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(duì)生態(tài)養(yǎng)殖實(shí)時(shí)監(jiān)測難度大、實(shí)施困難等問題，結(jié)合ZigBee技術(shù)、GPS定位及無線通信技術(shù)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(jié)點(diǎn)采體溫、環(huán)境溫濕度及GPS坐標(biāo)等參數(shù)，通過無線路由把數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)，幫助養(yǎng)殖戶對(duì)散養(yǎng)牲畜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測功能。經(jīng)測試，該系統(tǒng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確、快速、實(shí)時(shí)的監(jiān)測目的，可在無人值守的情況下，自動(dòng)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(shí)施有效監(jiān)控。

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

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(xué)技術(shù)的發(fā)展和“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來，先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備和智能化手段不斷地發(fā)展并運(yùn)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、加工和流通等各領(lǐng)域，對(duì)我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展起到極大地推動(dòng)作用。目前，溫濕度監(jiān)測和自動(dòng)化環(huán)境控制系統(tǒng)在規(guī)模化養(yǎng)殖領(lǐng)域內(nèi)已獲得較為廣泛的應(yīng)用，利用傳感器收集設(shè)定的指標(biāo)參數(shù)，并通過線纜傳輸至監(jiān)測中心，對(duì)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?cè)絹碓街匾暋吧嗉馍系陌踩保鷳B(tài)放養(yǎng)的野生養(yǎng)殖模式正好契合了這種健康消費(fèi)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(yùn)動(dòng)隨機(jī)強(qiáng)，因此對(duì)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(shí)代背景下，建立遠(yuǎn)程、連續(xù)、實(shí)時(shí)的牲畜疾病監(jiān)測和定位系統(tǒng)，對(duì)于疫情預(yù)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(shù)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(shù)是一種低復(fù)雜、低功耗、低速率、低成本且具備網(wǎng)絡(luò)自組能力，通信可靠的近距離雙向無線通信技術(shù)[1-3]。ZigBee技術(shù)采用IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)，可嵌入到各種設(shè)備中，與信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)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(duì)家禽牲畜的實(shí)時(shí)健康、散養(yǎng)環(huán)境等狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，一旦出現(xiàn)異常，能夠及時(shí)給出警報(bào)和提示。同時(shí)，由于加入了對(duì)GPS技術(shù)的運(yùn)用，還可對(duì)牲畜所處位置進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，準(zhǔn)確甄選并隔離出有異常狀況的牲畜，達(dá)到疾監(jiān)測和控制的作用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

禽類或牲畜出現(xiàn)病癥時(shí)，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。基于此，可以搭建一套帶有實(shí)時(shí)監(jiān)測牲畜體溫的信息傳導(dǎo)機(jī)制，通過無線傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，一旦輸出的體溫指標(biāo)超過設(shè)定的正常范圍就會(huì)發(fā)出警報(bào)提醒。同時(shí)，在該裝置中增設(shè)GPS定位模塊，滿足野外實(shí)時(shí)定位功能。

本系統(tǒng)主要搭載動(dòng)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(shí)具備數(shù)據(jù)處理和閾值報(bào)警提醒功能。其中對(duì)溫度采集精度要求較高，并要求具備較強(qiáng)的抗干擾能力。系統(tǒng)由終端設(shè)備、無線通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心組成。其中終端設(shè)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(dòng)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(shè)備用于采集相應(yīng)的信息，并通過無線路由發(fā)送給協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控中心電腦，協(xié)調(diào)器與個(gè)人電腦采用USB接口相連。由于本系統(tǒng)中的終端節(jié)點(diǎn)分布范圍廣且距離較遠(yuǎn)，需要盡可能的低功耗、低成本，需要尋找鄰近的路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，因而本系統(tǒng)宜采用樹型通信網(wǎng)絡(luò)。在樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的硬件實(shí)現(xiàn)上，一般包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)三種設(shè)備。

2 硬件平臺(tái)搭建

針對(duì)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(zhǔn)確、功耗低（要求設(shè)備獨(dú)自持續(xù)工作數(shù)月甚至數(shù)年的能力），同時(shí)由于需要大量的節(jié)點(diǎn)，所以要求設(shè)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(shí)時(shí)性好，運(yùn)行可靠，設(shè)備具有良好的擴(kuò)展性。節(jié)點(diǎn)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(shí)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(gè)引腳，21個(gè)通用I/O引腳，9個(gè)模擬電源和數(shù)字電源引腳、2個(gè)射頻信號(hào)收發(fā)引腳、2個(gè)晶振連接引腳、一個(gè)連接偏置電阻引腳、一個(gè)復(fù)位引腳和四個(gè)未使用引腳以及一個(gè)接地引腳。底板主要為核心板的外設(shè)和接口，主板與底板通過插槽連接，除了滿足作為信號(hào)接口傳遞信號(hào)的功能外，更多的是要將信號(hào)進(jìn)行初步處理。

2.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件

協(xié)調(diào)器是一個(gè)全功能設(shè)備，硬件電路相對(duì)復(fù)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(fù)位電路、LED指示燈電路、按鍵電路、串口轉(zhuǎn)USB電路和程序下載接口電路。路由節(jié)點(diǎn)在硬件上可以與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)差異不大，尤其是當(dāng)初期規(guī)模較小的時(shí)候，當(dāng)大規(guī)模使用時(shí)，可在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上，留下芯片調(diào)試燒寫接口，省去USB轉(zhuǎn)串口和按鍵模塊。終端節(jié)點(diǎn)作為精簡功能設(shè)備，其硬件結(jié)構(gòu)更加簡單，只需在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上，去掉 RS232轉(zhuǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)滿足Zigbee協(xié)議的應(yīng)用程序。該過程包含Zigbee協(xié)調(diào)器的建網(wǎng)、各功能節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)、各協(xié)調(diào)器與節(jié)點(diǎn)之間的信息交流、各類子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)監(jiān)測控制與發(fā)送傳輸?shù)取?/p>

在Zigbee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，建網(wǎng)為首要任務(wù)。通過利用協(xié)調(diào)器設(shè)備的應(yīng)用層調(diào)用原語，發(fā)出網(wǎng)絡(luò)組建的請(qǐng)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(gè)合適信道。在此過程中，系統(tǒng)隨機(jī)選擇的1個(gè)16位用于唯一標(biāo)識(shí)的網(wǎng)絡(luò)ID（PANID）分配至新建網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)形成1個(gè)隨機(jī)分配的16位短地址，MAC層接收到網(wǎng)絡(luò)層PANID啟動(dòng)請(qǐng)求確認(rèn)后，新的網(wǎng)絡(luò)便組建成功。

網(wǎng)絡(luò)組建成功后，接下來便是各節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。對(duì)于曾經(jīng)加入過該網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)而言，系統(tǒng)會(huì)有一個(gè)驗(yàn)證過程。協(xié)調(diào)器通過檢查節(jié)點(diǎn)發(fā)送的孤點(diǎn)通知來驗(yàn)證該設(shè)備是否為其子節(jié)點(diǎn)，若是，則直接通知該節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地址，否則將其視為新設(shè)備。對(duì)于新的設(shè)備，節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)掃描，將其可能加入網(wǎng)絡(luò)父節(jié)點(diǎn)的Zigbee協(xié)議的版本、堆棧規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)ID等各類各加入信息存入相鄰表，并發(fā)出加入請(qǐng)求。若該請(qǐng)求被應(yīng)允，則會(huì)得到一個(gè)從父節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分配的16位網(wǎng)址，節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功。

各協(xié)調(diào)器與節(jié)點(diǎn)之間通過建立查詢機(jī)制實(shí)現(xiàn)信息交流。一旦各節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功后，協(xié)調(diào)器與節(jié)點(diǎn)之間就完成了綁定操作。此時(shí)，協(xié)調(diào)器處于收發(fā)狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入查詢狀態(tài)，當(dāng)用戶向子節(jié)點(diǎn)發(fā)出帶有采集或控制命令的信號(hào)時(shí)，協(xié)調(diào)器就會(huì)充當(dāng)父節(jié)點(diǎn)將其對(duì)應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖保存。子節(jié)點(diǎn)每隔相同時(shí)間段向協(xié)調(diào)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(yīng)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(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送。命令發(fā)出后，協(xié)調(diào)器把各子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳至電腦，并在每次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后自動(dòng)觸發(fā)檢驗(yàn)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(diǎn)數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫中，此后發(fā)出下一條命令協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)的VISA寫命令，如此反復(fù)。如不完整，將直接重新啟動(dòng)發(fā)送命令要求重發(fā)。

4 運(yùn)行測試

測試系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由一臺(tái)筆記本電腦、兩個(gè)分別作為協(xié)調(diào)器和路由器的全功能節(jié)點(diǎn)及一個(gè)充當(dāng)終端設(shè)備的精簡功能節(jié)點(diǎn)組成，終端功能節(jié)點(diǎn)由DS18B20、DHT11和UBLOX-GPS三個(gè)傳感器模塊組成，終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)由電池供電。軟件利用IAR開發(fā)環(huán)境、串口調(diào)試助手和SmartRF Flash Programmer輔助工具，采用樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本次測試選在空曠的廣場進(jìn)行，主要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行采集，后期在實(shí)際應(yīng)用中，加紅外線測溫結(jié)構(gòu)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(gè)人電腦，利用IAR EW開發(fā)平臺(tái)對(duì)協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)程序中設(shè)定間隔時(shí)間為1分鐘的周期性數(shù)學(xué)采集和發(fā)送函數(shù)。組網(wǎng)成功后，通過電腦上的串口調(diào)試助手觀察到了協(xié)調(diào)器接收的數(shù)據(jù)，通過與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)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(duì)本研究而言，該誤差屬于合理范圍，不影響實(shí)際使用效果。

5 結(jié)論

本無線監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過多次調(diào)試和檢測，各組網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)和功能模塊均能正常接入網(wǎng)絡(luò)，并能建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和傳輸通訊模式，實(shí)現(xiàn)了體溫、環(huán)境溫濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)測及GPS定位預(yù)期目標(biāo)，能夠滿足生態(tài)養(yǎng)殖監(jiān)測的要求。本系統(tǒng)的構(gòu)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(shí)現(xiàn)對(duì)范圍較廣的散養(yǎng)牲畜進(jìn)行城院實(shí)時(shí)生理參數(shù)指標(biāo)的監(jiān)控，對(duì)生態(tài)養(yǎng)殖起到保障作用。同時(shí)，由于受到多種條件限制，本系統(tǒng)在協(xié)調(diào)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(jìn)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(duì)傳感技術(shù)的推動(dòng)，基于ZigBee和GPS技術(shù)的無線傳感檢測系統(tǒng)將對(duì)生態(tài)養(yǎng)殖產(chǎn)生重大影響。

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