无线主机单元之间采用lora无线传感技术进行数据的无线传输。

进一步地，所述无线传感节点单元每2秒读取一次实时的温湿度数值；

相应地，所述无线传感节点单元包括无线节点模块、数码管显示模块、lora无线发射模块；

无线节点模块，安装在养殖栏舍或各种需要实时监测环境温湿度数据的场合，供电方式为220v交流或电池供电；

数码管显示模块，用于显示当前无线节点模块实时采集到的温湿度数据和无线通信状态；

lora无线发射模块，用于广播无线节点模块实时采集到温湿度数据。

进一步地，所述无线节点模块每次广播数据后就会进入休眠模式；

所述无线节点模块为瑞士进口的数字式温湿度传感芯片；

相应地，所述温湿度传感芯片的湿度使用范围是0-100％rh，温度使用范围是-40-+125℃，rh响应时间为8s。

进一步地，所述无线主机单元为嵌入式操作系统；

所述重新编码为按照标准的mqtt协议格式编码。

进一步地，所述无线主机单元包括触摸屏交互系统模块、参数设置模块；

触摸屏交互系统模块，为采用7寸液晶触摸组态屏，用于查看各个节点详细的实时温湿度数据、gprs网络信号，服务器通信状态；

系统设置模块，用于节点参数的管理、系统的参数配置；

相应地，通过系统设置模块在触摸屏交互系统模块的触摸屏上实现节点配对、传感器配置、历史数据查询、硬件检测设置；

报警模块，用于针对触摸屏交互系统模块或系统设置模块出现系统异常进行实时报警。

进一步地，所述无线主机单元与云端服务应用单元之间采用mqtt物联网协议进行通信；

相应地，mqtt为基于二进制消息的发布和订阅编程模式的消息协议。

进一步地，所述云端服务应用单元包括远端监控模块；

远端监控模块，用于通过手机app和web页面集中监控无线传感节点单元采集到的环境数据。

为达到上述目的，本发明还提出一种基于养殖环境物联网的无线监测方法，具体包括如下步骤：

s1，采集至少一个点的温湿度环境数据，并上传至无线主机单元；

s2，对无线传感节点单元的环境数据汇集、加工并重新编码，上传到云端服务应用单元；

s3，对无线主机单元编码后的环境数据的进行频道的订阅、监听和数据库入库；

进一步地，所述方法还包括：

于步骤s1中，显示当前无线节点模块实时采集到的温湿度数据和无线通信状态；

于步骤s2中，查看各个节点详细的实时温湿度数据、gprs网络信号，服务器通信状态；

完成节点参数的管理、系统的参数配置；

通过系统设置模块在触摸屏交互系统模块的触摸屏上实现节点配对、传感器配置、历史数据查询、硬件检测设置；

于步骤s3中，通过手机app和web页面集中监控无线传感节点单元采集到的环境数据。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、采用lora无线技术，大大改善了有线或者是传统无线方案中布线麻烦，传输距离短，数据命中率低的问题；

2、无线主机上网方式采用gprs移动网络，应用了物联网最主流的mqtt通信协议，针对这种弱网络的应用特性，能最大程度优化通信质量和节省流量；

3、定制开发的触摸屏操作系统，简化用户对设备的操作和管理，提供用户体验；

4、深度融合物联网平台技术，提供异常报警和数据分析等增值服务。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1为本发明系统框架示意图；

图2为本发明一种基于养殖环境物联网的无线监测系统流程示意图；

图3为本发明方法步骤示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

如图1所示，一种基于养殖环境物联网的无线监测系统，具体包括：无线传感节点单元、无线主机单元、云端服务应用单元；

无线传感节点单元，采集至少一个点的温湿度环境数据，并上传至无线主机单元；

无线主机单元，对无线传感节点单元的环境数据汇集、加工并重新编码，上传到云端服务应用单元；

云端服务应用单元，用于对无线主机单元编码后的环境数据的进行频道的订阅、监听和数据库入库。

具体地，如图2所示，无线节点模块，即无线节点，安装在养殖栏舍或者各种需要实时监测环境温湿度数据的场合，使用220v或者是电池供电。无线节点采用瑞士进口的数字式温湿度传感芯片，该传感器的湿度使用范围是0-100％rh，温度使用范围是-40-+125℃，rh响应时间为8s(tau63％)，具有较高的测量精度和稳定性。无线节点采用lora无线传感技术，与无线主机单元的无线主机之间进行数据的无线传输。无线节点与无线主机之间的通信距离视乎两者之间障碍物的阻挡情况，从300米到1000米不等。无线主机配备7英寸彩色触摸液晶屏，即触摸屏交互系统模块，内置操作界面，可实现数据展示、系统配置、数据曲线分析等功能。无线主机内置gprs网卡，可以使用移动网络上传数据到云端服务应用单元的云平台服务器，提供进一步的物联网服务功能。

在本实施方式中，所述无线传感节点单元与所述无线主机单元之间采用lora无线传感技术进行数据的无线传输。

在本实施方式中，所述无线传感节点单元每2秒读取一次实时的温湿度数值；

相应地，所述无线传感节点单元包括无线节点模块、数码管显示模块、lora无线发射模块；

无线节点模块，安装在养殖栏舍或各种需要实时监测环境温湿度数据的场合，供电方式为220v交流或电池供电；

数码管显示模块，用于显示当前无线节点模块实时采集到的温湿度数据和无线通信状态；

lora无线发射模块，用于广播无线节点模块实时采集到温湿度数据。

在本实施方式中，所述无线节点模块每次广播数据后就会进入休眠模式；

所述无线节点模块为瑞士进口的数字式温湿度传感芯片；

相应地，所述温湿度传感芯片的湿度使用范围是0-100％rh，温度使用范围是-40-+125℃，rh响应时间为8s。

具体地，无线节点采用瑞士sht20系列的高精度温湿度传感器，具备防水外壳、数码管显示和lora无线发射模块。其中，温湿度传感器负责每2秒读取一次实时的温湿度数值，然后将数据按照和主机约定的数据帧格式，通过lora无线发射模块广播出去。由于无线节点要求能电池供电，为了实现低功耗，节点每次广播数据后就会进入休眠模式。等待下次的唤醒或者是外部按钮激活唤醒。节点上的数码管显示屏，能直观显示当前实时的温湿度数据和无线通信状态。此设备安装简单，使用方便可靠，无需花费大量人工布线和调试，即挂即用。

在本实施方式中，所述无线主机单元为嵌入式操作系统；

所述重新编码为按照标准的mqtt协议格式编码。

在本实施方式中，所述无线主机单元包括触摸屏交互系统模块、参数设置模块；

触摸屏交互系统模块，为采用7寸液晶触摸组态屏，用于查看各个节点详细的实时温湿度数据、gprs网络信号，服务器通信状态；

系统设置模块，用于节点参数的管理、系统的参数配置；

相应地，通过系统设置模块在触摸屏交互系统模块的触摸屏上实现节点配对、传感器配置、历史数据查询、硬件检测设置；

报警模块，用于针对触摸屏交互系统模块或系统设置模块出现系统异常进行实时报警。

在本实施方式中，所述无线主机单元与云端服务应用单元之间采用mqtt物联网协议进行通信；

相应地，mqtt为基于二进制消息的发布和订阅编程模式的消息协议。

具体地，无线主机作为整套系统的枢纽设备，使用嵌入式操作系统，通过对无线节点的数据汇集、加工，然后重新编码为标准的mqtt协议格式，为数据上传到服务器做好准备。同时，节点参数的管理、系统的参数配置都是通过主机实现的。无线主机每个家庭农场只需安装一个就可以收集全场多个无线节点发上来的实时温湿度数据，然后通过液晶屏进行展示，并通过互联网上传数据实现物联网监控功能。由于整套系统是通过一台主机单点上网，可以降低网络覆盖或者是流量卡的使用要求。

针对养殖环境联网条件不理想、费用高的问题，该系统的数据上网方式是采用gsm模块，使用gprs流量通过mqtt协议上传到云端服务器。用户只需要安装一张物联网专用的流量卡，每个月支付大约50mb以内的流量费用，就可以实现数据联网监控的功能。

相应地，使用gprs流量直接上传数据，深度融合物联网平台应用，提供诸如异常短信报警、断电报警、数据平台分析与展示等功能

较佳地，无线主机单元的触摸屏交互系统模块，采用7寸液晶触摸组态屏，实现了丰富的人机操作界面。在此操作显示系统上，用户可以在上面查看各个节点详细的实时温湿度数据、gprs网络信号，服务器通信状态等信息。通过系统设置，可以在触摸屏上实现节点配对、传感器配置、历史数据查询、硬件检测等高级设置。

在本实施方式中，所述云端服务应用单元包括远端监控模块；

远端监控模块，用于通过手机app和web页面集中监控无线传感节点单元采集到的环境数据。

具体地，通过在云端搭建mqtt中心服务器，对所有的无线主机数据的进行频道的订阅、监听和数据库入库等操作。中心服务器使用这些联网的实时环境监测数据，就可以提供手机app和web页面的集中监控等应用，可以最大化体现物联网环境数据监测的作用和价值。

如图3所示，本发明还提供了一种基于养殖环境物联网的无线监测方法，具体包括如下步骤：

s1，采集至少一个点的温湿度环境数据，并上传至无线主机单元；

s2，对无线传感节点单元的环境数据汇集、加工并重新编码，上传到云端服务应用单元；

s3，对无线主机单元编码后的环境数据的进行频道的订阅、监听和数据库入库；

在本实施方式中，所述方法还包括：

于步骤s1中，显示当前无线节点模块实时采集到的温湿度数据和无线通信状态；

于步骤s2中，查看各个节点详细的实时温湿度数据、gprs网络信号，服务器通信状态；

完成节点参数的管理、系统的参数配置；

通过系统设置模块在触摸屏交互系统模块的触摸屏上实现节点配对、传感器配置、历史数据查询、硬件检测设置；

于步骤s3中，通过手机app和web页面集中监控无线传感节点单元采集到的环境数据。

本发明应用高精度、高性价比的进口数字式温湿度传感器，提高环境采集的精度和响应灵敏度；应用lora无线扩频技术，大大提高无线通信传输距离和数据命中率，同时得益于lora无线芯片优秀的低功耗性能，无线节点可采用电池供电，无需单独引电安装，降低安装和使用成本；

本发明提供大尺寸彩色液晶触摸屏作为操控媒介，内置丰富直观的操作界面系统，可实现温湿度数据实时展示、无线设备配对、系统参数设置和历史数据展示等功能；

本发明的无线传感节点单元与无线主机单元之间的无线通信技术采用了基于扩频技术的超远距离lora无线传输方案，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统。

本发明的无线主机单元和云端服务应用单元的中心服务器之间采用mqtt物联网协议。mqtt是基于二进制消息的发布/订阅编程模式的消息协议，最早由ibm提出的，如今已经成为oasis规范。由于规范很简单，非常适合需要低功耗和网络带宽有限的iot场景。

本发明采用高精度一体式的温湿度传感器，相比传统的模拟量传感器，具有更准确的测量结果，更快的响应速度和更好的数据一致性；在传感器通信方式上，针对养殖小区中地势复杂、障碍物多等特点，

本发明采用当今物联网主流的lora无线通信技术，解决了以往现场布线人工成本高、线路信号易干扰，防雷难等问题；在传感器组网方式上，采用无线主机和若干节点组成星形网络，主机单点上网，实现场内集中监控和节省流量费用的目的；相比其它采用简陋按键和单色显示的用户界面，

本发明中的无线主机使用7英寸彩色触摸屏，配合深度定制的操作系统，可以方便实现设备配对、数据展示、历史曲线等复杂功能；在物联网应用方面，本系统已经配套有完善的物联网应用平台和手机app，能提供远程监控、异常报警、历史数据分析等强大应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。