基于LoRa的低功耗種豬體溫測量及監測系統

顏玉松,王元靖,何少鵬,肖 建

(1.南京郵電大學 自動化學院、人工智能學院,江蘇 南京 210023;2.南京郵電大學 集成電路科學與工程學院,江蘇 南京 210023)

0 引 言

豬肉作為中國人最喜愛的肉類之一,是人們日常生活中重要的肉類來源[1]。然而近些年豬肉價格的波動使得社會中出現了“吃不起豬肉”的聲音,究其原因是豬肉供給出現嚴重不足。與已實現農業現代化的發達國家相比,中國傳統農業生產存在資源利用率低、自動化和智能化程度不足等問題[2]。為了響應“感知中國”的物聯網發展戰略,“設施農業物聯網”就成了改善國內養豬現狀的關鍵措施[3]。

在豬場養殖過程中,種豬的身體健康狀況備受重視,體溫是表現動物健康狀況的最直接、最重要的參數[4]。此外,種豬感染一些疾病的最初跡象通常是發燒和運動減少[5],因此針對種豬體溫的實時監測是必要的。目前國內外許多相關人員先后開展了針對種豬體溫實時監測的相關實驗和研究。Wu Y等[6]提出以51單片機為主控,基于紅外測溫模塊對豬的體溫進行非接觸式測量。Krizanac等[7]采用帶有溫度探頭的氣管并將其插入豬呼吸道進行體溫測量,可以獲得更精確的體溫數據。以上兩種豬體溫測量方式雖然都在一定程度上減少了人力勞動、時間、成本等資源消耗,但都不具備遠程云端實時監測種豬體溫的功能,無法做到疾病等緊急情況的提前預防。此外如果養豬場規模較大,種豬數量較多,應用這兩種方式仍需要消耗大量人工成本。針對遠程監測豬體溫問題,胡宜敏等[8]提出一種基于Zigbee的豬體溫測量系統,利用貼片式溫度傳感器采集種豬溫度數據并通過路由器和協調器等設備將數據上傳至Tomcat服務器,可供用戶遠程瀏覽數據。但Zigbee的衍射能力弱、穿墻能力差[9],在養豬場墻壁較多的復雜環境中使用效果較差。柏廣宇等[10]提出基于MLX90614和CC2430的母豬體溫實時監測節點的系統,通過MLX90614紅外傳感器輸出溫度信號,CC2430處理溫度信號并發送至網關。但這種方式的有效通信距離僅有30 m,遠遠不足以覆蓋大面積的養豬場規模,如果要實現全范圍覆蓋需要消耗大量的資源去搭建相關網絡,并且對通信系統的功耗和可靠性都增大了挑戰。

針對當前種豬體溫測量方法的局限性,該文研究了基于LoRa技術的低功耗通信網絡策略,設計了基于國產低功耗芯片的體溫數據測量和傳輸節點,并依靠阿里云服務器建立種豬體溫數據監測網站,供用戶實時監測和管理。該系統具有低成本、低功耗、低延遲、高精度、覆蓋范圍廣等優勢,可應用于多種規模的養豬場,為種豬合理健康養殖提供自動化、智能化與科學化的解決方案,給未來種豬體溫監測研究提供新的前進方向。

1 系統架構設計

基于LoRa技術的低功耗種豬體溫云平臺監測系統由溫度采集層、數據傳輸層和后臺應用層3個部分組成,系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

溫度采集層由若干個監測節點組成,每個監測節點對應一頭種豬。監測節點會根據預先設定的運行方案進行工作,把采集的溫度數據和種豬編號按照特定協議同時發送給網關;網關利用4G網絡將數據轉發至服務器;服務器對數據進行解析并允許用戶通過PC端或移動端在線遠程訪問。

2 系統硬件及通信方案設計

2.1 監測節點設計

考慮到種豬配戴監測設備過程中可能出現影響其正常活動和設備無法長時間正常工作的不良情況,系統設計過程中始終嚴格遵循體積小、低功耗的要求。每個獨立的監測節點由國產LP5100低功耗芯片、ADT7320溫度傳感器、LoRa通信模塊和AN9520陶瓷天線組成(見圖2),具有種豬體溫數據采集、種豬個體編號和數據無限通信的功能。此外,電源選用容量為2 200 mAh,電壓為3.7 V的小體積鋰電池,滿足系統長時間的工作需求。

圖2 監測節點硬件組成

ADT7320溫度傳感器與LP5100主控芯片通過SPI協議連接,主控芯片在獲取體溫數據后會根據預設的通信協議格式重新打包體溫數據和種豬編號并通過LoRa模塊定時發送數據到網關。

在監測節點硬件設計中,溫度傳感器的選擇是至關重要的。本次選用的ADT7320溫度傳感器面積僅為4 mm×4 mm,大大節省了PCB板的空間。此外其具有±0.25℃的溫度精度和超低功耗的特性,在很大程度上確保了體溫數據的真實性,延長了系統工作時間,能夠滿足系統長時間精確測量種豬體溫的需求。此外,為了更好地控制ADT7320傳感器的使用時間以減少不必要的功耗,系統設計采用LP5100芯片實時控制帶使能端的TPS7A0230(見圖3)線性穩壓器開啟和關斷的方案,對ADT7320(見圖4)傳感器的供電進行管理。

圖3 TPS7A0230電路圖

圖4 ADT7320電路圖

2.2 通信方案設計

低功耗廣域網(Low Power Wide Area Network,LPWAN)技術是一種革命性的物聯網無線接入新技術,與Wi-Fi、藍牙、ZigBee等現有成熟商用的無線技術相比,具有遠距離、低功耗、低成本、覆蓋容量大等優點[11],而該系統選用的LoRa技術更是LPWAN中發展比較快、相對比較成熟的技術[12],具有廣闊的應用場景。LoRa采用星型網絡架構,與網狀網絡架構相比,它是具有最低延遲、最簡單的網絡結構,因此設計人員可以最大程度地實現更長距離的通信與更低的功耗[13]。經過實際現場測試結果可知,即使是在復雜的多墻壁廠房環境內也可以實現遠距離、低功耗、低延時的數據無線傳輸。此外,系統還采用AN9520陶瓷天線來進一步優化通信效果。這種陶瓷天線具有體積小、抗干擾能力強、高靈敏度等優點,滿足系統總體設計需求。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括監測節點溫度測量與數據通信設計、通信數據幀格式設計和網關服務器設計三個部分。

3.1 監測節點工作流程設計

為了最大程度地降低功耗、延長系統使用壽命,系統以各模塊對應的睡眠或關斷模式為主要工作狀態[14]。在非測量周期內LP5100芯片進入睡眠狀態,ADT7320因受TPS7A0230輸出影響而斷電關斷,LoRa則進入深度休眠模式,整個系統處于低功耗運行狀態。當進入測量周期時,LP5100芯片被喚醒進入正常工作狀態并恢復ADT7320供電,LP5100與ADT7320以SPI方式進行通信并獲取溫度數據,在數據打包完成后恢復LoRa正常工作狀態同時發送數據。測量周期和非測量周期是連續的,共同組成了監測節點的整個工作過程。具體軟件流程如圖5所示。

圖5 單個監測模塊軟件設計流程

3.2 通信數據幀格式設計

由于LoRa網絡的星型拓撲結構是多對一的傳輸方式,即多個監測節點向同一個網關節點發送數據。因此,為了區分不同種豬的體溫數據,需要對每頭種豬進行特殊編號,這就需要設計嚴謹有效的數據通信協議。

該系統的通信數據編碼選用ISO-8859-1格式。該編碼是單字節編碼,其編碼范圍是0x00-0xFF,可以用多位編碼代表種豬編號和一位編碼代表體溫數據,滿足系統表示和儲存多頭種豬編號和多組體溫數據的需求。使用ISO-8859-1編碼格式通信可以明顯縮短發送時間,減少發送功耗,保證數據傳輸的完整性,符合系統通信的整體要求。

待發送的數據由數據幀頭、種豬編號、若干個體溫數據和數據幀尾四部分組成。幀頭和幀尾是固定不變的,用于檢查待發送數據的完整性和識別接收數據的身份。種豬編號可由數字、字母或特殊符號組成,用于特殊標識種豬個體。由于系統采用多次體溫測量并同時發送的方案,因此待發送數據中應包含多個體溫數據,這些體溫數據按照時間順序依次排列。具體通信數據幀格式如表1所示。

表1 通信數據幀格式

3.3 LoRa網關與云平臺服務器軟件設計

LoRa網關與云平臺服務器設計主要包括了接收數據和數據儲存兩個部分,均在Eclipse IDE開發環境下使用Java語言開發。

(1)接收數據。LoRa網關采用TCP/IP通信協議。為了接收LoRa網關的數據,服務端采用基于Java Socket套接字編寫的數據接收軟件創建Socket套接字,監聽服務器的約定端口是否有連接請求,雙方建立連接后通過打開連接到Socket的輸入/輸出流,按照一定的協議對Socket進行讀/寫,從而完成從LoRa網關接收數據。為了實現客戶端和服務端之間的持續連接,選擇使用多線程編程,通過死循環開啟Socket連接實現長連接,將一個客戶端連接單獨放到一個線程中處理消息的接收,直到接收到關閉連接指令結束線程。

(2)數據儲存。選用MySQL數據庫進行數據管理。使用Java的JDBC連接到數據庫,通過對接收到的信息進行解析,將信息分類存儲到數據庫中,方便信息管理和查詢。

服務端工作的主要流程如圖6所示。

圖6 服務端工作流程

4 系統測試

系統實際在某養豬場進行試驗數據采集,隨機選用30頭身體狀況健康的種豬為試驗對象,試驗周期為5天。單個監測節點實物圖如圖7所示。

圖7 監測節點實物圖

4.1 系統安裝方案

Tabuaciri P等[15]研究豬的耳根、耳尖、眼睛和上頸部到臀部區域表面溫度與直腸溫度之間的關系并得出耳根表面溫度是最接近直腸溫度的區域。因此,為了采集更精準的溫度數據,系統選擇將監測節點固定在種豬耳朵根部附近,使ADT7320溫度傳感器緊貼耳根位置。將LoRa網關安裝在廠房內的高處以減少通信過程中的墻壁等物體對信號的遮擋和屏蔽,增大通信傳輸距離。

4.2 體溫數據采集測試

系統按照每20 s采集一次體溫數據,每10 min發送一次數據的頻率進行工作。任意選擇3頭種豬作為監測對象,隨機選取一天并將它們的體溫數據按種豬編號繪制,如圖8所示。限于篇幅關系,將數據顯示的時間單位改為每小時,每小時的體溫數據為該小時內的所有測量數據的平均值。

圖8 3頭種豬一天內體溫變化曲線

隨機選取一天內五個不連續的時間點對種豬進行人工測溫。將人工測溫數據與該系統測量數據進行對比,得到系統測量體溫的準確率,具體數值如表2所示。

從表2可以看出,系統測溫準確率穩定在99%左右,可以準確、及時地反映出被測種豬的體溫變化情況。

表2 體溫測量結果對比

4.3 數據通信測試

通信測試場所選擇在養豬場內部。為了方便測試,將系統采集與發送頻率分別設置為5 s測量一次和10 s發送一次,即10 s發送兩個體溫數據。選擇5個與LoRa網關相距不同的測試地點,每次測試時長為5 min即發送30次,測試結果如表3所示

表3 數據通信測試結果

從表3可以看出,該系統在150 m范圍內均可實現零誤差的高效率通信,后續仍可通過降低空速、提高發射功率等方式增大數據傳輸距離。

4.4 功耗測試

利用EMK8505+型號μA低功耗功率分析儀對系統整體功耗進行精確分析。分別測試以下四種情形:①監測節點正常休眠狀態;②單次體溫測量過程;③發送一次完整數據(該數據包含30個體溫數據、種豬編號等)過程;④監測節點正常不間斷工作2.45小時。上述四種情形下的測試數據結果如表4所示。

表4 四種情形的功耗測試結果

情形①、②、③組成了監測節點的基本工作內容。從表4可以看出,在監測節點工作過程中情形③的功耗較高,這是由于一次性發送數據較多造成的,但發送持續時間較短且發送頻率不高所以對該系統而言不會造成太多的功耗浪費,即系統依舊可以保證長時間運行。

4.5 云平臺監測測試

用戶可以使用PC端或移動端登錄云平臺監測網站實時查看所有被監測種豬的體溫數據,網站部分界面如圖9所示。

圖9 云平臺監測網頁端顯示(溫度可視化部分)

網頁顯示單頭種豬體溫數據的變化情況,橫坐標為時間,縱坐標為體溫數據。用戶可以通過網頁左上角的下拉框選擇種豬編號來查看對應種豬的體溫數據,此外用戶還可以將溫度導出成csv文件。測試結果表明,云平臺網頁端可以正常顯示測得的種豬數據并將其可視化供用戶實時監測。

5 結束語

設計了以國產LP5100低功耗芯片,ADT7320溫度傳感器和LoRa模塊為核心的低功耗種豬體溫云平臺監測系統。將監測節點固定在種豬耳朵上即可正常工作,以設定的時間間隔采集和發送體溫等數據至網關,在服務器后端解析完數據后可供用戶遠程在線瀏覽。

系統依靠高精度ADT7320溫度傳感器能夠準確采集種豬體溫數據,確保數據的真實性和可靠性。根據試驗結果顯示(圖8),系統能夠真實快速地反映一天內種豬體溫的變化趨勢,有利于用戶對種豬身體狀況做出及時正確的判斷。此外,系統使用LoRa網絡有效解決了數據傳輸距離短、抗干擾能力弱、數據丟失率高等通信問題,極大地擴展了系統的應用場景,能夠在復雜的養豬場環境中實現低誤差、低延遲、遠距離的高效率通信。但網關與監測節點之間存在障礙物依舊會導致通信距離下降,因此如何減輕障礙物對通信質量的影響是未來研究種豬體溫監測中需要重點解決的問題。

依靠LP5100低功耗芯片和ADT7320及LoRa的低功耗或關斷模式,系統能夠以極低的功耗進行長時間的正常工作。但由于系統需要鋰電池供電,導致監測節點需要攜帶電池一同安裝在豬耳上,這無疑增加了節點的占用空間和整體重量,后續擬采用體積更小的電池替代現有電池以減輕相關負擔。