基于物联网的种猪繁育智慧养殖虚拟仿真实验系统

关于物联网的种猪繁育智慧养殖虚拟仿真实验的

实验原理和相关知识点

 

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https://mooc1.chaoxing.com/course/201739701.html

   本虚拟仿真实验是一个综合性实验，涉及的《传感网技术》整门课的知识点，下面仅列出一部分主要的知识点。

1. 原理和相关知识

（1）无线传感器网络的标准定义

无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。

（2）传感器网络的组成

传感器网络是由传感器节点、汇聚节点（或网关结点）、管理节点等三部分组成。

（3）传感器节点的组成

（4）传感器节点的结构

（5）传感器网络的功能

传感器网络的功能是负责实现数据采集、处理和传输三种功能。它是传感器技术、计算机技术和通信技术结合的产物。构成了信息系统中感官、大脑和神经三个部分。

（6）传感器网络的结构

根据节点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。如果网络的规模较小，一般采用平面结构。如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。

平面结构

分级结构

（5）物联网与传感网之间的关系

传感网是物联网的重要组成部分。从以下两方面进行分析：

从物联网的定义上看：通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等各种信息传感设备，按照约定的协议，把物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

从物联网的业务群上看：物联网4大支柱业务群包括RFID、传感网、M2M、两化融合（即工业化与信息化融合，以信息化带动工业化，以工业化促进信息化）

（6）物联网系统架构

物联网的系统架构是由感知层、网络层和应用层三部分组成。

物联网的系统架构

2. 传感器网络应用系统规划与设计思路及相关知识点

为了使学生掌握传感器网络应用系统规划与设计思路及相关知识，本虚拟仿真实验系统采用成果导向，从顶层设计开始，应用层我们选择智慧农业，以种猪繁育智慧养殖应用场景为例进行设计。网络层分为有线网络和无线网络，无线网络又分为远程距离通信网络和近距离通信网络，本仿真项目提供各种网络知识点，由学生根据应用需求进行自主选型。感知层主要有各种数据采集设备、汇聚设备、近距离通信设备等，本仿真项目也提供各种传感器的性能和特点，由学生根据应用需求进行自主选型。自主搭建传感器网络，并与自动控制设备一起构建物联网，使得种猪场实现物物相连，实现种猪繁育智慧养殖。并验证规划设计的科学性和合理性。

根据实际种猪养殖的传感网应用系统需要开发上位机程序、传感器节点程序、汇聚节点程序，为了实现互联网+实验优质教学资源的“开放、自主、共享”。本项目采用Unity3D引擎开发，模拟实际种猪养猪环境，结合真实种猪繁育智慧养殖管理系统（以下简称“上位机程序”）的科研成果数据，控制智慧养殖设备，获取相关设备的数据等。

虚拟出以下各类设备：

（1）常见的可控制设备有控料机、水帘、水泵、氧气泵、加热器、灯光、通风、风机、潜水泵、照明、窗户、内外遮阳、及其它智能控制设备等各类生产设备等。

（2）提供给学生还有配电开关、智能开关、智能插座、电动窗帘、红外转发器等

（3）传感器有NH3、H2S、CH4、大气压传感器、PM2.5传感器、红外热感传感器、摄像头等传感器。

该系统主要分为以下几个功能模块，每个模块都会涉及一些知识点：

（1）种猪繁育智慧养殖传感网3D虚拟仿真应用场景现场调查

（2）种猪繁育智慧养殖传感器网络应用需求分析

（3）种猪繁育智能传感器性能展示

（4）种猪繁育智慧养殖传感器的选型

（5）了解传感器节点的组成原理，学习传感器节点设计和组装

（6）传感器网络的组成原理

（7）传感器网络通信原理

（8）种猪繁育智慧养殖传感器网络部署

（9）种猪繁育智慧养殖数据采集通信的过程

（10）种猪繁育智慧养殖反向控制过程

（11）传感器节点程序开发、编译、烧录

（12）汇聚节点程序开发、编译、烧录

（13）上位机程序开发、编译

（14）种猪繁育智慧养殖管控传感器网络运行测试

3. 核心要素仿真设计及相关知识点（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述）

（1）种猪繁育智慧养殖传感网3D虚拟仿真应用场景现场调查

对种猪繁育智慧养殖场进行现场调研，以熟悉种猪繁育智慧养殖系统中常见的控料机、水帘、水泵、氧气泵、加热器、灯光、通风、智能控制设备等各类生产设备等，熟悉NH3、H2S、CH4、大气压、PM2.5、温度、湿度等各类传感器，熟悉各个模块的位置及需要安装的设备。以第一人称视角在3D场景中漫游，鼠标悬停在相应设备，可显示该部分的功能、属性及控制方式，可控设备包括窗户、内外遮阳、风机、潜水泵、照明及配电开关等，选择设备后显示设备名称、功能等。并完成相关内容测试题。

（2）种猪繁育智慧养殖传感器网络应用需求分析

对种猪繁育智慧养殖场提出用户需求，根据现场调研，完成系统的需求分析，提交需求分析报告。

（3）系统架构设计及设备认知

了解感知层所需设备知识，包含传感器、终端节点、控制设备，并完成相关内容测试题。

根据第二部分的需求，在系统内搭建智慧养殖场拓扑图，系统左侧设备库中含各类可选设备，鼠标靠近设备，提示设备功能，以便学生进行设备认知和设备选型，然后将系统左侧设备库中设备选中拖拽到布局界面，将相应设备进行连线。

（4）远程通讯选型

了解网络层远程通信技术所需知识，对物联网网关、路由器、交换机、防火墙、机柜机架等设备以及网络层原理认知，并完成相关内容测试题。然后选择网关与服务器之间的通信方式，系统内置NB-IoT、GPRS、3G、4G、5G等通信方式，学生可根据养殖场情况，根据流量大小及节点间的距离，自由选择适合的远程通信方式。并完成相关内容测试题。

（5）近距离通讯选型

了解网络层近距离通信技术所需知识，并完成相关内容测试题。近距离通信设备指网关与传感器之间的通信方式，系统内置WIFI、LoRa、Zigbee、Bluetooth及数传模块等近距离通信方式，学生可根据养殖场情况，根据流量大小及节点间的距离，自由选择适合的近距离通信方式。选择时提示以下相关信息：

1）WiFi 组网：配置路由器节点为 AP 模式，各个节点设备的 IP 地址、子网掩码、端口号等网络信息，保证设备能够正常连接。

2）ZigBee 组网：模拟嵌入式程序烧写过程，如何连接烧录器，如何操作软件进行烧写。烧写内容为所有设备 IP 地址、PANID、端口号、地址号等信息须与网关地址一致。

3）蓝牙组网：针对蓝牙模块，通过串口方式，利用 AT 命令，配置主从节点， 一般为一对一连接方式，一般不适用于多个设备。

（6）传感器选型

了解感知层的各种传感器知识，学生根据应用需求选择不同传感器的类型，再进一步根据项目采集要求的精度，从不同的传感器中进行选择，主要确定传感器的量程及灵敏度。并完成相关内容测试题。

（7）设备组装

学生根据项目的需求和设计，完成设备选型后，学生根据前面自己的设备选型方案，动手将相应的传感器进行组装，形成不同通信方式的传感器，例如：选用Zigbee通讯模块+温湿度传感器，则形成Zigbee通信的温湿度传感器，只需将通讯模块拖拽至传感器模块即可完成组合。

（8）设备程序烧写

模拟嵌入式程序烧写过程，如何连接烧录器，如何操作软件进行烧写。烧写内容为所有设备IP地址、子网掩码、网关、DNS、端口号等，或NID、GRP、PID、等信息。注意：同一个局域网的节点，其网关地址要一致。同一个ZigBee子网内，烧写的GRP号要一致。

（9）传感器网络安装和部署

系统内提供多个传感器安装点，分别为A点、B点、C点，考虑多个传感器如光照传感器和温湿度传感器，光照传感器不能有遮挡、温湿度传感器需接近目标才能采集到准确的数据，以下哪个安装点最为合适。以场景漫游的方式将感知层设备安装至指定位置。在放传感器的时候，每成功放一个传感器有个得分胜利的小动画，每个检测点的传感器都布放成功后，图中相应的检测点颜色发生变化。

（10）网关/基站安装

传感器网络的网关或基站等组件的安装。介绍网关及基站等相关设备

（11）控制设备测试

验证上述控制器安装是否正常，可点击控制面板测试所有控制设备是否正常运转。

（12）App程序测试

系统预置虚拟手机APP，打开APP控制界面 ，查看环境参数数据和执行控制设备控制。环境检测功能，包括：

A、系统通过温湿度传感器、光敏传感器和 PM2.5 气体传感器，检测外部环境信息。通过光照强度，自动控制路灯的亮灭。

B、系统设置环境检测点，通过电子大屏，显示当前环境信息，包括：温湿度、光照强度和 PM2.5 的环境参数。当出现恶劣天气时，及时发布道路警报信息。

（13）自动控制观察

学生在系统界面点击智能控制设置，获取环境参数默认值范围，点击打开智能控制，观察哪些参数产生变化，哪些控制设备自动打开或关闭。

基于物联网的种猪繁育智慧养殖虚拟仿真实验教学系统

网络运行环境与技术支持

 

一、实验操作网址：

1.项目申报网站：访客可通过临时用户进行试用，无需申请帐号。请用最新的火狐浏览器打开链接：http://xxgc.fjsmu.owvlab.net/vlab/zhyz.html

2.任课教师和开课学生请按操作手册用教师工号或学生学号登录

链接：

二、实验网络条件要求

1、客户端到服务器的带宽要求（需提供测试带宽服务）

1）基于公有云服务器部署的系统，5M-10M带宽。

2）基于局域网服务器部署的系统，10M-50M带宽。

2、能够提供的并发响应数量（需提供在线排队提示服务）

支持100个学生同时在线并发访问和请求，如果单个实验被占用，则提示后面进行在线等待，等待前面一个预约实验结束后，进入下一个预约队列。

三、用户主机软硬件环境配置

1.用户主机浏览器环境配置

计算机机浏览器配置需求：

以下 Unity WebGL 技术适用

本虚拟仿真系统浏览器推荐使用： 谷歌 Chrome 浏览器 55.0 以上版本； 火狐 Firefox 浏览器 50.0 以上版本； 建议使用最新版的火狐Firefox 浏览器，无需特定插件。

 

2. 用户主机硬件环境配置

计算机硬件配置需求（最低）	计算机硬件配置需求（推荐）
CPU：i5-7400-3.0GHz-4 核 4 线程及以上 内存：8GB 及以上 硬盘：100GB 及以上 显卡：NVIDIA GeForce GTX 960 及以上 显存：2G 及以上 显示器：16:9 分辨率 1280*720 及以上 网络带宽：10Mbps 及以上 操作系统：Windows 7 及以上	CPU：i5-8500-3.0GHz-6 核 6 线程及以上 内存：16GB 及以上 硬盘：500GB 及以上 显卡：NVIDIA GeForce GTX 1060 及以上 显存：4G 及以上 显示器：16:9 分辨率 1920*1080 网络带宽：50Mbps 及以上 操作系统：Windows 10

 

四、服务器软硬件环境配置

1.服务器硬件环境配置

服务器配置需求（最低）	服务器配置需求（推荐）
CPU：四核及以上 内存：16 GB 及以上 磁盘：100 GB 及以上 网络带宽：20MB 及以上	CPU：六核及以上 内存：32 GB 及以上 磁盘：100 GB 及以上 网络带宽：50MB 及以上

 

2. 服务器软件环境配置

服务器软件环境需求（最低）	服务器软件环境需求（推荐）
操作系统：Windows Server 2008 及以上 数据库：MySql 5.5 及以上 应用服务器：Tomcat 7 及以上 端口：XXXXX	操作系统：Windows Server 2015 及以上 数据库：MySql 5.5 及以上 应用服务器：Tomcat 7(含)以上 端口：XXXXX

 

五、网络安全环境配置（实验系统要求完成国家信息安全等级二级认证）

1.证书编号：FJTEC-2018-1275-01

2.请附信息系统安全等级保护备案证明

 

图为三明学院网站群的信息系统安全等级测评报告

六、常见问题处理

1.实验准备前错误

序号	出现的问题	问题原因
	项目链接无法打开	原因 A：链接输入是否正确。 原因 B：网络是否正常。
	管理系统无法登录	原因 A：确定账号是否正确。 原因 B：系统中是否有该账号。
	实验场景未发现(无界面)	原因 A：确定教师是否上传了实验。
	实验场景有界面无加载进度（打不开）	原因 A：该版本浏览器不支持本实验资源软件，请更换浏览器。 示例：webGL 技术适用。 需要更换 Chrome、火狐 Firefox 浏览器，推荐使用最新版。
	实验场景加载进度无法完成	原因 A：网络连接是否正常，网速是否达到要求，是否需要连接外网。

 

 

2.实验提交与查询数据错误

序号	出现的问题	问题原因
	无法提交	原因 A：请联系技术支持。
	无法编辑或提交实验报告	原因 A：需确定是否添加了实验报告模板。
	无法查询评分或实验报告	原因 A：需确定教师是否进行了批改。
	查询结果不正确	原因 A：请联系技术支持。

 

七、技术支持联系方式

1.北京润尼尔网络科技有限公司

地址:北京市海淀区北三环中路 44 号院文教产业园 D 座 109 |邮编:100876

网址: http://www.rainier.net.cn

技术服务:010-59508493 010-59508535 010-59508536

邮箱: support@rainier.net.cn

QQ:1052004576

咨询:400-888-3467

2.三明学院

学校地址:福建省三明市三元区荆东路25号，邮编:365004

学校网址: https://www.fjsmu.edu.cn/

学校电话：（0598）8399217 8399861（Fax）

在线教学任课教师微信:18759892881

在线教学服务邮箱:ywq@fjsmu.edu.cn

在线教学服务QQ:94782265

在线教学服务咨询:18759892881

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