一种应用于奶牛养殖环境监测的管理系统及方法

【技术领域】本发明公开了一种应用于奶牛养殖环境监测的管理系统及方法，属于智能监测技术管理领域。

背景技术：
我国是传统的农业大国，有丰富的饲草饲料资源，随着经济持续快速发展，国人对鲜奶及奶制品的需求量逐年大幅增加。长期以来我国乳品产业链条各环节发展极不平衡，处于基础位置的奶牛养殖和原料奶生产环节远远落后于加工和销售等环节的发展，原料奶产量低质量差一直是我国奶业面临的制约发展的根源问题。

科学的养殖环境是保障原料奶品质的关键因素，利用现代化的物联网技术实时监测奶牛的养殖环境并对环境不利因素做出快速响应是现代畜牧业的首要任务。监测的环境数据是系统分析、决策并制定养殖模式的主要数据源和参数，养殖环境的改变对奶牛健康情况及产乳量的影响不容忽视。无线传感器网络(wirelesssensornetwork，wsn)以其组网自由、鲁棒性强的优势，被广泛应用于辅助农业生产、畜牧业环境监测等领域。但是由于功耗的限制，无线传感器网络的续航时间一直是一个难题。随着奶制品产量和质量需求的不断增加，设计方便快捷的奶牛养殖环境监测系统也更加迫切。

蓝牙5.0技术的到来提高了蓝牙的传输速度，增加了有效传输距离，进一步降低了蓝牙功耗。这使得蓝牙连接技术应用于奶牛养殖环境监测系统中的数据传输成为了可能。但是，蓝牙通讯技术处在ism频段是一个开放频段，可能会受到诸如微波炉、无绳电话bai、科研仪器、工业或医疗设备的干扰。在实际应用中，采用星型网络组建局域网时，“一对多”的蓝牙通信通常存在不稳定因素，出现丢包漏包、重复断连的情况，导致系统通信不可靠。现有的技术方案多是应用采集节点的重传机制降低丢包率，该方法会引起较大的网络开销，缩短节点的工作寿命。如何在系统层面上利用智能决策和反馈机制动态调控节点的发送模式成为了智能监测领域现阶段亟待解决的问题。

另一方面，传统的c/s(client/server)架构适用面窄、用户群固定、维护成本高不适应于大规模无线传感器的监测系统。针对c/s架构的上述缺，b/s架构(browser/server)应运而生。该架构统一了客户端，用户不需要安装特定的客户端程序，只需要通过浏览器就可以监测系统，简化了系统的开发、维护和使用过程。该结构结合可视化工具构建数据分析模块，能够实现跨平台的更加直观、便捷的监测系统。

技术实现要素：
针对现有问题，结合最新技术，本发明提出一种适用于奶牛养殖环境的信息全自动采集、传输与可视化的监测方法，其核心内容为分时连接机制、采样周期自主调控机制和响应式布局技术，从而达到能耗降低、通信稳定和部署简单的效果。该方法主要包含以下内容。

(1)分时连接机制：服务器通过http请求方式向网关下发连接或者断开指令，控制网关以轮询的方式依次连接或者断开奶牛养殖环境中部署的多个节点，依据节点上传数据包中包含的存储数据队列长度，在标准连接时长的基础上智能调控连接时长，如果队列长度过长，说明节点缓存内容较多，为该节点分配较长的连接时间，以供节点数据完全传送。该方法能够减少其他蓝牙设备带来的干扰，保障网关与当前连接节点的通信畅通，解决了蓝牙主机连接多个从设备时的频繁断连问题，增强通讯的稳定性和可靠性。具体步骤如下：

1)服务器根据数据库中工作的采样节点和网关数量预设分时连接轮询周期；

2)每个周期内服务器通过数据库中存储的节点mac地址和网关编号，拼接http请求并向网关发送，网关主动向指定节点发起连接请求；

3)根据节点发送过来的数据包中包含的存储数据队列长度，在标准连接时长的基础上修改连接时间，开启连接定时器；

4)定时器超时后服务器以http请求形式主动向网关发送断开指令，断开指定节点的连接，对下一个节点重复b-d的过程。

(2)采样周期自主调控机制：对网关上传至服务器的环境信息进行解析，结合数据库中存储到该节点的历史数据，分析养殖环境的异常情况，根据环境信息的异常程度自适应调整采样周期，将决策结果以http请求形式发送到网关，网关转发至对应节点，实现服务器到采样节点的反馈调节机制，以应对环境的改变。采样周期的反馈调控机制有效节省了采样节点的能耗。具体步骤如下：

1)采样节点检查和网关之间的连接状态，连接则发送数据包到网关；

2)网关接收到采样节点的数据包后转发到服务器的特定监听端口；

3)服务器接收到数据包后做奇偶校验，校验不成功服务器生成传输错误数据报，经网关返回到特定采样节点，若成功则进行下一步；

4)服务器做数据有意义判定，无意义则丢弃并生成默认数据报，经网关返回到特定采样节点，若成功则进行下一步；

5)服务器根据节点的mac地址把数据存入数据库，结合该节点的历史数据进行分析，并将依据决策结果生成的调控数据报经网关传送到特定采样节点。

6)目标节点根据决策结果调整采样周期，实现自主调控机制。

(3)使用可视化工具构建数据分析模块：使用echarts可视化工具库，结合响应式布局技术，开发数据分析模块，模块采用跨平台的开发方式，实现了奶牛养殖环境信息数据在pc、android、ios端的一致化布局；建立数据异常报警机制，当存在有环境突变等异常情况时进行界面预警，同时采用第三方平台进行短信提醒，及时通知环境异常信息，降低农场由于养殖环境不利变化引起的损失。数据分析模块可以直观地查看环境信息参数变化趋势，具有业务扩展简单、界面友好、使用便捷等优势。具体步骤如下：

1)通过筛选采样节点的mac地址从数据库中检索该节点特定时间跨度的历史数据；

2)利用echarts工具库对历史数据进行可视化处理，以柱形图、折线图和饼状图的形式进行展示；

3)当数据出现异常情况时，在前端界面进行预警，对有问题的数据突出显示；

4)之后，平台调用第三方工具，对用户针对环境数据的异常情况进行短信通知。

【本发明的优点和积极效果】与传统的设计方法相比，本发明具有如下优点和积极效果：

第一，本发明采用分时连接的方式，根据节点储存数据的情况智能调控连接时长，极大程度上避免了周围蓝牙设备对当前通信链路的干扰，实现了“一对多”的蓝牙稳定连接，扩展了蓝牙稳定连接的通信距离，确保了传输的可靠性；

第二，本发明采用自适应调控采样周期机制，应对环境的变化趋势，自动调整节点的采样周期，设计反馈机制将最新的采样周期经由网关发送至对应节点。当环境出现异常情况时，缩短采样周期，反之则适当增加采样周期，从而大幅降低采样节点的功耗，显著增加了采样节点的续航时间。

第三，本发明采用了响应式布局技术，通过可视化工具对数据进行图表展示。用户可以通过电脑和移动端设备对系统进行访问，并查看环境信息。系统具备界面预警和短信提醒功能，能够应对异常情况做出快速反应，降低农场由于养殖环境不利变化引起的损失。

【附图说明】图1摘要附图；

图2是基于本设计方法的系统整体架构图；

图3是分时连接工作流程图；

图4是采样周期自主调控机制工作流程图；

图5是数据分析模块工作流程图。

【具体实施方式】为使本发明的实施方案与意义优势表述得更为清楚，下面结合附图对本发明进行更为详细的说明。

s1.服务器根据数据库中工作的采样节点和网关数量预设分时连接轮询周期。

本实施样例中假定玉米农田有50个采样节点5个蓝牙网关在工作，每次一对一连接有5个采样节点被连接，每次连接时间预设为6s，则预设轮询周期为60s。

s2.多个采样节点开始工作。

50个采样节点开始对奶牛养殖环境信息以默认周期进行采样，采样结果存储在数据队列中。判断连接状态，连接则发送队列头部数据，未连接重复s2，本实施样例中设定的默认采样周期为1min。

s3.采样节点连接到蓝牙网关，发送数据，等待回复

采样节点发送存储队列头部数据和队列剩余长度到蓝牙网关，蓝牙网关转发到服务器，等待服务器回复；

s4.服务器收到数据，做奇偶校验。

服务器收到数据后做奇偶校验，数据有误，回复有误数据报，采样节点重新发送当前数据，直到校验无误，进入下一步；

s5.服务器处理接收到的数据。

服务器根据存储队列剩余长度设置连接定时器，本样例中假定一条数据的网络传输时延为0.5s，定时器时间的设定方式为比较剩余长度与0.5s的乘积和6s，取较大值。判断收到的数据是否有意义，无意义丢弃当前数据，回复默认数据报。有意义存入数据库，结合历史数据进行分析，回复调控数据报，本实施样例中预设的采样周期为10s，30s，60s，300s；

s6.采样节点收到服务器的数据报，更改采样周期，队列头部数据出队列；

s7.重复s2到s6。

上述是对本发明实施例的具体阐述，总结本发明的优点如下：

本发明采用分时连接的方式，根据节点储存数据的情况智能调控连接时长，极大程度上避免了周围蓝牙设备对当前通信链路的干扰，实现了“一主多从”的蓝牙稳定连接，扩展了蓝牙稳定连接的通信距离，确保了传输的可靠性；采用自适应调控采样周期机制，应对环境的变化趋势，自动调整节点的采样周期，设计反馈机制将最新的采样周期经由网关发送至对应节点。当环境出现异常情况时，缩短采样周期，反之则适当增加采样周期，从而大幅降低采样节点的功耗，显著增加了采样节点的续航时间；采用了响应式布局技术，通过可视化工具对数据进行图表展示。用户可以通过电脑和移动端设备对系统进行访问，并查看环境信息。系统具备界面预警和短信提醒功能，能够应对异常情况做出快速反应，降低农场由于养殖环境不利变化引起的损失。

本领域技术人员可以理解，实施例中各个步骤可以以硬件实现，或者在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们组合实现。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。