基于无线传感器网络的奶牛养殖管理定位系统

汤 辉， 付 康， 刘波平， 胡少文

(1.江西省计算技术研究所，江西南昌 330003；2.江西省软件工程技术研究中心，江西南昌 330003)



基于无线传感器网络的奶牛养殖管理定位系统

汤 辉1，2， 付 康1，2， 刘波平1，2， 胡少文1，2

(1.江西省计算技术研究所，江西南昌 330003；2.江西省软件工程技术研究中心，江西南昌 330003)

奶牛养殖管理定位系统在无线传感器网络的监测范围内布置非常多的传感器节点来收集周围的环境信息，并将收集到的信息处理后发送出去。该研究在分析RSSI测距误差影响因素和RSSI测距均值校正的基础上，提出了基于RSSI均值校正的三边测量定位优化算法，并进行了Matlab仿真试验。最后将此改进算法应用于奶牛健康监测和定位系统的设计，结果完全满足奶牛健康状况监测和定位要求。

无线传感器网络；RSSI测距；奶牛养殖管理定位系统

无线传感器网络中的节点具有计算通信能力，节点采用多跳通信的形式构成自组织网络系统，可以实时地监控区域内动态、采集和处理监测对象数据，并将数据发送到远程用户终端[1]。奶牛养殖业是畜牧业和现代农业中的关键，建立用于监测奶牛健康养殖状况的无线传感器网络系统成为了一种新的发展趋势[2-3]。养殖场一般是通过人工目测得到奶牛体征参数，处于劣势，所以采用智能化系统高效的监测奶牛健康状况是必要的[4]。笔者介绍了无线传感器网络的关键技术，研究了传感器网络的节点定位技术，在分析RSSI 测距误差影响因素和RSSI测距均值校正的基础上，改进论证了RSSI均值校正的三边测量定位优化算法，最后将优化算法应用于奶牛健康监测和定位系统的设计。

1　无线传感器网络的关键技术

ZigBee协议采用IEEE 802.15.4标准的物理层和链路层，并在其上增加了网络层、安全模块和应用支持层，从而实现了大区域网络覆盖，有低功耗、低复杂度、自组织等优点，已经成为了无线传感器网络的最佳通信协议[5]。无线传感器网络(WSN)是由多个带有传感器、数据处理单元及通信模块组成，采集和处理网络覆盖区域中被监测对象的信息，通过多个中间节点以多跳方式转发给数据接收者。传感器网络中的成员有传感器、感知对象和观察者。传感器之间、传感器与观察者之间通过有线或无线网络通信,节点间通信采用Ad Hoc进行多跳转发[6-7]。无线传感器网络体系结构见图1。

图1　无线传感器网络体系结构Fig.1　Structure of wireless sensor networks

节点定位技术是指信标节点之间按照某一具体的算法来获取节点自身的位置信息，WSN中获取到事件和位置信息才具有实际意义[8-10]。针对该研究的奶牛养殖监控系统，如果网络终端显示出某头奶牛佩戴的无线传感器节点传送的体温数据异常，若能通过定位算法及时获取到事件和位置信息，定位找到这头奶牛，就能达到及时治疗疾病和提高产奶量的目的。

2　基于校正RSSI的三边测量优化定位算法

2.1三边测量算法三边测量法如图2所示。

图 2　三边测量法Fig.2　Trilateration method

图2中，(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)依次表示信标节点A、B、C的坐标值，da，db,dc依次表示节点A、B、C距未知节点D的长度，令节点D的坐标值为(x,y)，有下列公式：

(1)

由式(1)推出节点D的坐标为：

(2)

(3)

式中，n表示测得此未知节点坐标的次数。

2.2RSSI测距分析及校正接收信号强度指示(RSSI)指传感器节点能得到传送过来信号的多少，单位为dBM，RSSI值与节点间相距的长度值成反比例关系。带有显示RSSI值效果的传感器节点被广泛地应用于实际环境中。如图3所示，传感器网络中3个信标节点的位置坐标是明确的，U指未知节点的实际位置信息，U′指采用RSSI测量出来的坐标信息。

图3　RSSI 算法原理 Fig.3　Principle of RSSI algorithm

信标节点发送信号至未知节点，按照信号衰减规律可以从接收信号的强度估算信标节点距未知节点的长度。信号衰减公式如下：

(4)

式中，P(d0)指与基站相隔d0的地方的信号强度值；P(d)指在基站处测得的未知节点发送信号过来的强度值[11-13]。

RSSI测距技术有较低的成本、较小的能量消耗等优点，缺点是所测值与真实值有误差。RSSI测距存在信标节点数量、传感器自身的限制、环境条件的影响因素导致节点位置坐标不准确的问题[14-15]。所以通过增加测量的次数，RSSI测距得到的值更精确：

(5)

随着n的增大，RSSI计量精确度会越高。根据式(5)得出n+1次的值并取平均：

(6)

(7)

从式(7)可以看出，参数α一定程度上影响着信号强度的测量结果，α值可以通过测量实验次数调整到最优[16-17]。

2.3基于RSSI均值校正的三边测量优化定位算法流程该研究将RSSI均值较正和三边测量相结合以达到最优的定位效果。基于RSSI均值校正的三边测量定位算法流程如下：①节点发出请求，信标节点将自己的信息、信号强度发送出去；②未知节点收到信标节点传过来的位置、信号强度等信息；③进行RSSI均值校正，代入到信号衰减公式(4)中得到未知节点到各个信标节点的长度值；④任选3个信标节点构成1个三角形，由三边测量法对测得的各个长度值计算坐标,利用式(3)得到未知节点的平均坐标。

3　奶牛健康养殖管理和定位系统的设计

奶牛养殖奶牛健康是关键，近年来，奶牛养殖面临着禽流感、疯牛病等各类疾病影响，所以养殖场在饲养过程中引入科学技术是必要的。该研究通过在每头牛的颈部佩戴传感器节点来收集奶牛的体征信息，判定奶牛是否健康，同时提出了基于RSSI均值校正的三边测量定位算法用于定位监控，实时掌握每头奶牛的位置信息，以达到及时治疗疾病和提高产奶量的目的。

3.1硬件及定位模块的设计该研究采用CC2530 芯片，选用结构简单、价格低廉的DS18B20数字式温度传感器以及不易受外界因素影响、程序简便的SC0073脉搏传感器，将电池作为电源模块，传感器节点安放在奶牛的颈部。传感器节点结构见图4。

图4　传感器节点结构Fig.4　Structure of sensor nodes

在整个无线传感器系统中，网关节点一旦出现故障就会导致整个系统的瘫痪，它是连接环境节点和服务终端的纽带；体征监测节点用于测量奶牛的体征数据，同时能自动组织成网络；定位节点用于测量奶牛的位置数据。该研究主要针对定位节点进行基于RSSI均值校正的三边测量优化定位算法的改进应用。

目前，养殖场主要通过RFID技术来实现对奶牛位置的测定。由于RFID卡仅能找出事件的大体区域，不能主动与定位分站进行双向的通信。该研究考虑到环境等因素的影响，提出了基于RSSI均值校正的三边测量优化定位算法，对RSSI 进行均值校正，并通过经验模型将其转化为距离,采用三边测量法得出具体位置并发送定位结果至网络终端。

3.2定位功能的测试传感器节点部署如图5所示。图5中，矩形的边框代表牛圈四周的栅栏，已经确定位置坐标的信标节点安放在栅栏上，矩形的内部区域代表牛圈内的活动空间，未知节点则被布置在其中。栅栏上的信标节点之间任意组建多个三角形，只保留那些未知节点在其内部的特殊三角形，然后运用本文提出的基于RSSI均值校正的三边测量定位算法得出最后的定位结果。

图5　传感器节点部署Fig.5　Arrangement of sensor nodes

该研究在Matlab环境下对本文提出的基于RSSI均值校正的三边测量定位算法进行仿真，分析比对其试验结果。假设信标节点坐标已知，未知节点和信标节点分别被任意布置于矩形内部和边框上。仿真参数设置如下：①传感器节点布置在范围为1 000 m×1 000 m 的区域内；②通半径设为R=500；③n设为 4；④d0设为 1。

此次试验过程中节点总数保持不变，得出信标节点所占比重的变化与平均定位误差变动情况的仿真曲线关系图(图6)。从图6可以看出，基于RSSI均值校正的三边测量定位算法与传统的三边测量法相比，其定位更加精确，表明此算法是有优势和可行的。

4　结语

该研究介绍了无线传感器网络关键技术和传感器网络的节点定位技术，在分析RSSI测距误差影响因素和给出RSSI测距均值校正的基础上，提出了基于RSSI均值校正的三边测量定位优化算法，并进行了Matlab仿真试验。最后将此定位算法应用于CC2530 的无线传感器网络监测系统，选用成本低廉的DS18B20温度传感器和程序简便的SC0073脉搏传感器进行了奶牛体温和脉搏信息采集。从最终的测试结果可知，该研究提出的基于RSSI均值校正的三边测量定位优化算法优于三边测量法，完全满足奶牛健康状况管理和定位监控的要求。

图6　基于无线传感器网络的奶牛养殖管理定位系统定位效果 Fig.6　Positioning effect of dairy cattle farming management positioning system based on wireless sensor networks

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Dairy Cattle Farming Management Positioning System Based on Wireless Sensor Networks

TANG Hui1,2,FU Kang1,2,LIU Bo-ping1,2et al

(1. Jiangxi Institute of Computing Technology,Nanchang,Jiangxi 330003; 2. Software Engineering and Technology Research Center of Jiangxi Province,Nanchang,Jiangxi 330003)

In the dairy cattle farming management positioning system,a lot of sensor nodes were arranged within the monitoring scope of wireless sensor networks to collect surrounding environmental information that will be sent out after being processed. In this study,based on the analysis of factors influencing RSSI ranging error and correction of RSSI ranging mean,the optimization algorithm of trilateration localization based on the corrected RSSI was proposed,and the Matlab simulation experiment was conducted. Finally,the localization algorithm was applied to the design of dairy cattle health monitoring and positioning systems,and the results fully met the requirements of dairy cattle health status monitoring and positioning.

Wireless sensor networks; RSSI ranging; Dairy cattle farming management positioning system

国家科技支撑计划项目(2014BAD10B00，2014BAD10B05)。

汤辉(1989- )，男，江西吉安人，助理工程师，硕士，从事信息安全、信息系统检测研究。

2016-05-27

S 818.5

A

0517-6611(2016)21-232-03