適用于智慧畜牧場(chǎng)景的定位技術(shù)研究

張顯振，明 輝

（安徽數(shù)智建造研究院有限公司，安徽 合肥）

引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，有幾千年之久的養(yǎng)殖歷史。自80 年以來(lái)，我國(guó)養(yǎng)豬業(yè)取得了迅猛發(fā)展，家禽如豬、牛、羊的年存欄數(shù)和年出欄頭數(shù)及年產(chǎn)肉量基本呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，市場(chǎng)規(guī)模在萬(wàn)億元以上，其中豬肉產(chǎn)量更是占世界一半。為了保持較高的家禽出欄量，依靠傳統(tǒng)的個(gè)體戶散養(yǎng)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，必然需要建立集中化、集約化、專業(yè)化和工廠化的現(xiàn)代養(yǎng)殖生產(chǎn)體系；而為了保證肉的品質(zhì)與零散養(yǎng)時(shí)一致，大多數(shù)采用野外放養(yǎng)的方式，由此產(chǎn)生一系列新的問(wèn)題，包括如何看管家禽、防止偷盜、以及了解家禽日?；顒?dòng)情況等[3]；因此，本研究主要集中于散養(yǎng)家禽實(shí)時(shí)看管，重點(diǎn)介紹低功耗、遠(yuǎn)距離、多功能區(qū)域定位成套設(shè)備。

1 設(shè)備介紹

在本系統(tǒng)中，我們采用了以下的硬件設(shè)備作為系統(tǒng)集成的部件。

1.1 定位基站

定位基站作為一個(gè)采集裝置，用來(lái)采集接收定位耳標(biāo)回傳的耳標(biāo)屬性數(shù)據(jù)、計(jì)步數(shù)據(jù)、體溫?cái)?shù)據(jù)等，同時(shí)自身帶有語(yǔ)音播放和環(huán)境監(jiān)測(cè)功能，設(shè)備一般安裝在待監(jiān)測(cè)區(qū)域正中間，距離地面3～5 m 位置，感應(yīng)距離為全向球形；定位基站采用雙供電模式，即有市電時(shí)采用市電供電，無(wú)市電時(shí)采用電池供電，電池供電下可續(xù)航8 h，市電與電池?zé)o縫切換，同時(shí)市電供電時(shí)給電池浮充充電；定位基站按設(shè)置的周期通過(guò)超遠(yuǎn)距離藍(lán)牙感應(yīng)單元對(duì)覆蓋范圍進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)定位耳標(biāo)即發(fā)送喚醒指令和數(shù)據(jù)采集指令給定位耳標(biāo)，定位管耳標(biāo)在喚醒后讀取自身狀態(tài)數(shù)據(jù)傳回定位基站處，定位基站將采集的數(shù)據(jù)與自身站點(diǎn)信息及環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)打包利用4G 網(wǎng)絡(luò)上傳至后臺(tái)管理中心處理分析和展示；定位基站語(yǔ)音播放單元用于日常中控室管理人員與散養(yǎng)區(qū)飼養(yǎng)人員的信息下發(fā)以及播放輕音樂(lè)保證家禽散養(yǎng)得健康；其相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：（1） 感應(yīng)距離：半徑10～80 m，可調(diào)。（2） 感應(yīng)角度：全向，360°。（3） 供電：DC 9-36 V，自帶可充電鋰電池。（4） 功耗：〈5 W。（5） 環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)：PM2.5/10、溫濕度、大氣壓、雨量、風(fēng)速。（6） 聲音等級(jí)：0～70 dB。（7） 通信方式：下行藍(lán)牙、上行4G。（8） 工作溫度：-20 ℃～70 ℃。

1.2 定位標(biāo)簽

定位標(biāo)簽作為終端設(shè)備，每一個(gè)家禽上配置一個(gè)，一般安裝在家禽脖子、耳朵等位置，同時(shí)根據(jù)家禽種類不同定位標(biāo)簽分為兩種型號(hào)，體積和重量較大的掛脖式定位標(biāo)簽常用于牛、羊等大型家禽監(jiān)測(cè)上，體積和重量較小的耳標(biāo)式定位標(biāo)簽常用于生豬、雞鴨等小家禽監(jiān)測(cè)上，均采用超低功耗設(shè)計(jì)，以保證定位標(biāo)簽工作時(shí)間能滿足家禽生長(zhǎng)周期；定位標(biāo)簽具備計(jì)步功能、測(cè)溫功能、RFID 感應(yīng)功能以及數(shù)據(jù)回傳功能，其中計(jì)步功能可以統(tǒng)計(jì)家禽在散養(yǎng)時(shí)一日的運(yùn)動(dòng)步數(shù)，了解家禽的發(fā)育狀態(tài)；測(cè)溫功能是通過(guò)兩個(gè)金屬測(cè)溫探頭測(cè)量家禽體表溫度，并求均值，以此認(rèn)作家禽的體溫，從而根據(jù)體溫?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)了解家禽的健康情況，防止家禽患病無(wú)法及時(shí)了解，進(jìn)而造成更大的瘟疫事件；RFID 感應(yīng)功能用于標(biāo)簽與其他設(shè)備聯(lián)動(dòng)，如與智能稱重系統(tǒng)、自動(dòng)飲水系統(tǒng)、自動(dòng)喂食系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，同時(shí)提供家禽的編碼信息；在對(duì)家禽監(jiān)測(cè)過(guò)程中，生豬的狀態(tài)監(jiān)測(cè)是難點(diǎn)、痛點(diǎn)，由于生豬體型特征和生活習(xí)性，只能將定位標(biāo)簽放置在耳朵上，為了使其牢牢地固定在生豬耳朵上，需要對(duì)其重量和體積做嚴(yán)格的控制，過(guò)大或過(guò)重，都會(huì)使得生豬在生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)脫標(biāo)、耳朵受傷等嚴(yán)重后果，由此導(dǎo)致設(shè)備的續(xù)航能力受到極大的挑戰(zhàn)，為此本設(shè)備采用多種方法降低設(shè)備功耗，延長(zhǎng)使用時(shí)間。其相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：（1）測(cè)量范圍：-10 ℃～60 ℃（±0.1 ℃）。（2） 電源電壓：DC 3.7 V（固體鋰離子電池）。（3） RFID：無(wú)源高頻RFID。（4） 耳標(biāo)材質(zhì)：PP+玻纖。（5） 定位方式：藍(lán)牙AOA 定位。（6） 持續(xù)工作時(shí)間：≥12 個(gè)月。（7） 計(jì)步原理：加速度傳感器。（8） 整體重量：〈15 g。（9） 使用環(huán)境溫度：-25 ℃～65 ℃。（10） 使用環(huán)境濕度：10% RH～80% RH。

2 設(shè)備工作原理

2.1 藍(lán)牙區(qū)域定位

本研究所述成套定位設(shè)備是綜合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)、微電子技術(shù)為一體的集成應(yīng)用，但其最核心的是具有超低功耗、超遠(yuǎn)距離感應(yīng)的藍(lán)牙區(qū)域定位技術(shù)，藍(lán)牙區(qū)域定位技術(shù)主要是基于RSSI（Received Signal Strength Indication，信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)指示）定位原理[1]，即定位基站會(huì)不停地發(fā)送廣播信號(hào)，當(dāng)終端進(jìn)入基站信號(hào)覆蓋范圍，終端就能感應(yīng)到基站的廣播信號(hào)，然后測(cè)算出在該基站下的RSSI 值并向該基站發(fā)送自身采集相關(guān)數(shù)據(jù)，最后通過(guò)基站內(nèi)置的4G 通信功能將終端數(shù)據(jù)以及基站本身的數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)服務(wù)器中進(jìn)行處理、分析，從而得到基站感應(yīng)范圍內(nèi)的終端數(shù)量以及終端上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[2]，具體見(jiàn)圖1。

圖1 藍(lán)牙區(qū)域定位示意

2.2 超低功耗

本研究所述定位標(biāo)簽為滿足家禽生長(zhǎng)周期的監(jiān)測(cè)時(shí)間需求，在盡可能平衡設(shè)備重量和電池容量參數(shù)外，還采用超低功耗設(shè)計(jì)，最終達(dá)到超長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間目標(biāo)。超低功耗是針對(duì)設(shè)備功耗這一指標(biāo)來(lái)說(shuō)的，設(shè)備功耗廣義上指的是該設(shè)備在單位時(shí)間中完成設(shè)定功能所消耗的能源數(shù)量；狹義上是指絕大部分電子設(shè)備都是采用CMOS 半導(dǎo)體工藝制成的，通過(guò)兩個(gè)MOS晶體管的電路切換來(lái)表示0 和1 的，當(dāng)CMOS 中的門(mén)電路切換邏輯電平，N 型和P 型晶體管會(huì)同時(shí)打開(kāi)一段時(shí)間，此時(shí)電流會(huì)通過(guò)這兩個(gè)晶體管從電源線流到地線；由公式：

式中：P 為功率；I 為當(dāng)前電流；R 為電阻大小?？芍?dāng)有電流流過(guò)的時(shí)候，就意味著電能的消耗，同時(shí)還有發(fā)熱，兩者綜合即為設(shè)備功耗。

因此設(shè)備超低功耗是一項(xiàng)綜合技術(shù)，不僅僅只局限于主控芯片的功耗設(shè)計(jì)，還涉及到電路基底技術(shù)、封裝密度、供電電壓、工作頻率、外部環(huán)境、電路性能指標(biāo)、接口技術(shù)等方面，本研究主要從器件選型、電源管理、工作流程設(shè)計(jì)等方面實(shí)現(xiàn)定位標(biāo)簽的超低功耗。

2.2.1 器件選型

定位標(biāo)簽主控芯片采用高性能低功耗藍(lán)牙BLE單片機(jī)見(jiàn)圖2，其具有512 KB Flash +（96 KB ROM）+64 KB SRAM，藍(lán)牙協(xié)議棧固化, 不再占用Flash 空間；64 KB 的SRAM，分區(qū)使用，可以在待機(jī)時(shí)保存更多用戶數(shù)據(jù)；針對(duì)功耗，藍(lán)牙接收峰值電流4.7 mA，MCU 的功耗〈60 uA/MHz，低功耗模式下平均電流可降低到20 uA～30 uA；其廣播數(shù)據(jù)包更加靈活，最多可包含200Byte 數(shù)據(jù)；傳輸速率更快，可達(dá)到20～30 KB/s。

圖2 藍(lán)牙芯片實(shí)物

其余器件如電池需選擇低自放率、高容量紐扣型電池，同時(shí)考慮小型化和高安全性，因此最終選擇高防泄露性能的CR2032 二氧化錳紐扣電池，此電池標(biāo)稱3.0 V、標(biāo)準(zhǔn)放電電路0.2 mA，滿足設(shè)備供電所需，典型放電特性曲線見(jiàn)圖3。

圖3 電池放電特性曲線

溫度探頭、九軸傳感器、電源芯片等器件皆依照上述器件選型規(guī)律，遵循“滿足性能、運(yùn)行電流低、待機(jī)電流更低”原則，最終確保設(shè)備所用器件在硬件性能上均能達(dá)到設(shè)計(jì)的功耗要求。

2.2.2 電源管理

上文介紹了設(shè)備超低功耗所需基本要求，即所用器件均具備低功耗性能，但僅憑器件正確選型是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，設(shè)備是多個(gè)器件相互作用的集合體，因此需要通過(guò)相關(guān)電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各個(gè)器件協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到設(shè)想的功耗水平。其中最主要的就是電源管理電路（見(jiàn)圖4），其包括轉(zhuǎn)換電路和管理電路，轉(zhuǎn)換電路是將電池電壓通過(guò)升壓或降壓轉(zhuǎn)換為各個(gè)器件正常工作時(shí)所需電壓，如5 V、3.8 V、3.3 V、1.8 V 等電壓；管理電路是在保證各個(gè)器件可以正常工作的前提下，對(duì)器件的工作時(shí)間的調(diào)配提供電路支持，即器件不工作時(shí)管理電路使其進(jìn)入待機(jī)模式或低功耗模式，降低設(shè)備功耗，同時(shí)對(duì)于極個(gè)別無(wú)低功耗模式的器件則通過(guò)開(kāi)關(guān)切斷其供電，從而根本上消除該器件功耗。

圖4 電源管理架構(gòu)

2.2.3 工作流程設(shè)計(jì)

在低功耗設(shè)計(jì)中除了對(duì)硬件選型及電路有特殊要求外，其上層應(yīng)用也需要針對(duì)性地設(shè)計(jì)，如簡(jiǎn)化整個(gè)功能流程，使其設(shè)備盡可能多的時(shí)間處于休眠模式或停機(jī)模式；在休眠模式或停機(jī)模式下，降低整個(gè)設(shè)備工作頻率，關(guān)閉時(shí)鐘和不使用的外設(shè)，同時(shí)將芯片引腳設(shè)為高阻抗，并搭配硬件電路設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備整體的低功耗；在針對(duì)工作流程低功耗設(shè)計(jì)中，主要遵循以下原則：（1） 優(yōu)化功能邏輯，力爭(zhēng)最短的時(shí)間完成全部功能。（2） 進(jìn)行某一功能時(shí)，其余功能不運(yùn)行應(yīng)關(guān)閉其供電，避免產(chǎn)生功耗。（3） 采用中斷方式查詢所需參數(shù)結(jié)果，對(duì)比輪詢方式可極大降低資源消耗。（4） 避免使用主函數(shù)循環(huán)計(jì)數(shù)延時(shí)程序，推薦采用中斷計(jì)數(shù)方式，不僅增加系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，更能縮短功能運(yùn)行時(shí)間，降低設(shè)備功耗。

3 設(shè)備使用方式

本區(qū)域定位設(shè)備主要工作流程見(jiàn)圖5。

圖5 定位設(shè)備工作流程

設(shè)備分為兩大部分，定位基站一般安裝在待監(jiān)測(cè)區(qū)域中心位置，具有一定高度（推薦3～5 m），并根據(jù)規(guī)范正確安裝好兩個(gè)天線；定位標(biāo)簽根據(jù)家禽種類分別安裝在脖子、耳朵、以及腳上，采用塑料片方式使標(biāo)簽設(shè)備隔絕電源，防止設(shè)備還未正式進(jìn)行工作就已經(jīng)開(kāi)始供電[4]。接著給設(shè)備上電，設(shè)備在取得穩(wěn)定供電電壓后會(huì)進(jìn)行初始化，包括設(shè)備自檢、參數(shù)配置等操作，初始化完成后，定位基站和定位耳標(biāo)進(jìn)行休眠模式，降低功耗，并等待喚醒；當(dāng)?shù)竭_(dá)采集周期后，定位基站會(huì)自動(dòng)喚醒，并開(kāi)始對(duì)覆蓋范圍進(jìn)行廣播，若無(wú)定位耳標(biāo)回復(fù)則在廣播終止時(shí)間后將自身監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)打包上傳至后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行處理分析，若覆蓋范圍內(nèi)存在定位耳標(biāo)，則定位耳標(biāo)會(huì)被喚醒，喚醒后會(huì)自動(dòng)采集溫度、步數(shù)等數(shù)據(jù)，并在采集完成打包發(fā)送給定位基站，定位基站在廣播終止時(shí)間后將定位耳標(biāo)數(shù)據(jù)以及自身相關(guān)數(shù)據(jù)打包發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行處理分析，發(fā)送完成后定位基站和定位耳標(biāo)進(jìn)入休眠模式，以維持最低功耗運(yùn)行，增長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間；在定位基站休眠期間，管理人員可通過(guò)發(fā)送特定指令進(jìn)行強(qiáng)制喚醒，用于設(shè)置采集周期、發(fā)送實(shí)時(shí)語(yǔ)音信息、以及單獨(dú)采集基站周圍環(huán)境信息，完成操作后基站再次進(jìn)入休眠，等待下一次的喚醒工作。

結(jié)束語(yǔ)

本研究適用于智慧畜牧場(chǎng)景下的區(qū)域定位, 實(shí)現(xiàn)集中養(yǎng)殖模式下散養(yǎng)動(dòng)物的健康狀態(tài)和定位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[5]。相比于傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式，不僅解放了勞動(dòng)力，而且解決了散養(yǎng)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)物無(wú)法實(shí)時(shí)了解動(dòng)物健康狀態(tài)以及位置信息的問(wèn)題，使得畜牧養(yǎng)殖更加智能、高效，降低養(yǎng)殖成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。