用于监测动物畜舍内有害气体的物联网传感器系统技术方案

本发明专利技术提供了一种用于监测动物畜舍的环境参数、有害气体和温室气体的全天候自动监测系统。该解决方案包括一个安装在畜舍中、被称为物联网的传感器网络，该传感器网络在遇到危险情况或参数超出预设阈值时会发出报警信号。上述传感器网络全天候运行，并且通过多种无线传输协议与专用云端平台(3)进行通信。云端平台存储并通过监测设备(2)接收来自不同传感器单元传递的参数数值，并应用数据分析程序(例如，包括但不限于，机器学习算法)将之进行详细分析阐述。输出信息将通过控制面板(4)实时提供给终端用户，该控制面板可以在诸如平板电脑、智能手机、个人电脑等具有类似功能的设备上通过智能应用程序使用，其专用的加密系统可确保计算机安全。这种全面整合了传感器、云端平台、智能设备应用程序的系统可大大提高猪、牛、羊和家禽养殖场的环境监控效率。目前这项工作由人工手动完成，无法全天候进行，并且操作员有暴露在有害气体中的可能。

Internet of things sensor system for monitoring harmful gases in animal houses

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于监测动物畜舍内有害气体的物联网传感器系统
本专利技术涉及环境监测
，尤其涉及一种用于监测动物畜舍内有害气体的物联网传感器系统。
技术介绍
农业和畜牧业活动排放的污染物会影响所有环境要素：空气、水、土壤、植物和动物。尤其是集中程度高的畜牧场，作为刺激性气体的重要源头，例如氨(NH3)和硫化氢(H2S)，以及温室气体，例如甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)和二氧化碳(CO2)，被认为是土壤酸化和全球变暖的中间媒介(IPCC2013,http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1/)。众所周知，释放到大气中的氨中有90％以上来自农业，而大约97％的农业排放物来自畜牧业和其相关活动。此外，这些排放物的50％来自旨在用作动物畜舍和废物贮存的畜牧业设施。氨(NH3)是由动物粪便中的尿素发酵产生的，并且在浓度超过百万分之(以下记为ppm)50时有毒。在用作畜牧用途的畜棚、畜栏和畜舍等封闭环境中，其浓度甚至可以达到60ppm以上。通过一系列化学反应，它可以转化为氮氧化物(NOx)，并引起酸雨现象。畜牧场中的硫化氢(H2S)来源于动物粪便的分解，通常在大气中的浓度在十亿分之(ppb)0.11到0.33之间，在集约化养殖场中其浓度低于2-3ppm，但是在处理农场泥浆的过程中可以达到80-800ppm的峰值。这种酸在50ppm时已具有毒性。一氧化二氮(N2O)和甲烷(CH4)也是常见的由畜牧业废物产生的排放物。甲烷(CH4)是最重要的温室气体之一，其具体影响比动物呼吸和废物发酵过程中排放的二氧化碳高21倍。在畜牧业操作中，控制温室气体排放的能力通常很有限并且难以管理。但是，我们可以通过实施有针对性的缓解措施进行干预。如果能够及时执行，现有的减少动物畜舍有害气体排放(NH3，H2S)的技术通常很容易实施，例如将动物粪便快速处理到外部收集槽中。但是，目前畜舍中的气体浓度由操作人员偶尔手动监测，同时操作人员会暴露于气体排放物中。监测系统的自动化和数字化将使农场主能够采取有针对性的行动，以及时有效地减少排放。此类行动将对农场主产生有益的影响，因为他们将通过降低操作人员和动物的健康风险、减少能源消耗并降低总体生产成本来提高农场的生产效率。自动化的气体监测服务不仅可以为农场主提供有关有害气体的数据，而且还可以为他们提供分析碳排放足迹的参数，即按照当前欧洲有关缓解农业活动对环境影响的指令必须向主管当局提交的参数(协议E-PRTR,http://www.eprtr.it/homepage.asp)。监测动物畜舍中的相关气体浓度和环境参数仍然是一个未解决的问题。迄今为止，还没有一个自动系统可连续24/7全天候工作，也没有数据收集程序可以对有害气体(对人、动物和环境)排放或环境参数(例如畜牧场的温度和湿度参数)的相关数据进行分析、回馈、处理并提供给终端客户用户。此外，也没有集成传感器系统可以针对上述化学和物理参数在超出重要的预设阈值时发出实时警告，这种情况会让动物和操作人员的健康处于危险中。近来，一些无线系统(朱虹等，CN105608876)被用于监测有限和散发性环境数据(温度和湿度)和动物畜舍中NH3的含量。但是，这些解决方案无法监测H2S、温室气体或其他保证最佳动物饲养环境的必要参数，也无法确保操作人员在畜舍中的工作健康，或者协助获得最大的生产效率。此外，这些解决方案不提供实时警报功能，也不提供用于环境监测和安全预防的数据分析和反馈，或者通过在线应用程序进行后续的数据可视化服务。而且，它们不保证非本地运行的远程环境监控服务器的安全性。除了前面提到的专利外，还有其他通过物联网进行环境监控的网络系统，它们由分布在监测地点的不同区域中的传感器组成体系结构，这些传感器与负责将数据传输到远程平台的单个监测装置进行通信(GB2537170A，WO2014/129966A1，CN105608876)。如果与云端通信的监测装置停止工作，则这种瓶颈结构意味着所收集的数据会完全丢失。对于动物饲养过程中需要不断控制干预的生产步骤而言，这种系统的设计缺陷造成的损害可能是巨大的。
技术实现思路
本专利技术提供的物联网传感器系统旨在克服上述技术问题，其目标是通过一系列独立且自主的监测设备来实现。每个监测设备都直接与云端平台通信，并且包含适用于监测目标区域的传感器。即使监控设备出现故障，这种结构也可以保持系统的功能稳定。此外，现有的技术方案不支持灵活选择并使用传感器。本专利技术提供的技术方案将允许在单个监测设备中集成多达24个传感器，并且如果需要，可以进行快速更换并通过可移动式和非焊接式插槽在传感器和监控设备的外壳之间建立连接。本专利技术的目的是为牲畜饲养场和畜舍提供有害气体、温室气体和环境参数的监测系统，这种无需操作人员手动操作的自动化系统目前并没有出现在市场上。本专利技术提供的系统允许：监测动物畜舍中对人类和动物有害的气体；监测必要的化学-物理环境参数，确保动物的最佳生长环境；确保将在畜舍中记录的物理和化学数据记录和存储在云端平台上；通过使用适用于各种数据类型的算法和机器学习程序来分析和处理所收集的数据；可通过智能设备(如平板电脑、智能手机、个人电脑和其他类似功能的设备)上的可用网络应用程序将数据实时提供给终端用户。附图说明本专利技术的技术方案的特征和优势将用以下首选但不排他且不限于所附的3个图例进行具象化的描述展示，其中：图1展示了集成系统的总体方案，该系统通过一系列配备有环境传感器的独立自动监测设备来监测畜舍中的气体和环境参数。这些设备与云端平台无线连接，该云端平台将反馈的信息记录在控制面板上，智能移动设备可以访问该控制面板。图2展示了主板的示意图，该主板表征各个监测设备并支持数据收集以及与云端平台的通信功能。图3展示了每个监测设备内部的防护外壳示意图，该防护外壳可允许连接一个或多个环境传感器。图4以横截面的形式展示了监测设备及其部件的结构示意图。具体实施方式根据本专利技术的解决方案，用于监测动物农场中的气体和环境参数的集成系统由一系列监测设备(2)组成，监测设备的数量根据监视的动物畜舍(1)的大小以及其内部区划来决定。这些监测设备(2)由供电网或配备缓冲电池组的光伏面板(11)供电，以无线方式并通过通信模块(7)将传感器(5)收集的数据传输到远程云端平台(3)上装载的软件平台。本系统将对农场中检测到的氨、甲烷、二氧化碳、硫化氢、温度、湿度、亮度、灰尘、噪声、风速、电力消耗和水消耗有关的参数进行分析，并根据特定算法，例如预测模型和机器学习技术，对其进行处理，将之用于即时预报模型和长期预测模型的校准，这些模型可以预测在农场中检测到参数的中长期变化规律，从而将此类信息作为农场预防性维护手段提供给农场主。这项工具不仅直接向农场主发送信息，而且还向农场主提供预防性维护的建议，这些预防性维护措施将作为一系列操作手段，在对生产有害的参数达到临界值之前修改畜舍的物理和化学条件。这些中长期预测将用以时间为单位的单参数或多参数图表(例如，一周、一个月或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于监测动物畜舍(1)内有害气体的物联网传感器系统，其中包括：一系列独立的自动监测设备(2)，所述监测设备配备有用于检测气体和环境参数的传感器(5)；所述监测设备配备有用于处理所述传感器数据的中央处理器(CPU)以及用于将这些数据传输到云端平台(3)的通信模块(7)；所述监测设备还设有用于连接和控制电子机械传动器的装置；/n安装在所述云端平台(3)上的基于互联网架构的控制面板(4)，所述控制面板可以通过智能终端远程访问；所述控制面板用于显示由所述传感器(5)监测到的数据，并在超出某些预设的阈值时显示系统发送的警报信号。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170605 IT 1020170000611071.一种用于监测动物畜舍(1)内有害气体的物联网传感器系统，其中包括：一系列独立的自动监测设备(2)，所述监测设备配备有用于检测气体和环境参数的传感器(5)；所述监测设备配备有用于处理所述传感器数据的中央处理器(CPU)以及用于将这些数据传输到云端平台(3)的通信模块(7)；所述监测设备还设有用于连接和控制电子机械传动器的装置；
安装在所述云端平台(3)上的基于互联网架构的控制面板(4)，所述控制面板可以通过智能终端远程访问；所述控制面板用于显示由所述传感器(5)监测到的数据，并在超出某些预设的阈值时显示系统发送的警报信号。


2.根据权利要求1所述的物联网传感器系统，其特征在于，还配备有用于将数据、警报信号和指令信息传输到智能终端的通信模块(7)。


3.根据权利要求1或2所述的物联网传感器系统，其特征在于，在所述云端平台发生故障的情况下，所述警报信号将以电子邮件、文本消息和社交媒体通知的形式直接发送到智能终端。


4.根据权利要求1所述的物联网传感器系统，其特征在于，所述监测设备(2)被封闭在一个用于保护传感器(5)的容器(14)中，所述容器(14)上设有一盖具(15)，所述盖具(15)上设有由多孔渗透膜(16)组成的观测窗口，所述多孔渗透膜可使气体渗透并保护传感器(5)免受液体溅入和异物侵入。


5.根据权利要求1所述的物联网传感器系统，其特征在于，所述监测设备(2)还包括：
用于装载内存单元(9)和中央处...

【专利技术属性】
技术研发人员：恩里科卡尔塔，
申请(专利权)人：赛那米斯有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT