基于ZigBee和GPS的生態(tài)養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)研究

楊廷來

摘要：該文針對生態(tài)養(yǎng)殖實時監(jiān)測難度大、實施困難等問題，結合ZigBee技術、GPS定位及無線通信技術開發(fā)了一套監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以CC2430為核心，通過牲畜攜帶終端結點采體溫、環(huán)境溫濕度及GPS坐標等參數(shù)，通過無線路由把數(shù)據(jù)上傳至計算機，幫助養(yǎng)殖戶對散養(yǎng)牲畜進行實時監(jiān)測功能。經(jīng)測試，該系統(tǒng)基本能夠實現(xiàn)準確、快速、實時的監(jiān)測目的，可在無人值守的情況下，自動監(jiān)測散養(yǎng)牲畜體溫及周邊環(huán)境特征，并記錄其位置，有利于及早發(fā)現(xiàn)生態(tài)養(yǎng)殖中牲畜的疾病，以便于實施有效監(jiān)控。

關鍵詞：生態(tài)養(yǎng)殖；Zigbee；GPS技術；疾病監(jiān)測

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）36-0023-02

Abstract： This paper is aiming at the problems of difficult real-time monitoring of ecological farming and implementation difficulties， and a monitoring system was developed Based on ZigBee technology， GPS positioning and wireless communication technology. The system takes CC2430 as the core and uploads the data to the computer via wireless routing through parameters such as body temperature， humidity and GPS coordinates of the livestock carrying terminal node， which helps the farmers to monitor the free-range livestock in real time. After testing， the system can basically achieve the purpose of accurate， rapid and real-time monitoring. It can automatically monitor the body temperature and surrounding environment characteristics of free-ranged livestock and also can record its location under unattended conditions， which is good for early detection of livestock in ecological farming of the disease， and reach the goal of effective monitoring.

Key words： wild breeding； zigbee； GPS technology； disease surveillance

隨著科學技術的發(fā)展和“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，先進的生產(chǎn)設備和智能化手段不斷地發(fā)展并運用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、加工和流通等各領域，對我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展起到極大地推動作用。目前，溫濕度監(jiān)測和自動化環(huán)境控制系統(tǒng)在規(guī)?；B(yǎng)殖領域內(nèi)已獲得較為廣泛的應用，利用傳感器收集設定的指標參數(shù)，并通過線纜傳輸至監(jiān)測中心，對圈養(yǎng)環(huán)境溫濕度及疾病防治起到有效監(jiān)測，能有效提高圈養(yǎng)養(yǎng)殖密度和產(chǎn)量。近年來，受生態(tài)理念的持續(xù)推廣和食品安全事故頻發(fā)的影響，人們越來越重視“舌尖上的安全”，生態(tài)放養(yǎng)的野生養(yǎng)殖模式正好契合了這種健康消費需求，逐漸成為生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要組成部分和流行趨勢。與圈養(yǎng)相比，生態(tài)養(yǎng)殖的牲畜散養(yǎng)空間大、運動隨機強，因此對其定位捕捉和疾病監(jiān)測防治要困難許多，原有的監(jiān)測系統(tǒng)并不適用。在生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展的時代背景下，建立遠程、連續(xù)、實時的牲畜疾病監(jiān)測和定位系統(tǒng)，對于疫情預防和控制具有十分重要的作用，提高了生態(tài)養(yǎng)殖的效率。ZigBee和GPS定位技術的發(fā)展，為生態(tài)養(yǎng)殖的無線監(jiān)測提供了支撐。其中，ZigBee技術是一種低復雜、低功耗、低速率、低成本且具備網(wǎng)絡自組能力，通信可靠的近距離雙向無線通信技術[1-3]。ZigBee技術采用IEEE802.15.4無線標準，可嵌入到各種設備中，與信號覆蓋范圍內(nèi)的其他節(jié)點進行連接組網(wǎng)，實現(xiàn)多個節(jié)點設備間的數(shù)據(jù)無線傳輸。這就能夠滿足在生態(tài)養(yǎng)殖過程中，對家禽牲畜的實時健康、散養(yǎng)環(huán)境等狀況進行遠程監(jiān)測，一旦出現(xiàn)異常，能夠及時給出警報和提示。同時，由于加入了對GPS技術的運用，還可對牲畜所處位置進行實時定位，準確甄選并隔離出有異常狀況的牲畜，達到疾監(jiān)測和控制的作用。

1 系統(tǒng)結構設計

禽類或牲畜出現(xiàn)病癥時，除了食欲不振、精神沉郁等可直接觀察到的癥狀外，往往還伴隨有非常明顯的體溫變化?；诖耍梢源罱ㄒ惶讕в袑崟r監(jiān)測牲畜體溫的信息傳導機制，通過無線傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，一旦輸出的體溫指標超過設定的正常范圍就會發(fā)出警報提醒。同時，在該裝置中增設GPS定位模塊，滿足野外實時定位功能。

本系統(tǒng)主要搭載動物體溫采集、環(huán)境濕度采集和GPS定位數(shù)據(jù)采集三大功能模塊，同時具備數(shù)據(jù)處理和閾值報警提醒功能。其中對溫度采集精度要求較高，并要求具備較強的抗干擾能力。系統(tǒng)由終端設備、無線通信網(wǎng)絡和監(jiān)控中心組成。其中終端設備主要攜帶電池、溫度傳感器、溫濕度傳感器和GPS定位模塊，用于自動采集野外牲畜的體溫和其所在環(huán)境的溫濕度等數(shù)據(jù)。終端設備用于采集相應的信息，并通過無線路由發(fā)送給協(xié)調器，再由協(xié)調器轉發(fā)給監(jiān)控中心電腦，協(xié)調器與個人電腦采用USB接口相連。由于本系統(tǒng)中的終端節(jié)點分布范圍廣且距離較遠，需要盡可能的低功耗、低成本，需要尋找鄰近的路由器進行轉發(fā)，因而本系統(tǒng)宜采用樹型通信網(wǎng)絡。在樹型網(wǎng)絡拓撲結構的硬件實現(xiàn)上，一般包括協(xié)調器、路由器和終端節(jié)點三種設備。

2 硬件平臺搭建

針對基于ZigBee的無線溫濕度監(jiān)測及定位系統(tǒng)，最重要的是數(shù)據(jù)采集準確、功耗低（要求設備獨自持續(xù)工作數(shù)月甚至數(shù)年的能力），同時由于需要大量的節(jié)點，所以要求設備成本要求盡可能的低。其次在其他方面要求無線通信性能良好，實時性好，運行可靠，設備具有良好的擴展性。節(jié)點以CC2530主芯片為核心，采用DS18B20溫度傳感器、DHT11溫濕度傳感器傳感采集體溫和環(huán)境溫濕度，同時加上GPS定位模塊。

2.1 主板底板搭建

開發(fā)板主板包括核心板和底板，核心板以帶有晶振和天線的CC2530芯片為中心搭建。CC2530共有40個引腳，21個通用I/O引腳，9個模擬電源和數(shù)字電源引腳、2個射頻信號收發(fā)引腳、2個晶振連接引腳、一個連接偏置電阻引腳、一個復位引腳和四個未使用引腳以及一個接地引腳。底板主要為核心板的外設和接口，主板與底板通過插槽連接，除了滿足作為信號接口傳遞信號的功能外，更多的是要將信號進行初步處理。

2.2 ZigBee節(jié)點硬件

協(xié)調器是一個全功能設備，硬件電路相對復雜。除ZigBee無線模塊核心板外，還需配套外圍電路。其中，外圍電路即底板搭建，包括電源電路、復位電路、LED指示燈電路、按鍵電路、串口轉USB電路和程序下載接口電路。路由節(jié)點在硬件上可以與協(xié)調器節(jié)點差異不大，尤其是當初期規(guī)模較小的時候，當大規(guī)模使用時，可在協(xié)調器節(jié)點基礎上，留下芯片調試燒寫接口，省去USB轉串口和按鍵模塊。終端節(jié)點作為精簡功能設備，其硬件結構更加簡單，只需在協(xié)調器節(jié)點基礎上，去掉 RS232轉USB電路、電源模塊，加上DS18B20溫度傳感器、DHT11溫濕度傳感器和GPS定位模塊。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

監(jiān)測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要通過Z-Stack協(xié)議棧編程實現(xiàn)滿足Zigbee協(xié)議的應用程序。該過程包含Zigbee協(xié)調器的建網(wǎng)、各功能節(jié)點的入網(wǎng)、各協(xié)調器與節(jié)點之間的信息交流、各類子節(jié)點的數(shù)據(jù)監(jiān)測控制與發(fā)送傳輸?shù)取?/p>

在Zigbee網(wǎng)絡系統(tǒng)中，建網(wǎng)為首要任務。通過利用協(xié)調器設備的應用層調用原語，發(fā)出網(wǎng)絡組建的請求后，MAC層開始執(zhí)行信道能量掃描，并在掃描過程中尋找到一個合適信道。在此過程中，系統(tǒng)隨機選擇的1個16位用于唯一標識的網(wǎng)絡ID（PANID）分配至新建網(wǎng)絡中，同時形成1個隨機分配的16位短地址，MAC層接收到網(wǎng)絡層PANID啟動請求確認后，新的網(wǎng)絡便組建成功。

網(wǎng)絡組建成功后，接下來便是各節(jié)點入網(wǎng)。對于曾經(jīng)加入過該網(wǎng)絡的節(jié)點而言，系統(tǒng)會有一個驗證過程。協(xié)調器通過檢查節(jié)點發(fā)送的孤點通知來驗證該設備是否為其子節(jié)點，若是，則直接通知該節(jié)點在網(wǎng)絡中的地址，否則將其視為新設備。對于新的設備，節(jié)點通過網(wǎng)絡掃描，將其可能加入網(wǎng)絡父節(jié)點的Zigbee協(xié)議的版本、堆棧規(guī)范、網(wǎng)絡ID等各類各加入信息存入相鄰表，并發(fā)出加入請求。若該請求被應允，則會得到一個從父節(jié)點隨機分配的16位網(wǎng)址，節(jié)點入網(wǎng)成功。

各協(xié)調器與節(jié)點之間通過建立查詢機制實現(xiàn)信息交流。一旦各節(jié)點入網(wǎng)成功后，協(xié)調器與節(jié)點之間就完成了綁定操作。此時，協(xié)調器處于收發(fā)狀態(tài)，節(jié)點進入查詢狀態(tài)，當用戶向子節(jié)點發(fā)出帶有采集或控制命令的信號時，協(xié)調器就會充當父節(jié)點將其對應的子節(jié)點數(shù)據(jù)進行緩沖保存。子節(jié)點每隔相同時間段向協(xié)調器發(fā)起查詢，若有自己的數(shù)據(jù)則通信取回，并按數(shù)據(jù)信息執(zhí)行相應操作；若無則開始新一輪查詢。

數(shù)據(jù)監(jiān)控與發(fā)送傳輸需配串口參數(shù)，通過VISA寫命令要求節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送。命令發(fā)出后，協(xié)調器把各子節(jié)點數(shù)據(jù)傳至電腦，并在每次數(shù)據(jù)傳輸結束后自動觸發(fā)檢驗程序，查看信息是否上傳完整。若信息完整，將提取并保存各節(jié)點數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫中，此后發(fā)出下一條命令協(xié)調器發(fā)送數(shù)據(jù)的VISA寫命令，如此反復。如不完整，將直接重新啟動發(fā)送命令要求重發(fā)。

4 運行測試

測試系統(tǒng)的硬件平臺由一臺筆記本電腦、兩個分別作為協(xié)調器和路由器的全功能節(jié)點及一個充當終端設備的精簡功能節(jié)點組成，終端功能節(jié)點由DS18B20、DHT11和UBLOX-GPS三個傳感器模塊組成，終端節(jié)點和路由器節(jié)點由電池供電。軟件利用IAR開發(fā)環(huán)境、串口調試助手和SmartRF Flash Programmer輔助工具，采用樹型網(wǎng)絡拓撲結構。

本次測試選在空曠的廣場進行，主要對環(huán)境溫度進行采集，后期在實際應用中，加紅外線測溫結構即可。將底板程序下載口與仿真器連接，并由USB接口連接至個人電腦，利用IAR EW開發(fā)平臺對協(xié)調器、路由器和終端節(jié)點進行重建后，將程序加載至CC2530芯片中。為滿足測試需求和便利性，在終端節(jié)點程序中設定間隔時間為1分鐘的周期性數(shù)學采集和發(fā)送函數(shù)。組網(wǎng)成功后，通過電腦上的串口調試助手觀察到了協(xié)調器接收的數(shù)據(jù)，通過與實際數(shù)據(jù)對比結果正確。通過多次測試比較，定位數(shù)據(jù)誤差較大，約為10米左右，對本研究而言，該誤差屬于合理范圍，不影響實際使用效果。

5 結論

本無線監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過多次調試和檢測，各組網(wǎng)、節(jié)點和功能模塊均能正常接入網(wǎng)絡，并能建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和傳輸通訊模式，實現(xiàn)了體溫、環(huán)境溫濕度的遠程監(jiān)測及GPS定位預期目標，能夠滿足生態(tài)養(yǎng)殖監(jiān)測的要求。本系統(tǒng)的構建將有利于改善現(xiàn)有傳統(tǒng)圈養(yǎng)的牲畜疾病監(jiān)測方式，實現(xiàn)對范圍較廣的散養(yǎng)牲畜進行城院實時生理參數(shù)指標的監(jiān)控，對生態(tài)養(yǎng)殖起到保障作用。同時，由于受到多種條件限制，本系統(tǒng)在協(xié)調GPS模塊精度及功耗平衡性，牲畜生理數(shù)據(jù)采集等方面還需進一步優(yōu)化和提升。但隨著本系統(tǒng)的不斷完善和智慧養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展對傳感技術的推動，基于ZigBee和GPS技術的無線傳感檢測系統(tǒng)將對生態(tài)養(yǎng)殖產(chǎn)生重大影響。

參考文獻：

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