楊宇闐奕，何東健，劉 暢，劉 聰

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

在傳統(tǒng)奶牛飼養(yǎng)過程中，一般通過人力低效率飼養(yǎng)，只能通過飼養(yǎng)員發(fā)現(xiàn)和記錄奶牛的成長、患病、妊娠和發(fā)情等身體特征數(shù)據(jù)。在畜牧場體量不大時，這種低效率的方式可以滿足生產(chǎn)要求。在現(xiàn)代養(yǎng)殖規(guī)?；沫h(huán)境下，奶牛的個體基數(shù)巨大，此時如果仍采用低效率的肉眼觀察及經(jīng)驗判斷的方式無法準(zhǔn)確測知具體牛只的個體身體特征數(shù)據(jù)，如預(yù)測預(yù)防可能性疾病、估算不同奶牛的發(fā)情期及精確地記錄奶牛的產(chǎn)奶量等；另一方面，傳統(tǒng)人工養(yǎng)殖方法工作強度大、生產(chǎn)效率不高，經(jīng)常會遇到遺漏和個人經(jīng)驗判斷失誤的情況，導(dǎo)致做出錯誤的決策，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

當(dāng)前在現(xiàn)代化養(yǎng)殖中，信息采集技術(shù)有著越來越廣泛的應(yīng)用，而以往的研究一般只將重點放在奶牛個體體征獲取和計算機奶牛體征數(shù)據(jù)處理上，針對畜牧場環(huán)境的數(shù)據(jù)傳輸方法優(yōu)化卻不夠深入。范國連等采用RFID技術(shù)，給每頭奶牛以耳標(biāo)形式安裝節(jié)點，在日常生產(chǎn)環(huán)節(jié)中記錄牛只的生活數(shù)據(jù)，建立牛只信息數(shù)據(jù)庫[2]，但這種方法需要人工手持設(shè)備采集奶牛的生活數(shù)據(jù)。賈北平等設(shè)計了一套軟硬件系統(tǒng)，利用STC51單片機將獲取的數(shù)據(jù)上傳至計算機[3]，而數(shù)據(jù)傳輸方法并未針對大型奶牛場進(jìn)行優(yōu)化。梁明珅等利用基于以太網(wǎng)控制器設(shè)計的Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸方法，具有覆蓋范圍較大、網(wǎng)絡(luò)傳輸快捷等優(yōu)點[4]，但這套方案需要購入一定的專業(yè)設(shè)備，同時Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)的成本較高，無法滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的低成本、易上手等需求。龐超通過RFID針對奶牛養(yǎng)殖過程每一個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了溯源研究，然而在數(shù)據(jù)傳輸過程中設(shè)計了較為復(fù)雜的路徑，降低了網(wǎng)絡(luò)的實時性，增加了處理負(fù)擔(dān)[5]。針對上述問題，本文以奶牛體溫及加速度的遠(yuǎn)程、實時監(jiān)測為目標(biāo)，研究基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的奶牛體征監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計低成本、低功耗的傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件和易上手的軟件系統(tǒng)，并優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑以提高工作效率。

1 系統(tǒng)需求分析

在大型養(yǎng)殖場的工作環(huán)境下，奶牛除了日常的擠奶、進(jìn)食等行為外，一般分區(qū)活動在面積約為3 200m2的泥土運動場上。

從易安裝佩戴、網(wǎng)絡(luò)傳輸和檢測性能等方面分析，奶牛體征檢測系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求：

1)監(jiān)測節(jié)點體積較小，其佩戴不干擾其正?；顒印Ｄ膛Ｔ趫龅貎?nèi)四處走動，監(jiān)測節(jié)點的佩戴不能干擾其正?；顒樱也粫驗槟膛５幕顒佣鴮?dǎo)致傳感器脫落或損壞，故需要考慮尺寸小且易于佩戴的部位和方式。

2)能在室外相對惡劣的工作環(huán)境下工作。佩戴在奶牛身上的傳感節(jié)點，會受到高溫、高濕及雨淋等相對惡劣環(huán)境影響，故要求傳感器節(jié)點應(yīng)具有良好的封裝，能適應(yīng)相對惡劣的工作環(huán)境。

3)傳感器節(jié)點具有足夠的傳輸距離。目標(biāo)奶牛運動場地長約為80m，寬約為40m。傳感器節(jié)點在數(shù)據(jù)鏈路傳輸過程中需要具備約80～100m的傳輸距離。

4)數(shù)據(jù)傳輸可靠、丟包率低。網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定高效，節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交互可靠，具體要求信號強度指示(RSSI)大于標(biāo)準(zhǔn)要求的-105dBm，丟包率小于5%。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

通過對無線傳輸技術(shù)和畜牧場工作環(huán)境的綜合考慮，設(shè)計奶牛體征采集系統(tǒng)的具體方案如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括支持ZigBee技術(shù)的傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點及計算機等硬件和相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。根據(jù)本系統(tǒng)的實際工作情況，采用簇型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信[6]。簇型網(wǎng)絡(luò)對硬件配置要求低，路由算法也較為簡單，有利于功率的降低，同時符合養(yǎng)殖場內(nèi)奶牛生活行為習(xí)慣。傳感器節(jié)點在應(yīng)用層驅(qū)動傳感器并獲取采集的信息，通過射頻模塊在網(wǎng)絡(luò)設(shè)定好的信道、傳輸鏈路中向其他節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)經(jīng)由RS232轉(zhuǎn)USB串口電路上傳到計算機處理平臺，計算機通過串口調(diào)試助手軟件讀取數(shù)據(jù)并在屏幕上顯示，數(shù)據(jù)以文本形式存儲在計算機端。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計方案

本文ZigBee網(wǎng)絡(luò)選用的控制芯片為德州儀器(Texas Instrument)生產(chǎn)的CC2530，協(xié)調(diào)器和傳感器節(jié)點都搭載CC2530芯片以進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和傳輸，具有能量消耗較低、硬件成本較低的特點，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)很典型的支持硬件[7]。CC2530一般處于休眠狀態(tài)下，只有在定時喚醒或外部數(shù)據(jù)中斷喚醒是快速工作，完成任務(wù)后再次休眠，模式的切換快速，具有較低的時延，特別適用那些電池壽命要求非常長的應(yīng)用場景。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點

協(xié)調(diào)器節(jié)點主要由CC2530無線收發(fā)模塊、電源模塊及RS-232轉(zhuǎn)USB串口電路組成。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立及管理網(wǎng)絡(luò)，將傳感器節(jié)點采集到的實時數(shù)據(jù)通過串口上傳至計算機處理平臺，同時計算機端可以通過協(xié)調(diào)器節(jié)點給傳感器節(jié)點發(fā)送命令。計算機通過USB線與協(xié)調(diào)器節(jié)點相連，并對節(jié)點供電，協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設(shè)計方案

2.2 傳感器節(jié)點

無線傳感器節(jié)點的硬件由CC2530模塊、數(shù)字溫度傳感器、三軸加速度傳感器及其配合電路和電源轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成。其中，CC2530不僅實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送，還是控制傳感器數(shù)據(jù)采集的微處理器[8]；指示燈用以表明各傳感器的工作狀態(tài)及ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)狀態(tài)。傳感器節(jié)點通過微處理器讀取傳感器采集的體征數(shù)據(jù)，利用射頻模塊選擇合適的傳輸路徑將信息傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點。傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計如圖3所示。

圖3 無線傳感器節(jié)點硬件設(shè)計方案

2.3 傳感器模塊

監(jiān)測奶牛健康的重要體征是體溫和運動量，可用于推測奶牛的發(fā)情、疾病狀態(tài)。因此，本文采用美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字式傳感器DS18B20，可以把監(jiān)測到的溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳遞給微處理器，同時按照應(yīng)用環(huán)境的不同以編程的方式轉(zhuǎn)換不同的精度值。DS18B20溫度傳感器的供電范圍為3.0～5.5V，本文采用7號10440電池供電，額定電壓為3.7V，在統(tǒng)一的電源供應(yīng)下，配合CC2530的電壓需求，采用3.3V供電[9]。傳感器的電路設(shè)計為，DS18B20的VDD引腳接3.3V電源，總線與CC2530的P0.6口相連，串聯(lián)一個10K的電阻R1到3.3V電源，最后通過編程驅(qū)動即可獲取環(huán)境內(nèi)的溫度。DS18B20溫度傳感器的連接如圖4所示。

圖4 DS18B20溫度傳感器電路圖

奶牛的運動量選用飛思卡爾的MMA8451監(jiān)測，它是基于微電機系統(tǒng)MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)的數(shù)字三軸加速度傳感器。這款傳感器具有封裝小型化、能量消耗較低、數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確及靈敏度較高的優(yōu)點[10]，適合作為奶牛運動數(shù)據(jù)監(jiān)測的主要元器件。同樣，采用3.3V給VDD供電，GND引腳接地，SCL端、SDA端分別與CC2530的P1.6、P1.7口相連，且用4.7K的電阻R1、R2上拉到3.3V電源。INT1、INT2分別直接連接CC2530的P1.0、P0.0口。MMA8451接口與CC2530的連接如圖5所示。

圖5 三軸加速度傳感器信號調(diào)理電路圖

2.4 CC2530模塊

CC2530是各節(jié)點的微處理器，控制傳感器的采集和節(jié)點間的通信。為了實現(xiàn)硬件電路最小化設(shè)計并便于損壞元件的便捷更換，采用的CC2530模塊將CC2530配合電路單獨設(shè)計成一個板子，在燒錄完程序后即可插放在底板上，以便減小傳感器節(jié)點的尺寸。CC2530模塊的電路原理如圖6所示。

1)晶振集成電路：為了計算時間，CC2530運行時需要兩個配合的時鐘晶體振蕩器，兩個時鐘晶振規(guī)格不一樣，所提供的功能也不相同。其中，一個是主頻為32MHz的系統(tǒng)時鐘，在電路中為使用高頻交流收發(fā)器提供一個速率較高且可靠的時鐘源；另一個是主頻為32.768kHz的晶振[11]，當(dāng)節(jié)點進(jìn)入休眠狀態(tài)時，仍然需要進(jìn)行時間計算，以便在定時模式下及時喚醒。C9和C11為32MHz晶振的兩條引線串聯(lián)的外部有效電容，通過晶振的具體規(guī)格確定兩個電容的具體值，通過綜合計算獲得C9和C11為27pF。

2)電源濾波電路：直流電源的供電過程并不穩(wěn)定，在額定電壓值附近會有一定的抖動。為了獲得更加平穩(wěn)的電源供應(yīng)，需要在供電電路上加入適配的濾波電容來穩(wěn)定芯片供電針腳的額外信號，這個額外信號是芯片在運行過程中產(chǎn)生的串?dāng)_。此時需要在CC2530的各個數(shù)字電源針腳即9、38及6個模擬電源針腳即20、23、26、27、30、32外接一個100nF的電容。而這兩種針腳之間使用一個100μH的電感進(jìn)行阻斷，同樣為了防止兩者之間的串?dāng)_。

3)接口電路：采用P1為14腳、P2為12腳的小型插頭，將CC2530的I/O口、電路供電針腳以及restart針腳引出。這些引出的引腳用于程序的燒寫，方便模塊的擴展，提供電源供電以及按鍵復(fù)位等功能，通過這種方式增加模塊的通用性。同時，CC2530芯片的燒寫可以取下在Debugger上完成，編譯好后即可插在排針座上使用，優(yōu)化了傳感器節(jié)點的空間，使得節(jié)點硬件體積進(jìn)一步縮小。

3 軟件設(shè)計

3.1 節(jié)點軟件設(shè)計

在設(shè)計軟件前，首先對協(xié)議棧的具體參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如波特率、信道、組網(wǎng)方式，節(jié)點的休眠、中斷喚醒及定時喚醒周期等[12]。協(xié)調(diào)器的CC2530模塊作為網(wǎng)絡(luò)建立和維護(hù)者，移植Z-stack協(xié)議棧可以給其賦予網(wǎng)絡(luò)建立、接受新節(jié)點加入請求、授權(quán)及鑒定節(jié)點、中繼并轉(zhuǎn)發(fā)傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)串口上傳至PC設(shè)備的功能。協(xié)調(diào)器節(jié)點的主要工作過程如下：CC2530被初始化，同時復(fù)位Z-stack，中斷函數(shù)打開準(zhǔn)備工作，此時根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)建立一個自定義的網(wǎng)絡(luò)，這個網(wǎng)絡(luò)可以是單一形態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，也可以是多個形態(tài)組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)初始化成功后，新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的申請會以中斷的形式發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點處理該信號，并為申請節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)短地址，同時發(fā)送響應(yīng)，表明已經(jīng)收到申請。若網(wǎng)絡(luò)任一節(jié)點獲取了體溫、加速度數(shù)據(jù)，則以中斷的形式進(jìn)入新的任務(wù)程序，在子函數(shù)的控制下協(xié)調(diào)器將信息通過USB串口發(fā)送給上位機設(shè)備。協(xié)調(diào)器軟件流程如圖7所示。

圖6 CC2530模塊電路圖

圖7 協(xié)調(diào)器軟件工作流程圖

將傳感器驅(qū)動程序移植進(jìn)協(xié)議棧后，傳感器節(jié)點實現(xiàn)的主要功能：申請并加入由協(xié)調(diào)器定義的不同形態(tài)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中、通過CC2530的I/O口獲取兩個傳感器寄存器中的監(jiān)測數(shù)據(jù)、通過網(wǎng)絡(luò)層將獲取的數(shù)據(jù)射頻發(fā)送給附近節(jié)點、通過射頻串口獲取協(xié)調(diào)器節(jié)點經(jīng)由其他中繼節(jié)點發(fā)送過來的指令等。具體的工作過程：打開開關(guān)連通電路后，CC2530被初始化，并復(fù)位Z-stack，其次給CC2530的數(shù)據(jù)接口準(zhǔn)備開始工作。同時，傳感器節(jié)點進(jìn)行申請加入整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，協(xié)調(diào)器應(yīng)答后授權(quán)成功，則可以接受協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的節(jié)點短地址，用來標(biāo)注不同節(jié)點的身份。傳感器節(jié)點軟件的流程如圖8所示。

圖8 傳感器節(jié)點軟件工作流程圖

3.2 上位機軟件設(shè)計

本系統(tǒng)通過LabVIEW設(shè)計了便于用戶操作的上位機軟件，調(diào)用VISA接口模塊來進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，實時獲取協(xié)調(diào)器上傳的串口數(shù)據(jù)，從而快速判斷奶牛的健康狀況。利用VISA節(jié)點對RS-232串口通信進(jìn)行設(shè)

置，實現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點與上位機的通信[13]。首先通過VISA Open指令打開上位機與協(xié)調(diào)器的傳輸通道，然后在VISA Read的控制下開始讀取協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并以圖表的形式進(jìn)行顯示。調(diào)用VISA Write功能可以將輸入的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，通過命令來對整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。上位機軟件同時可以將采集的數(shù)據(jù)以TXT的形式保存在本地，方便數(shù)據(jù)庫的建立，對每頭奶牛的信息進(jìn)行存檔。上位機軟件的LabVIEW邏輯圖如圖9所示。

4 系統(tǒng)測試與分析

在各個節(jié)點的CC2530芯片寫入各自的程序后，給傳感器節(jié)點裝入電池并打開開關(guān)連通電路，指示燈常亮表明工作正常。將協(xié)調(diào)器節(jié)點用USB Dongle線連接至PC打開電路開關(guān)，黃燈閃爍表示正在搜索網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)兩種節(jié)點都常亮黃燈后組網(wǎng)完成。打開計算機上的串口調(diào)試助手軟件，根據(jù)不同的USB接口查詢選擇設(shè)備管理器中連接的串口，選擇最大的波特率即115200，不設(shè)置校驗位，數(shù)據(jù)位為8[14]。傳感器節(jié)點采集并發(fā)送數(shù)據(jù)約耗時1s，待機2s后再次采集數(shù)據(jù)，連續(xù)發(fā)送3次數(shù)據(jù)后進(jìn)入休眠模式，休眠時長設(shè)置為1min。

協(xié)調(diào)器接收到的各無線傳感器節(jié)點的幀體溫數(shù)據(jù)和幀加速度數(shù)據(jù)如圖10所示。

為驗證畜牧場內(nèi)節(jié)點間通信的丟包率能否滿足使用需求，本文部署2個節(jié)點在一定距離下進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸實驗，測量實際收取的數(shù)據(jù)包數(shù)量。節(jié)點距離分別設(shè)置為 1、10、20、30、50、70、80m。實驗距離在20m內(nèi)兩個節(jié)點無障礙傳輸，在20～50m距離下，為了模擬牛場環(huán)境擺放少量障礙物并間隔一堵墻，丟包率=(發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)-實收數(shù)據(jù)包數(shù))/發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖10 上位機軟件處理數(shù)據(jù)

距離/m發(fā)送量接收量丟包率/%12002000102001990.5202001981302001971.5502001914.5702001933.5802001924

由測試數(shù)據(jù)可以看出：在30m的傳輸距離以下時，丟包率比較低，在1.5%以內(nèi)；當(dāng)距離大于30m時，丟包率開始迅速增加，此時環(huán)境內(nèi)出現(xiàn)對信號干擾較大的遮擋物，并且進(jìn)入了通信鏈路傳輸?shù)倪^渡區(qū)，信號的不穩(wěn)定導(dǎo)致丟包率的增加。節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸在80m的距離下，丟包率也僅為4%，基本可以滿足工作需求。

在室外對溫度進(jìn)行測量，用傳感器節(jié)點的DS18B20數(shù)字溫度傳感器測量并上傳的數(shù)據(jù)與環(huán)境實際溫度進(jìn)行對比。測試時傳感器每分鐘采集3次數(shù)據(jù)，取平均值計為測量數(shù)據(jù)，實際溫度用手持式測溫儀測量DS18B20表面獲得，同樣的，每分鐘采集3次數(shù)據(jù)，取平均值。計算誤差=(測量溫度-實際溫度)/實際溫度，得到結(jié)果如表2所示。

節(jié)點安裝SMA天線，在有3堵墻壁遮擋的情況下，最大傳輸距離約為30m，而在空曠場地?zé)o障礙物時，測試節(jié)點通信最大傳輸距離約為90m。而奶牛運動場地符合上述后者環(huán)境，奶牛佩戴節(jié)點在場地內(nèi)自由行走，該通信距離可以滿足需求。節(jié)點在正常距離的數(shù)據(jù)傳輸過程中，丟包率低于5%，信號強度在-75～-33dBm之間，數(shù)據(jù)測量誤差最高為2.63%，最低為0.85%，平均誤差為1.75%，可以符合使用需求。本系統(tǒng)實時監(jiān)測養(yǎng)殖場奶牛體征信息，給管理者提供合理決策和判斷提供有力的數(shù)據(jù)支持。

表2 測量數(shù)據(jù)與實際溫度對比

5 結(jié)論

隨著科技的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)將慢慢進(jìn)入人們的日常生活工作環(huán)境，無線通信技術(shù)的傳輸速率不斷提高，成本不斷降低，在復(fù)雜場景對各種環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測也將越來越準(zhǔn)確，勢必會給人們生產(chǎn)、工作帶來巨大變化。為了實時監(jiān)測養(yǎng)殖場奶牛體征信息，給管理者提供合理決策和判斷提供有力的數(shù)據(jù)支持，幫助提升農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖效率，本文研究了基于ZigBee技術(shù)的奶牛體征監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，對傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)論述，開發(fā)了基于ZigBee技術(shù)的奶牛體征監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對奶牛體溫及運動量等體征信息實時監(jiān)測。