基于WSN的母羊體征監測系統設計與實現

應燁偉，曾松偉，趙阿勇，顏菲菲，楊建鋁

（浙江農林大學，a.信息工程學院；b.動物科技學院，杭州 311300）

肉羊產業作為畜牧養殖業最重要的組成部分之一，為中國經濟發展提供了極大的助力。隨著近年來肉羊養殖密度的增加，管理人員通過傳統觀測法并不能及時獲取母羊的體征信息，致使其健康狀況及日常運動量得不到保障，發病數量急劇上升［1］。因此，急需一套便捷有效的監測系統對母羊的日常體征進行實時監測，有助于盡早發現患病母羊。目前，對家畜的體征監測主要以奶牛、母豬作為研究對象［2-6］，鮮有針對母羊的相關研究。尹令等［7］采用K型熱電偶監測奶牛鼻孔內體溫，將呼出氣體熱度的高低變化算作一次呼吸頻率，但當奶牛在采食和飲水時，熱電偶易從鼻孔處掉落，且將傳感器置于動物體內的監測方案易導致其產生異常反應。屈東東等［8］將實時采集的奶牛耳道邊沿溫度通過WIFI模組發送到服務器并存于數據庫，便于管理人員查詢，但當傳輸距離超過80 m時，數據丟包率明顯增大。楊宇闐奕等［9］基于ZigBee技術設計了一套奶牛體征監測系統，實時采集奶牛的體溫和加速度信息，但采集節點和上位機之間的通信距離有限，導致管理人員無法便捷地進行遠程監測。

綜上所述，已有的家畜體征監測系統面臨采集裝置不牢固、傳輸距離受限等問題。本研究利用物聯網技術構建了一套基于WSN的母羊體征監測系統。該系統基于STM32微處理器設計頸環采集節點并采用松緊布帶進行固定，有效防止了節點設備的掉落。實時采集的體征數據通過ZigBee和GPRS技術組成的無線傳感網絡傳輸至云服務器，突破了傳輸距離的限制，使管理人員能隨時隨地登錄網頁查詢，大大提高了管理人員的工作效率。此外，采集到的體征參數也對建立母羊運動量及健康評估模型具有十分重要的意義［10］。

1 系統總體設計

系統總體功能結構如圖1所示。頸環采集節點通過松緊布帶佩戴于母羊頸部下方，并使用魔術貼來調整佩戴的舒適程度。節點內部集成了溫度和加速度傳感器，可實時采集體征參數。采集到的數據通過ZigBee無線發送至協調器基站，該基站采用STM32為中央處理器，基于FreeRTOS實時操作系統運行STemWin圖形界面應用程序并控制GPRS模塊將數據傳輸至服務器后端。云服務器將數據存儲于MySQL數據庫并在HTML網頁前端進行顯示，方便管理人員查詢及下載。

2 系統硬件設計

2.1 主控模塊

頸環采集節點和協調器基站均采用意法半導體集團推出的STM32F103RCT6為主控芯片。該款芯片使用ARM Cortex-M3架構，LQFP64封裝［11］，具有高性能、低功耗、體積小等優點，非常適合在輕小型設備上應用。STM32最小系統如圖2所示。

圖2 STM 32最小系統

2.2 體征參數采集模塊

該系統采用DS18B20溫度傳感器和MPU6050加速度傳感器對母羊的體征狀況進行實時監測。DS18B20采用單總線數據通信方式，測溫范圍為-55～125℃，精度為（±0.5）℃，具有體積小、精度高、占用資源少、抗干擾性能強等優點［12］。將DS18B20的感溫探頭置于頸環采集節點表面，當母羊佩戴節點時，感溫探頭與母羊頸部密切接觸，有利于精確采集其體表溫度。MPU6050運動處理組件通過I2C接口與STM32實現數據通信。AD0引腳懸空，則傳感器默認地址為0x68。此外，MPU6050內部集成了3軸加速度和3軸陀螺儀傳感器，大大降低了開發難度［13］。體征參數采集模塊接口電路如圖3所示。

圖3 體征參數采集模塊接口電路

2.3 無線傳輸模塊

羊棚內數據的無線傳輸采用美國德州儀器的CC2530解決方案。分別將頸環采集節點和協調器基站中的ZigBee模塊設置為終端模式和協調器模式，組成星型無線傳感網絡［14］，通過板載PCB天線可實現300 m內數據的穩定傳輸，滿足羊場的實際需求。此外，低功耗的優點也提升了節點的續航能力。

協調器基站通過有人物聯網技術有限公司的GPRS模塊與云服務器之間進行無線通信，基于SIM卡的4G流量和移動通信基站實現數據傳輸，不再受到距離的限制。ZigBee和GPRS均采用UART串口與STM32進行交互，其接口電路如圖4所示。

圖4 無線傳輸模塊接口電路

2.4 存儲模塊

該系統在頸環采集節點中加入了TF卡存儲模塊，防止無線傳輸過程中丟包導致數據遺漏。存儲模塊電路原理如圖5所示。

圖5 存儲模塊電路原理

2.5 電源模塊

頸環采集節點的電源模塊必須滿足質量小、續航持久等要求，本研究采用德玲達新能源科技電子廠生產的3.7 V∕6 800 mA·h鋰電池作為電源輸入，可確保頸環采集節點連續穩定工作14 d左右。此外，選用XC6206P33轉壓芯片實現3.7 V至3.3 V的低壓差穩壓［15］，其電路原理如圖6所示。

圖6 頸環采集節點電源模塊電路原理

協調器基站采用12 V∕1 A適配器作為電源輸入，選用MP1470和LM2596實現5.0 V和3.3 V的轉壓，其電路原理如圖7所示。

圖7 協調器基站電源模塊電路原理

3 系統軟件設計

3.1 下位機軟件設計

下位機軟件主要包含頸環采集節點和協調器基站兩部分。頸環采集節點基于STM32微處理器首先初始化各個功能外設及模塊，再掛載TF存儲卡并建立基于終端節點的ZigBee網絡。組網成功后，基于數字型溫度傳感器DS18B20實時采集母羊的體溫信息。通過軟件將加速度傳感器MPU6050的量程設置為（±2）g，實時監測加速度變化。采集完成后，將數據打包存入TF卡并通過ZigBee網絡進行發送。

協調器基站基于STM32運行FreeRTOS+STem-Win圖形界面實時操作系統。初始化各個功能模塊后，協調器基站與頸環終端節點建立連接，組成星型拓撲結構的無線傳感網絡，接收頸環終端節點實時發送的數據包并解析。此外，協調器基站還需控制配置好IP和端口號的GPRS模塊發送服務器連接請求。連接成功后，基于TCP協議將數據發送至云服務器后端。

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件主要包含云服務器、數據庫、網頁前端3部分。云服務器端采用Java編程語言，通過Socket類監聽GPRS的連接狀態。連接成功后，創建新的處理線程并基于TCP協議實現上下位機之間的通信，最終將接收到的數據通過JDBC接口分類并持久化存入MySQL數據庫。

基于HTML編寫網頁前端，首先判斷用戶注冊登錄信息的有效性，再根據用戶信息校驗其權限，若有權限則從MySQL數據庫中讀取數據并在網頁前端顯示，實現數據的增刪改查。此外，還提供了本地的數據存儲功能。軟件系統工作流程如圖8所示。

圖8 軟件系統工作流程

4 測試與分析

試驗在浙江省湖州市農業科學研究院某湖羊養殖基地進行。羊棚長50 m，寬10 m，劃分為左右各10個欄，每個欄中圈養5只母羊，欄與欄之間的圍墻高1 m，厚0.3 m。從中隨機挑選5只體型相近、分布離散的母羊作為試驗對象，為其佩戴頸環采集節點并進行系統測試。

4.1 頸環采集節點

頸環采集節點及固定方式如圖9所示。節點尺寸為75 mm×75 mm×25 mm，總質量為189 g。整個節點封裝在一個密閉防水塑料盒中，通過松緊布帶固定于母羊頸部下方。將節點所在位置定為三維空間坐標原點，則三軸加速度傳感器的+X、+Y、+Z軸分別指向母羊正前方、正右方、重力方向。

圖9 頸環采集節點及固定方式

通過觀看羊棚監控錄像發現，母羊在佩戴頸環采集節點初期會出現互相撕咬松緊布帶、剮蹭欄桿等異常行為，但在經過24 h適應期后，其異常行為基本消失不見。因此，頸環采集節點不會對母羊的日常行為產生影響。此外，經過一個月的監測，頸環采集節點依舊牢固地綁在母羊頸部下方并穩定地采集體征數據，沒有因日常行為活動而面臨掉落的風險，具有較好的實用性。

4.2 溫度測試

在羊棚環境中，將高精度手持測溫儀AS837采集的數據作為標準溫度，對頸環采集節點的DS18B20溫度傳感器進行測溫誤差計算。本研究采用實時平均數算法來提高傳感器的測溫精度，即頸環采集節點每分鐘采集6個溫度數據，去掉最大值和最小值，剩余4個數據求取平均值以代表1 min內的平均溫度。計算相對誤差=（測量溫度-標準溫度）∕標準溫度，其結果見表1。由表1可知，標準溫度表現出逐步上升的趨勢，而測量溫度也同步表現出上升趨勢，且相對誤差均小于1%。因此，DS18B20溫度傳感器能夠精準地采集母羊體溫信息，為母羊的異常體溫監測奠定了基礎。

表1 測量溫度與標準溫度對比

4.3 無線傳輸及丟包率測試

將協調器基站放置于羊棚中心位置，與頸環采集節點組成星型無線傳感網絡，進行體征數據的實時采集和無線傳輸。基于TCP協議實現上下位機間的通信，將體征數據傳輸至服務器并顯示于網頁前端，便于管理人員瀏覽及查詢，大大節省了人力，提高了工作效率。網頁顯示效果如圖10所示。

圖10 網頁前端信息發布平臺

為了驗證基于ZigBee和GPRS技術的無線傳感網絡能否滿足羊場的實際需求，本研究進行了不同距離下的丟包率測試。頸環采集節點的采樣頻率為1 Hz，將每次采集到的數據存入60個字節的結構體中并發送至協調器基站。協調器基站每隔60 s發送1次體征數據包，每個數據包的大小為3 600個字節。在距離羊棚100、500、1 000、3 000、5 000 m的地方分別登陸網頁統計接收到的體征數據，計算4 h內數據經過ZigBee和GPRS兩次傳輸后丟失的字節數。丟包率=（發送字節數-接收字節數）∕發送字節數，其測試結果如表2所示。由表2可知，3 000 m內的網絡丟包率隨著傳輸距離的增加而逐漸增大，但超過3 000 m后，數據的網絡丟包率沒有顯著增加，逐漸趨于穩定，且最大丟包率不超過4%，因此該傳輸方式能較好地應用于羊場。ZigBee和GPRS技術的應用打破了無線通信傳輸距離的限制，只要周邊存在移動基站即可保證數據的穩定傳輸，也為遠距離通信提供了一種解決方案。

表2 無線傳感網絡丟包率測試

5 結論

隨著信息技術的發展，物聯網技術與農業畜牧業之間的關系越來越密切。傳統人為觀測母羊健康狀況的方法，費時費力且不能及時發現患病羊。本研究設計了一套基于WSN的母羊體征監測系統，通過頸環采集節點內的傳感器實時采集母羊的體溫信息，再基于ZigBee和GPRS技術組成無線傳感網絡，將數據傳輸至云服務器并存入數據庫，最終在網頁前端顯示。經過測試，采集的體溫數據相對誤差及系統的網絡丟包率均較低，滿足羊場的使用需求。該系統實現了對母羊體征參數的實時監測及遠距離傳輸，解放了養殖場的勞動力，提高了管理人員的工作效率。此外，該系統采集的體征參數解決了發現患病羊的滯后性問題，對建立母羊運動量及健康評估模型具有十分重要的意義。