基于ZigBee的奶牛體征監測系統設計與實現

楊宇闐奕，何東健，劉 暢，劉 聰

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

在傳統奶牛飼養過程中，一般通過人力低效率飼養，只能通過飼養員發現和記錄奶牛的成長、患病、妊娠和發情等身體特征數據。在畜牧場體量不大時，這種低效率的方式可以滿足生產要求。在現代養殖規模化的環境下，奶牛的個體基數巨大，此時如果仍采用低效率的肉眼觀察及經驗判斷的方式無法準確測知具體牛只的個體身體特征數據，如預測預防可能性疾病、估算不同奶牛的發情期及精確地記錄奶牛的產奶量等；另一方面，傳統人工養殖方法工作強度大、生產效率不高，經常會遇到遺漏和個人經驗判斷失誤的情況，導致做出錯誤的決策，產生巨大的經濟損失[1]。

當前在現代化養殖中，信息采集技術有著越來越廣泛的應用，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據處理上，針對畜牧場環境的數據傳輸方法優化卻不夠深入。范國連等采用RFID技術，給每頭奶牛以耳標形式安裝節點，在日常生產環節中記錄牛只的生活數據，建立牛只信息數據庫[2]，但這種方法需要人工手持設備采集奶牛的生活數據。賈北平等設計了一套軟硬件系統，利用STC51單片機將獲取的數據上傳至計算機[3]，而數據傳輸方法并未針對大型奶牛場進行優化。梁明珅等利用基于以太網控制器設計的Wi-Fi數據傳輸方法，具有覆蓋范圍較大、網絡傳輸快捷等優點[4]，但這套方案需要購入一定的專業設備，同時Wi-Fi網絡鋪設的成本較高，無法滿足農業生產過程中的低成本、易上手等需求。龐超通過RFID針對奶牛養殖過程每一個環節的數據進行了溯源研究，然而在數據傳輸過程中設計了較為復雜的路徑，降低了網絡的實時性，增加了處理負擔[5]。針對上述問題，本文以奶牛體溫及加速度的遠程、實時監測為目標，研究基于ZigBee網絡的奶牛體征監測系統，設計低成本、低功耗的傳感器節點、協調器節點硬件和易上手的軟件系統，并優化網絡傳輸路徑以提高工作效率。

1 系統需求分析

在大型養殖場的工作環境下，奶牛除了日常的擠奶、進食等行為外，一般分區活動在面積約為3 200m2的泥土運動場上。

從易安裝佩戴、網絡傳輸和檢測性能等方面分析，奶牛體征檢測系統應滿足如下要求：

1)監測節點體積較小，其佩戴不干擾其正常活動。奶牛在場地內四處走動，監測節點的佩戴不能干擾其正常活動，且不會因為奶牛的活動而導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境下工作。佩戴在奶牛身上的傳感節點，會受到高溫、高濕及雨淋等相對惡劣環境影響，故要求傳感器節點應具有良好的封裝，能適應相對惡劣的工作環境。

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

4)數據傳輸可靠、丟包率低。網絡傳輸穩定高效，節點之間的數據交互可靠，具體要求信號強度指示(RSSI)大于標準要求的-105dBm，丟包率小于5%。

2 系統整體設計

通過對無線傳輸技術和畜牧場工作環境的綜合考慮，設計奶牛體征采集系統的具體方案如圖1所示。該系統主要包括支持ZigBee技術的傳感器節點、協調器節點及計算機等硬件和相應的軟件系統。根據本系統的實際工作情況，采用簇型網絡進行通信[6]。簇型網絡對硬件配置要求低，路由算法也較為簡單，有利于功率的降低，同時符合養殖場內奶牛生活行為習慣。傳感器節點在應用層驅動傳感器并獲取采集的信息，通過射頻模塊在網絡設定好的信道、傳輸鏈路中向其他節點傳輸數據。協調器節點接收到數據后，數據經由RS232轉USB串口電路上傳到計算機處理平臺，計算機通過串口調試助手軟件讀取數據并在屏幕上顯示，數據以文本形式存儲在計算機端。

圖1 系統設計方案

本文ZigBee網絡選用的控制芯片為德州儀器(Texas Instrument)生產的CC2530，協調器和傳感器節點都搭載CC2530芯片以進行數據的處理和傳輸，具有能量消耗較低、硬件成本較低的特點，是物聯網技術很典型的支持硬件[7]。CC2530一般處于休眠狀態下，只有在定時喚醒或外部數據中斷喚醒是快速工作，完成任務后再次休眠，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用場景。

2.1 協調器節點

協調器節點主要由CC2530無線收發模塊、電源模塊及RS-232轉USB串口電路組成。協調器負責建立及管理網絡，將傳感器節點采集到的實時數據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調器節點給傳感器節點發送命令。計算機通過USB線與協調器節點相連，并對節點供電，協調器節點的硬件設計方案如圖2所示。

圖2 協調器節點硬件設計方案

2.2 傳感器節點

無線傳感器節點的硬件由CC2530模塊、數字溫度傳感器、三軸加速度傳感器及其配合電路和電源轉換模塊構成。其中，CC2530不僅實現ZigBee網絡數據的發送，還是控制傳感器數據采集的微處理器[8]；指示燈用以表明各傳感器的工作狀態及ZigBee網絡的組網狀態。傳感器節點通過微處理器讀取傳感器采集的體征數據，利用射頻模塊選擇合適的傳輸路徑將信息傳送給協調器節點。傳感器節點的硬件設計如圖3所示。

圖3 無線傳感器節點硬件設計方案

2.3 傳感器模塊

監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情、疾病狀態。因此，本文采用美國DALLAS半導體公司生產的數字式傳感器DS18B20，可以把監測到的溫度轉化成數字信號傳遞給微處理器，同時按照應用環境的不同以編程的方式轉換不同的精度值。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，在統一的電源供應下，配合CC2530的電壓需求，采用3.3V供電[9]。傳感器的電路設計為，DS18B20的VDD引腳接3.3V電源，總線與CC2530的P0.6口相連，串聯一個10K的電阻R1到3.3V電源，最后通過編程驅動即可獲取環境內的溫度。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監測，它是基于微電機系統MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)的數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、數據獲取準確及靈敏度較高的優點[10]，適合作為奶牛運動數據監測的主要元器件。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理電路圖

2.4 CC2530模塊

CC2530是各節點的微處理器，控制傳感器的采集和節點間的通信。為了實現硬件電路最小化設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的系統時鐘，在電路中為使用高頻交流收發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]，當節點進入休眠狀態時，仍然需要進行時間計算，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的外部有效電容，通過晶振的具體規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定，在額定電壓值附近會有一定的抖動。為了獲得更加平穩的電源供應，需要在供電電路上加入適配的濾波電容來穩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生的串擾。此時需要在CC2530的各個數字電源針腳即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的電感進行阻斷，同樣為了防止兩者之間的串擾。

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，優化了傳感器節點的空間，使得節點硬件體積進一步縮小。

3 軟件設計

3.1 節點軟件設計

在設計軟件前，首先對協議棧的具體參數進行設定，如波特率、信道、組網方式，節點的休眠、中斷喚醒及定時喚醒周期等[12]。協調器的CC2530模塊作為網絡建立和維護者，移植Z-stack協議棧可以給其賦予網絡建立、接受新節點加入請求、授權及鑒定節點、中繼并轉發傳感器節點數據及數據串口上傳至PC設備的功能。協調器節點的主要工作過程如下：CC2530被初始化，同時復位Z-stack，中斷函數打開準備工作，此時根據設定好的參數建立一個自定義的網絡，這個網絡可以是單一形態的網絡，也可以是多個形態組成的復雜網絡。當網絡初始化成功后，新節點加入網絡的申請會以中斷的形式發送給協調器節點，協調器節點處理該信號，并為申請節點分配網絡短地址，同時發送響應，表明已經收到申請。若網絡任一節點獲取了體溫、加速度數據，則以中斷的形式進入新的任務程序，在子函數的控制下協調器將信息通過USB串口發送給上位機設備。協調器軟件流程如圖7所示。

圖6 CC2530模塊電路圖

圖7 協調器軟件工作流程圖

將傳感器驅動程序移植進協議棧后，傳感器節點實現的主要功能：申請并加入由協調器定義的不同形態的網絡系統中、通過CC2530的I/O口獲取兩個傳感器寄存器中的監測數據、通過網絡層將獲取的數據射頻發送給附近節點、通過射頻串口獲取協調器節點經由其他中繼節點發送過來的指令等。具體的工作過程：打開開關連通電路后，CC2530被初始化，并復位Z-stack，其次給CC2530的數據接口準備開始工作。同時，傳感器節點進行申請加入整個網絡系統，協調器應答后授權成功，則可以接受協調器發送過來的節點短地址，用來標注不同節點的身份。傳感器節點軟件的流程如圖8所示。

圖8 傳感器節點軟件工作流程圖

3.2 上位機軟件設計

本系統通過LabVIEW設計了便于用戶操作的上位機軟件，調用VISA接口模塊來進行數據的讀取，實時獲取協調器上傳的串口數據，從而快速判斷奶牛的健康狀況。利用VISA節點對RS-232串口通信進行設

置，實現協調器節點與上位機的通信[13]。首先通過VISA Open指令打開上位機與協調器的傳輸通道，然后在VISA Read的控制下開始讀取協調器發送過來的數據并以圖表的形式進行顯示。調用VISA Write功能可以將輸入的數據發送到協調器節點，通過命令來對整個ZigBee網絡進行管理。上位機軟件同時可以將采集的數據以TXT的形式保存在本地，方便數據庫的建立，對每頭奶牛的信息進行存檔。上位機軟件的LabVIEW邏輯圖如圖9所示。

4 系統測試與分析

在各個節點的CC2530芯片寫入各自的程序后，給傳感器節點裝入電池并打開開關連通電路，指示燈常亮表明工作正常。將協調器節點用USB Dongle線連接至PC打開電路開關，黃燈閃爍表示正在搜索網絡，當兩種節點都常亮黃燈后組網完成。打開計算機上的串口調試助手軟件，根據不同的USB接口查詢選擇設備管理器中連接的串口，選擇最大的波特率即115200，不設置校驗位，數據位為8[14]。傳感器節點采集并發送數據約耗時1s，待機2s后再次采集數據，連續發送3次數據后進入休眠模式，休眠時長設置為1min。

協調器接收到的各無線傳感器節點的幀體溫數據和幀加速度數據如圖10所示。

為驗證畜牧場內節點間通信的丟包率能否滿足使用需求，本文部署2個節點在一定距離下進行數據包傳輸實驗，測量實際收取的數據包數量。節點距離分別設置為 1、10、20、30、50、70、80m。實驗距離在20m內兩個節點無障礙傳輸，在20～50m距離下，為了模擬牛場環境擺放少量障礙物并間隔一堵墻，丟包率=(發送數據包數-實收數據包數)/發送數據包數。測試數據如表1所示。

圖10 上位機軟件處理數據

距離/m發送量接收量丟包率/%12002000102001990.5202001981302001971.5502001914.5702001933.5802001924

由測試數據可以看出：在30m的傳輸距離以下時，丟包率比較低，在1.5%以內；當距離大于30m時，丟包率開始迅速增加，此時環境內出現對信號干擾較大的遮擋物，并且進入了通信鏈路傳輸的過渡區，信號的不穩定導致丟包率的增加。節點數據傳輸在80m的距離下，丟包率也僅為4%，基本可以滿足工作需求。

在室外對溫度進行測量，用傳感器節點的DS18B20數字溫度傳感器測量并上傳的數據與環境實際溫度進行對比。測試時傳感器每分鐘采集3次數據，取平均值計為測量數據，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次數據，取平均值。計算誤差=(測量溫度-實際溫度)/實際溫度，得到結果如表2所示。

節點安裝SMA天線，在有3堵墻壁遮擋的情況下，最大傳輸距離約為30m，而在空曠場地無障礙物時，測試節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境，奶牛佩戴節點在場地內自由行走，該通信距離可以滿足需求。節點在正常距離的數據傳輸過程中，丟包率低于5%，信號強度在-75～-33dBm之間，數據測量誤差最高為2.63%，最低為0.85%，平均誤差為1.75%，可以符合使用需求。本系統實時監測養殖場奶牛體征信息，給管理者提供合理決策和判斷提供有力的數據支持。

表2 測量數據與實際溫度對比

5 結論

隨著科技的不斷發展，物聯網傳輸技術將慢慢進入人們的日常生活工作環境，無線通信技術的傳輸速率不斷提高，成本不斷降低，在復雜場景對各種環境數據的監測也將越來越準確，勢必會給人們生產、工作帶來巨大變化。為了實時監測養殖場奶牛體征信息，給管理者提供合理決策和判斷提供有力的數據支持，幫助提升農業養殖效率，本文研究了基于ZigBee技術的奶牛體征監測系統設計與實現，對傳感器節點和協調器節點的硬件設計、軟件設計進行了詳細論述，開發了基于ZigBee技術的奶牛體征監測系統，實現了對奶牛體溫及運動量等體征信息實時監測。