一種基于無線傳感器網絡的牛舍環境溫度檢測系統的制作方法
本發明涉及農業牲畜養殖自動化裝備的技術領域，具體涉及一種基于無線傳感器網絡的牛舍環境溫度檢測系統。
背景技術：
牛舍環境溫度在環境因素中最重要,也是導致熱應激的最重要因素,隨著環境溫度升高,肉牛體溫升高,干物質采食量(dmi)下降,高溫持續,dmi下降幅度增加。環境溫度對體溫有一個滯后作用,而體溫對采食量也有一個滯后作用,室內溫度升高后一段時間,鼓膜溫度才開始下降,然后采食量下降。氣溫升高,肉牛體溫與環境溫差減少,體內熱量散發困難,不能及時把多余的熱量散發,體溫升高。肉牛的舒適溫度為5-25℃,當溫度大于26℃,肉牛便處于熱應激,在熱應激程度不是很嚴重的情況下,肉牛可以通過熱量平衡機制來調節體溫使其在正常溫度范圍內變化。試驗結果表明,在7-8月間,肉牛的體質量增長緩慢,有的個體甚至出現負增長。其原因在于肉牛在夏季時消化功能下降,主要是由于鼓膜溫度發生變化,因此其采食量減少,且在溫度高的環境中,肉牛增重受到極大限制。因此,一方面要提高肉牛的采食量,另一方面還要保證肉牛在體質量上有所增長,這樣才會避免由于溫度的原因造成肉牛光吃不長的情況發生。夏季持續的高溫高濕環境對奶牛的生產性能會產生嚴重影響，當環境溫度超過臨界溫度的上限時,奶牛不僅受到高溫的影響,而且還會受到高溫與其它環境因素(如濕度、養殖密度)的交互影響,從而導致其受到嚴峻的熱環境挑戰,引起熱應激反應,造成奶牛業巨大的經濟損失。泌乳奶牛正常體溫為38.5-39.3℃,適宜的環境溫度范圍是5-25℃。如果溫度超過動物溫度適中區的上限,因動物本身不再有降低其體溫的能力而進入熱應激狀態。假定高產奶牛和低產奶牛的散熱機制相同,與低產泌乳奶牛相比,隨著泌乳量、采食量和產熱量的增加,溫度適中區范圍逐漸下移,高產奶牛更容易受熱應激的影響。泌乳奶牛能產生大量的代謝熱,同時還能從輻射能中積聚額外的熱量，所產生的代謝熱和積聚的熱量,再加上環境溫度和相對濕度升高,給奶牛帶來了嚴重的熱負擔,產生熱應激,導致機體溫度升高和采食量下降等不良影響,并最終降低奶牛的生產性能。當環境溫度超過25℃時,奶牛的采食量開始降低,維持需要增加。如果氣溫超過37.8℃時,采食量將降低25％以上。熱應激導致奶牛產奶量下降的原因,一方面是因為炎熱,造成奶牛營養物質攝入不足,無法滿足生產需要,進而導致產奶量下降；另一方面是由于熱應激,抑制了甲狀腺的功能,致使腦垂體前葉嗜酸性細胞分泌的生長激素減少,造成產奶量下降。高溫使牛奶質量降低,乳脂、乳蛋白、乳糖及非脂固形物含量均可因高溫而下降。受高溫的影響,奶牛喜精料而厭食粗料,使瘤胃內低級脂肪酸如乙酸與丙酸的比例縮小,從而使乳脂率降低。熱應激對公牛的性欲、射精量和精子密度沒有顯著的影響,但可使精液質量和精子活力顯著降低。夏季高溫使奶牛生理機能發生變化,免疫球蛋白減少,機體抵抗力下降,病原菌容易生長繁殖并侵害機體,因而腐蹄病、乳房炎、胎衣不下和子宮內膜炎增加,易使奶牛發生中暑和日射病。熱應激導致奶牛產生非特異性防御應答的生理反應,從而降低產奶性能、繁殖性能和機體免疫能力。必須改善牛舍環境的小氣候調控條件從根本上解決這一問題,借助環境改善和營養措施,才能有效預防和治療奶牛熱應激,從而提高奶牛生產的經濟效。國內外學者紛紛開展牛舍小氣候環境參數測控系統的研究，關偉等研制了牛舍飼養環境溫度控制系統，李喜武等研制了牛舍環境及自動供料控制系統，曾成研制了基于嵌入式的牛舍環境參數監控系統，宗文平等研制了基于plc的奶牛牛舍環境參數監測系統，但是這些系統都沒有根據牛舍環境溫度變化的非線性、大滯后和牛舍面積大溫度變化復雜等特點，對牛舍環境的溫度進行檢測，從而極大的影響牛舍環境溫度的檢測。
技術實現要素：
本發明提供了一種基于無線傳感器網絡的牛舍環境溫度檢測系統，本發明有效解決了現有牛舍監控系統沒有根據牛舍環境溫度變化的非線性、大滯后和牛舍面積大溫度變化復雜等特點，對牛舍環境的溫度進行檢測，從而極大的影響牛舍環境溫度檢測的問題。
本發明通過以下技術方案實現：
一種基于無線傳感器網絡的牛舍環境溫度檢測系統，其特征在于：所述溫度檢測系統由基于無線傳感器網絡的牛舍環境參數采集平臺和牛舍環境多點溫度融合模型兩部分組成，基于無線傳感器網絡的牛舍環境參數采集平臺實現對牛舍環境溫度檢測、調節和監控，牛舍環境多點溫度融合模型基于牛舍環境多個檢測點溫度傳感器的溫度vague值的相似度矩陣和距離矩陣求得的相似度融合權重、距離融合權重和博弈論組合權重實現對牛舍環境多點溫度融合，提高牛舍環境溫度融合精確度、可靠性和魯棒性。
本發明進一步技術改進方案是：
所述基于無線傳感器網絡的牛舍環境參數采集平臺由檢測節點、控制節點和現場監控端組成，它們以自組織方式通過無線通信模塊nrf2401構建成牛舍環境參數采集與智能預測平臺。檢測節點分別由傳感器組模塊、單片機msp430和無線通信模塊nrf2401組成，傳感器組模塊負責檢測牛舍環境的溫度、濕度、風速和有害氣體等牛舍小氣候環境參數，由單片機控制采樣間隔并通過無線通信模塊nrf2401發送給現場監控端；控制節點實現對牛舍環境參數的調節設備進行控制；現場監控端由一臺工業控制計算機組成，實現對檢測節點檢測牛舍環境參數進行管理和對牛舍環境多點溫度進行融合。基于無線傳感器網絡的牛舍環境參數采集平臺見圖1所示。
本發明進一步技術改進方案是：
所述牛舍環境多點溫度融合模型通過把牛舍環境各個溫度檢測的溫度傳感器值轉化為vague值形式，定義兩兩溫度傳感器的溫度vague值的相似度和距離，構建相似度矩陣和距離矩陣，求得牛舍環境各個檢測點溫度傳感器值的相似度融合權重和距離融合權重，基于博弈論原理和兩種融合權重求得牛舍環境各個溫度傳感器值融合的組合權重，牛舍環境各個檢測點溫度傳感器值與各自溫度傳感器值融合的組合權重積的相加和為牛舍環境多個檢測點溫度融合模型的值，牛舍環境多點溫度融合模型既考慮了不同檢測點溫度傳感器的溫度vague值之間的相似度，也考慮了不同檢測點溫度傳感器的溫度vague值之間的相對距離，提高了牛舍環境多點溫度傳感器值融合精度和可靠性。具體方法見圖2所示。
本發明與現有技術相比，具有以下明顯優點：
一、本發明針對牛舍環境多點溫度測量過程中，傳感器精度誤差、干擾和測量溫度值異常等問題存在的不確定性和隨機性，本發明專利將牛舍環境溫度傳感器測量的溫度值用vague值形式表示，有效地處理了牛舍環境溫度傳感器測量值的模糊性和不確定性，提高了牛舍環境溫度傳感器融合值的客觀性和可靠性。
二、本發明將牛舍環境溫度值轉化為vague值形式，定義兩兩vague值之間的相似度，構建相似度矩陣，根據牛舍環境每個檢測點溫度傳感器vague值的相似度占整個牛舍環境溫度傳感器檢測點的溫度傳感器vague值相似度和的比為該檢測點溫度傳感器值的相似度融合權重αi，提高了牛舍環境溫度融合值的精確性和科學性。
三、本發明將牛舍環境溫度參數轉化為vague值形式，定義兩兩vague值之間的相對距離，構建距離矩陣，根據牛舍環境每個檢測點溫度傳感器vague值的相對距離占整個牛舍環境檢測點溫度傳感器vague值的相對距離和的比為該檢測點溫度傳感器值的距離融合權重βi，提高了牛舍環境溫度融合值的精確性和科學性。
四、本發明采用博弈論法對每個檢測點的相似度融合權重αi與距離融合權重βi的進行組合，構建每個檢測點溫度傳感器溫度值融合的組合權重wi，該檢測點溫度傳感器值融合的組合權重既考慮了該檢測點溫度傳感器vague值值的相對距離融合權重βi，也考慮了該檢測點溫度傳感器vague值的相似度融合權重αi，該組合權重提高牛舍環境溫度融合值的精確性、可靠性和科學性，牛舍環境溫度融合值更加反映牛舍環境溫度值的真實性。
五、本發明采用牛舍環境多點溫度融合模型通過把牛舍環境各個溫度檢測的溫度傳感器值轉化為vague值形式，求得牛舍環境各個檢測點溫度傳感器值的兩種融合權重和組合權重，該牛牛舍環境多點溫度融合模型既考慮了不同檢測點溫度傳感器的溫度vague值之間的相似度，也考慮了不同檢測點溫度傳感器的溫度vague值之間的距離，提高了牛舍環境多點溫度傳感器值融合精度和可靠性。
附圖說明
圖1為本發明基于無線傳感器網絡的牛舍環境參數采集平臺；
圖2為本發明牛舍環境多點溫度融合模型；
圖3為本發明檢測節點功能圖；
圖4為本發明控制節點功能圖；
圖5為本發明現場監控端軟件功能圖；
圖6為本發明牛舍環境參數采集平臺平面布置圖。
具體實施方式
1、系統總體功能的設計
本發明溫度檢測系統實現對牛舍環境因子參數進行檢測和牛舍環境多點溫度融合，該系統由基于無線傳感器網絡的牛舍環境參數采集平臺和牛舍環境溫度多點融合模型兩部分組成。基于無線傳感器網絡的牛舍環境參數采集平臺包括牛舍環境參數的檢測節點1和調節牛舍環境參數的控制節點2，它們以自組織方式構建成無線測控網絡來實現檢測節點1、控制節點2和現場監控端3之間的無線通信；檢測節點1將檢測的牛舍環境參數發送給現場監控端3并對傳感器數據進行初步處理；現場監控端3把控制信息傳輸到檢測節點1和控制節點2。整個系統結構見圖1所示。
2、檢測節點的設計
采用大量基于無線傳感器網絡的檢測節點1作為牛舍環境參數感知終端，檢測節點1和控制節點2通過自組織無線網絡實現現場監控端3之間的信息相互交互。檢測節點1包括采集牛舍環境溫度、濕度、風速和有害氣體參數的傳感器和對應的信號調理電路、msp430微處理器和nrf2401無線傳輸模塊；檢測節點的軟件主要實現無線通信和牛舍環境參數的采集與預處理。軟件采用c語言程序設計，兼容程度高，大大提高了軟件設計開發的工作效率，增強了程序代碼的可靠性、可讀性和可移植性。檢測節點結構見圖3。
3、控制節點
控制節點2在輸出通路設計了4路d/a轉換電路實現對溫度、濕度、風速和有害氣體的調節輸出量控制電路、msp430微處理器和無線通信模塊接口，實現對牛舍環境控制設備進行控制，控制節點見圖4。
4、現場監控端軟件
現場監控端3是一臺工業控制計算機，現場監控端3主要實現對牛舍環境參數進行采集、多點溫度融合和牛舍環境溫度預測，實現與檢測節點1與控制節點2的信息交互，現場監控端3主要功能為通信參數設置、數據分析與數據管理、牛舍環境多點溫度融合和牛舍溫度智能預測。該管理軟件選擇了microsoftvisual++6.0作為開發工具，調用系統的mscomm通信控件來設計通訊程序，現場監控端軟件功能見圖5。牛舍環境多點溫度融合模型的設計如下：
①、牛舍環境溫度傳感器值轉化為溫度vague值形式
該牛舍環境有m個溫度傳感器，在k為(1,2，…n)時刻檢測牛舍環境溫度值，構成該牛舍環境的溫度檢測矩陣如(1)式所示：
在矩陣a中記每列最大值為ajmax＝max{a1j,a1j,…,amj}，則根據單值實數轉化為vague值數據的公式，可以將牛舍環境有m個溫度傳感器，在k為(1,2，…n)時刻檢測牛舍環境的單值實數溫度值轉化為對應的vague值數據，并構建牛舍環境的vague值數據矩陣u。單值實數轉化為vague值數據的公式如下所示：
應用公式(2)，把單值實數的牛舍環境的溫度矩陣a轉化為vague值數據矩陣u，該矩陣經過標準化后得到如下矩陣：
②、基于vague值相似度的牛舍環境溫度傳感器值的相似度融合權重αi的求取
a、計算牛舍環境溫度傳感器vague值的相似度
根據vague集相似度量公式對牛舍環境vague值數據矩陣u進行相似度量，可以得到該牛舍環境m個溫度傳感器，在k為(1,2，…n)時刻檢測牛舍環境vague溫度值的相似度矩陣t。ua和ub的vague值數據的相似度公式如下所示：
b、構建牛舍環境溫度傳感器值的相似度矩陣
應用公式(4)，把vague值的牛舍環境的溫度傳感器值矩陣u轉化為vague值形式相似度矩陣t，該矩陣經過標準化后得到如下矩陣：
c、基于vague值相似度的牛舍環境溫度傳感器值的相似度融合權重
該矩陣的第i行和表示第i個溫度傳感器檢測溫度vague值與其它溫度傳感器檢測的vague值相似度和，根據牛舍環境每個溫度傳感器檢測的vague值與其它溫度傳感器檢測的vague值相似度占比，可以確定該傳感器檢測溫度值在整個牛舍環境溫度值的融合權重，該權重公式如下：
③、基于vague值距離的牛舍環境溫度傳感器值的距離融合權重βi的求取
a、計算牛舍環境溫度傳感器vague值的距離
根據ua的定義，πa＝1-ta-fa也稱為躊躇度或猶豫度，對于實數型vague集ua和ub，則它們之間的距離為：
b、構建牛舍環境溫度傳感器值的距離矩陣
應用公式(7)，把vague值的牛舍環境的溫度矩陣u轉化為不同溫度傳感器之間的距離矩陣d，該矩陣經過標準化后得到如下矩陣：
根據公式(8)的含義，定義每個溫度傳感器vague值與其它溫度傳感器vague值的相對距離為：
c、基于vague值距離的牛舍環境溫度傳感器值的距離融合權重
該矩陣的第i行和表示第i個溫度傳感器檢測溫度vague值與其它溫度傳感器檢測的vague值的距離和，根據牛舍環境每個溫度傳感器檢測的vague值與其它溫度傳感器檢測的vague值距離和占比，可以確定該傳感器檢測溫室值在整個牛舍環境溫度值的融合權重，該權重公式如下：
④、基于博弈論法牛舍環境溫度傳感器值融合的組合權重wi的求取
單獨運用一種方法得到傳感器數據融合權重均會導致結果存在一定的局限性，本專利運用博弈論的方法將vague值相似度的權重αi和vague值距離的權重βi進行綜合集成，該方法主要是為了縮小不同方法得到的各個基本權重與最終得到的組合權重之間的偏差，使得各個方法所確定的權重在相互競爭的關系中比較協調，進而尋求比較均衡的結果，保證所確定的指標組合權重更加科學合理。為了使得到的組合權重更具有科學性和客觀性，可使用l種不同的方法對各指標進行賦權，這樣可以構造一個基本的權重集，使用l種方法對指標進行賦權，由此構造一個基本的權重集ui＝{ui1,ui2,…,uin},i＝1,2,…,l，我們記這l個向量的任意線性組合為：
為了在可能的權重向量u中找到最滿意的
根據矩陣的微分性質可知，式(11)的最優化一階導數條件為
⑤、根據組合權重得到牛舍環境多點溫度融合模型為：
其中k為時間，i為檢測點，aik為k時刻第i個檢測點溫度，wi為第i個檢測點組合權重。
5、牛舍環境溫度檢測系統的設計舉例
根據牛舍環境的狀況，系統布置了檢測節點1和控制節點2和現場監控端3的平面布置安裝圖，其中檢測節點1均衡布置在被檢測牛舍環境中，整個系統平面布置見圖6，通過該系統實現對牛舍環境參數的采集與牛舍環境多點溫度融合。
本發明方案所公開的技術手段不僅限于上述實施方式所公開的技術手段，還包括由以上技術特征任意組合所組成的技術方案。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護范圍。
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