基于ZigBee技术的奶牛定位系统组网方案研究

苏中滨，王学进，沈维政，张喜海，秦月阳，耿忻元

（东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030）

近年来,随着中国畜牧业快速发展，黑龙江省的奶牛业已具规模，呈逐年上升趋势，但多数奶牛场由于缺乏有效的监测管理机制，当奶牛出现生理参数异常，例如，疾病和发情等，饲养员无法及时发现异常奶牛并找到其准确位置，直接降低其年产奶量，造成经济损失[1]。因此，应用传感器技术和计算机技术建立奶牛生理参数监测的识别定位系统，不但可以及时发现并预测奶牛的异常情况，而且可以及时准确定位异常奶牛，并进行及时治疗，延长其寿命，提高奶牛的产奶量。

由于奶牛佩戴的监测设备要求满足基本数据传输还要能在外界长时间进行数据采集且较少更换，这就要求必须采用耗能低且价格低廉的无线传输技术，ZigBee无疑是最好的选择，这也是本研究选择ZigBee技术进行组网定位的重要原因。目前，ZigBee技术在畜牧生产上的应用并不多，尹令等[2]研究设计基于无线传感器网络的奶牛行为特征监测系统，刘新明等[3]组建CC2431+CC2430的奶牛定位网络，周文罕等[4]组建基于ZigBee的奶牛个体信息识别及定位系统，但针对大规模养殖场的定位系统组网方案和参考节点部署研究较少。

1 ZigBee技术优势和组网介绍

1.1 ZigBee技术优势

ZigBee技术是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无线传输。ZigBee技术有如下特点：工作周期短、收发功耗较低、无数据传输时采用休眠模式，两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间[5]。采用碰撞避免CSMA-CA机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留专用时隙。MAC层采用确认数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。芯片普及以后价格非常低，且ZigBee无协议专利费。针对时延敏感应用进行优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。典型的搜索设备时延为30 ms，休眠激活的时延是15 ms，活动设备信道接入时延为15 ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制等应用。一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备[6]，采用AES-128对称加密算法。

利用ZigBee网络进行定位，主要是应用测定RSSI值的测距定位技术，根据RSSI（信号衰减值）转换距离，然后进行定位，下表是主要的测距定位技术性能比较。从上表可以看出，尽管基于ZigBee技术的RSSI定位精度较低，但在短距离传输、系统功耗、开发成本等其他方面明显优于其他的方法。

表1 各类测距定位技术Table 1 All kinds of ranging and positioning technology

1.2 ZigBee组网介绍

1.2.1 ZigBee网络设备类型

ZigBee采用自组织(Ad-hoc)方式组网，这种架构被称为无基础架构的无线局域网(Ad-hoc Wireless LAN)，这种架构对网络内部物理设备的数量不加限制，可以随时建立无线通信连接[7]。

ZigBee网络中，支持两种类型的节点设备：全功能设备（FFD）和简化的功能设备（RFD）。

同时，还可分为三种逻辑设备类型：Coordinator(协 调 器)，Router(路 由 器)和End-Device(终端设备)。其中协调器和路由器属于全功能设备范畴，ZigBee网络由一个Coordinator以及多个Router和多个End-Device组成[8]。

图1 ZigBee网络Fig.1 ZigBee network schematic

图1是一个简单的ZigBee网络示意图。其中黑色节点为Coordinator，灰色节点为Router，白色节点为End-Device。

1.2.2 ZigBee网络拓扑结构

ZigBee常用的拓扑结构主要有以下几种：

图2 网络拓扑结构Fig.2 Network topology

一个ZigBee网络中只能有一个协调器（主控节点），再由若干个路由器（参考节点）和若干个终端设备（终端节点）共同构成。基于低功耗的要求，将牛身上的节点全部做成简化功能设备（终端节点），终端节点没有数据转发功能，只能和主控节点或参考节点进行通讯，这样进一步降低能耗。本系统选择的是mesh网，主要考虑mesh网络的对等自组网特性，优于其他的拓扑结构。

2 组网方案设计

2.1 系统需求

本系统针对奶牛进行定位，奶牛自身体积较大，定位的精度要求在5～10 m即可。在进行定位的同时要兼顾网络传输功能和效率，因此必须将数据分散式计算处理。同时由于奶牛佩戴的设备需要长时间使用，需要尽可能降低功耗，延长设备使用的周期。最后要保证定位时间较短，数据及时发送，系统的主要需求归纳为：

①定位精度保证在5 m×5 m的方格中即可。

②定位数据处理集中在传终端节点，分散数据计算量。

③低功耗，保证数据采集传输的能耗较低。

④及时性，保证定位时间较短，定位数据传输及时。

通过分析，选择支持ZigBee/802.15.4的CC2430无线通信模块进行组建网络。CC2430是一个真正的系统芯片（SOC），满足无线传感器网络对低成本、低功耗的要求，且唤醒时间短，满足及时性的要求[9]。它结合一个2.4 GHz的高性能直接序列扩频（DSSS）射频收发器核心和一颗小巧8051高效的工业级控制器，满足稳定性和计算需求。

2.2 方案设计与比较

基于上述需求，本文设计的WSN定位系统是在CC2430无线通信模块硬件基础上进行设计与实现的。主要由CC2430无线通信模块、MSP430开发板、ZigBee精简版协议栈代码、CC2430无线通信模块软件开发平台IAR 7.0组成。

定位系统中包括三类节点设备：主控节点（协调器）、参考节点（路由器）、终端节点（终端设备）。在系统中，主控节点负责初始化网络，并完成集结数据，然后通过GPRS网络和以太网进行转发，传输到PC机上，进行数据库的存储；参考节点负责向终端节点提供已知的自身位置坐标，并完成数据转发功能，协助终端设备数据传输和定位；终端节点指奶牛身上的移动设备，用于采集奶牛生理信息和计算位置信息，并传给主控节点。同时，由于能耗原因，主控节点和参考节点选择使用太阳能电池供电，而终端节点使用电池供电。定位网络设计的拓扑结构如图3所示。

基于以上需求，根据主流的几种定位系统方案研究，提出以下三种定位系统组网方案，并做出比较，评价其优缺点，结果如表1所示。

图3 定位网络拓扑结构Fig.3 Location network topology

表2 系统组网方案比较Table 2 Comparison of system networking solutions

通过分析，考虑到大规模养殖场的使用成本，本文选择基于RSSI的CC2430+自主开发定位算法的解决方案，所有节点使用CC2430进行ZigBee通信，进行网状（mesh）网络组网，然后对终端节点进行定位算法设计开发。

2.3 节点部署设计

在对节点的部署设计方面，主要考虑两方面：一方面是在确保一定覆盖范围下，用最少节点数；一方面是采用合理的路由能耗管理协议，尽可能降低能耗[10]。在现有的路由协议中，为了节能通常使用基于网格的路由协议，它是基于以上两方面通过控制大部分节点睡眠模式进行节能的。本文选取的PPEG是一种基于网格的能量感知和位置感知路由能耗管理算法[11]，与传统提出的仅感知剩余能量的FPALA协议不同，它是通过将网络区域划分为若干个正方形网格，在正方形网格中心设定参考节点，然后根据能量和传输范围比值，选取传输路径，而不参与传输的节点则继续睡眠，从而节省更多能量，延长网络寿命。

根据Ad Hoc网络覆盖范围的通用原理，求覆盖所有面积时的最小圆数量n及所有网络节点的位置，算法主要是基于解正多边形的外接圆心。本文主要使用基于正方形（即网格）的外接圆心方法。带在奶牛身上的终端节点，在低能耗功率下，一般传输半径为60～100 m[12]，本文选取终端节点传输半径R为70 m，网络边长d为300 m，构造300 m×300 m的WSN网络，如图4所示：

图4 300 m×300 m的WSN网络节点部署Fig.4 300 m×300 m WSN Network deployed nodes

当时，最少有9个参考点，可以覆盖整个区域，终端节点在网络中都可以和参考节点进行通讯。在这里，主控节点必须与相邻的八个网格中心参考节点能保持通信，如果以规则图形为例，主控节点则选择几何中心，且主控节点和参考节点通信半径达到2R。

2.4 路由协议仿真

本文在OMNeT++平台上进行WSN网络的仿真，仿真中用到的参数见表3。本文采用两种模拟场景，场景1中无线传感器网络监测的区域面积小300 m×300 m，场景2为监测大规模的无线传感器网络，面积为500 m×500 m，通信半径都选取70 m，网络节点部署按图4所用的方法。

仿真的结果如图5、图6所示,蓝色线是PPEG，粉色是FPALA，随着时间的增加，平均节点的剩余能量随之下降，在前期消耗中，PPEG和FPALA协议对节点剩余能量的影响差异并不明显，此时的节点能量较为充足，影响较小；而中期随着节点能量的下降，节点平均能量消耗加速下降，PPEG和FPALA协议对节点剩余能量的影响也体现出来，PPEG明显优于FPALA协议，而在比较两个网络后，节点密集的网络中，PPEG的优势体现更加明显，相比节省的能量也增加的更多；在后期由于节点消亡，能量趋势又逐渐平缓，差别逐渐缩小。

表3 仿真节点参数Table 3 Parameters of simulation node

图5 (300 m×300 m)节点能耗Fig.5 (300 m×300 m)Nodeenergy consumption chart

图6 (500 m×500 m)节点能耗Fig.6 (500 m×500 m)Node energy consumption chart

3 结论

研究讨论了几种主流的无线定位网络组网方案，并在保证一定精度的情况下，选择低能耗、低成本的CC2430+自主开发定位算法的RSSI组网方案，采用支持ZigBee协议的CC2430模块，进行mesh网络组网。通过覆盖范围内基于网格节点部署节省参考节点数量，并用路由能耗管理协议的应用对所部署的网络进行能耗仿真，结果证明此方案在PPEG协议下能实现较少参考节点、低能耗的系统需求，为下一步建立定位系统奠定基础。

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