基于ZigBee和GPS的生态养殖监测系统研究

杨廷来

摘要：该文针对生态养殖实时监测难度大、实施困难等问题，结合ZigBee技术、GPS定位及无线通信技术开发了一套监测系统。系统以CC2430为核心，通过牲畜携带终端结点采体温、环境温湿度及GPS坐标等参数，通过无线路由把数据上传至计算机，帮助养殖户对散养牲畜进行实时监测功能。经测试，该系统基本能够实现准确、快速、实时的监测目的，可在无人值守的情况下，自动监测散养牲畜体温及周边环境特征，并记录其位置，有利于及早发现生态养殖中牲畜的疾病，以便于实施有效监控。

关键词：生态养殖；Zigbee；GPS技术；疾病监测

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）36-0023-02

Abstract： This paper is aiming at the problems of difficult real-time monitoring of ecological farming and implementation difficulties， and a monitoring system was developed Based on ZigBee technology， GPS positioning and wireless communication technology. The system takes CC2430 as the core and uploads the data to the computer via wireless routing through parameters such as body temperature， humidity and GPS coordinates of the livestock carrying terminal node， which helps the farmers to monitor the free-range livestock in real time. After testing， the system can basically achieve the purpose of accurate， rapid and real-time monitoring. It can automatically monitor the body temperature and surrounding environment characteristics of free-ranged livestock and also can record its location under unattended conditions， which is good for early detection of livestock in ecological farming of the disease， and reach the goal of effective monitoring.

Key words： wild breeding； zigbee； GPS technology； disease surveillance

隨着科学技术的发展和“互联网+”时代的到来，先进的生产设备和智能化手段不断地发展并运用到农业生产、加工和流通等各领域，对我国农业现代化发展起到极大地推动作用。目前，温湿度监测和自动化环境控制系统在规模化养殖领域内已获得较为广泛的应用，利用传感器收集设定的指标参数，并通过线缆传输至监测中心，对圈养环境温湿度及疾病防治起到有效监测，能有效提高圈养养殖密度和产量。近年来，受生态理念的持续推广和食品安全事故频发的影响，人们越来越重视“舌尖上的安全”，生态放养的野生养殖模式正好契合了这种健康消费需求，逐渐成为生态农业的重要组成部分和流行趋势。与圈养相比，生态养殖的牲畜散养空间大、运动随机强，因此对其定位捕捉和疾病监测防治要困难许多，原有的监测系统并不适用。在生态农业发展的时代背景下，建立远程、连续、实时的牲畜疾病监测和定位系统，对于疫情预防和控制具有十分重要的作用，提高了生态养殖的效率。ZigBee和GPS定位技术的发展，为生态养殖的无线监测提供了支撑。其中，ZigBee技术是一种低复杂、低功耗、低速率、低成本且具备网络自组能力，通信可靠的近距离双向无线通信技术[1-3]。ZigBee技术采用IEEE802.15.4无线标准，可嵌入到各种设备中，与信号覆盖范围内的其他节点进行连接组网，实现多个节点设备间的数据无线传输。这就能够满足在生态养殖过程中，对家禽牲畜的实时健康、散养环境等状况进行远程监测，一旦出现异常，能够及时给出警报和提示。同时，由于加入了对GPS技术的运用，还可对牲畜所处位置进行实时定位，准确甄选并隔离出有异常状况的牲畜，达到疾监测和控制的作用。

1 系统结构设计

禽类或牲畜出现病症时，除了食欲不振、精神沉郁等可直接观察到的症状外，往往还伴随有非常明显的体温变化。基于此，可以搭建一套带有实时监测牲畜体温的信息传导机制，通过无线传输到监测中心，一旦输出的体温指标超过设定的正常范围就会发出警报提醒。同时，在该装置中增设GPS定位模块，满足野外实时定位功能。

本系统主要搭载动物体温采集、环境湿度采集和GPS定位数据采集三大功能模块，同时具备数据处理和阈值报警提醒功能。其中对温度采集精度要求较高，并要求具备较强的抗干扰能力。系统由终端设备、无线通信网络和监控中心组成。其中终端设备主要携带电池、温度传感器、温湿度传感器和GPS定位模块，用于自动采集野外牲畜的体温和其所在环境的温湿度等数据。终端设备用于采集相应的信息，并通过无线路由发送给协调器，再由协调器转发给监控中心电脑，协调器与个人电脑采用USB接口相连。由于本系统中的终端节点分布范围广且距离较远，需要尽可能的低功耗、低成本，需要寻找邻近的路由器进行转发，因而本系统宜采用树型通信网络。在树型网络拓扑结构的硬件实现上，一般包括协调器、路由器和终端节点三种设备。

2 硬件平台搭建

针对基于ZigBee的无线温湿度监测及定位系统，最重要的是數据采集准确、功耗低（要求设备独自持续工作数月甚至数年的能力），同时由于需要大量的节点，所以要求设备成本要求尽可能的低。其次在其他方面要求无线通信性能良好，实时性好，运行可靠，设备具有良好的扩展性。节点以CC2530主芯片为核心，采用DS18B20温度传感器、DHT11温湿度传感器传感采集体温和环境温湿度，同时加上GPS定位模块。

2.1 主板底板搭建

开发板主板包括核心板和底板，核心板以带有晶振和天线的CC2530芯片为中心搭建。CC2530共有40个引脚，21个通用I/O引脚，9个模拟电源和数字电源引脚、2个射频信号收发引脚、2个晶振连接引脚、一个连接偏置电阻引脚、一个复位引脚和四个未使用引脚以及一个接地引脚。底板主要为核心板的外设和接口，主板与底板通过插槽连接，除了满足作为信号接口传递信号的功能外，更多的是要将信号进行初步处理。

2.2 ZigBee节点硬件

协调器是一个全功能设备，硬件电路相对复杂。除ZigBee无线模块核心板外，还需配套外围电路。其中，外围电路即底板搭建，包括电源电路、复位电路、LED指示灯电路、按键电路、串口转USB电路和程序下载接口电路。路由节点在硬件上可以与协调器节点差异不大，尤其是当初期规模较小的时候，当大规模使用时，可在协调器节点基础上，留下芯片调试烧写接口，省去USB转串口和按键模块。终端节点作为精简功能设备，其硬件结构更加简单，只需在协调器节点基础上，去掉 RS232转USB电路、电源模块，加上DS18B20温度传感器、DHT11温湿度传感器和GPS定位模块。

3 系统软件实现

监测系统的软件系统主要通过Z-Stack协议栈编程实现满足Zigbee协议的应用程序。该过程包含Zigbee协调器的建网、各功能节点的入网、各协调器与节点之间的信息交流、各类子节点的数据监测控制与发送传输等。

在Zigbee网络系统中，建网为首要任务。通过利用协调器设备的应用层调用原语，发出网络组建的请求后，MAC层开始执行信道能量扫描，并在扫描过程中寻找到一个合适信道。在此过程中，系统随机选择的1个16位用于唯一标识的网络ID（PANID）分配至新建网络中，同时形成1个随机分配的16位短地址，MAC层接收到网络层PANID启动请求确认后，新的网络便组建成功。

网络组建成功后，接下来便是各节点入网。对于曾经加入过该网络的节点而言，系统会有一个验证过程。协调器通过检查节点发送的孤点通知来验证该设备是否为其子节点，若是，则直接通知该节点在网络中的地址，否则将其视为新设备。对于新的设备，节点通过网络扫描，将其可能加入网络父节点的Zigbee协议的版本、堆栈规范、网络ID等各类各加入信息存入相邻表，并发出加入请求。若该请求被应允，则会得到一个从父节点随机分配的16位网址，节点入网成功。

各协调器与节点之间通过建立查询机制实现信息交流。一旦各节点入网成功后，协调器与节点之间就完成了绑定操作。此时，协调器处于收发状态，节点进入查询状态，当用户向子节点发出带有采集或控制命令的信号时，协调器就会充当父节点将其对应的子节点数据进行缓冲保存。子节点每隔相同时间段向协调器发起查询，若有自己的数据则通信取回，并按数据信息执行相应操作；若无则开始新一轮查询。

数据监控与发送传输需配串口参数，通过VISA写命令要求节点数据发送。命令发出后，协调器把各子节点数据传至电脑，并在每次数据传输结束后自动触发检验程序，查看信息是否上传完整。若信息完整，将提取并保存各节点数据至数据库中，此后发出下一条命令协调器发送数据的VISA写命令，如此反复。如不完整，将直接重新启动发送命令要求重发。

4 运行测试

测试系统的硬件平台由一台笔记本电脑、两个分别作为协调器和路由器的全功能节点及一个充当终端设备的精简功能节点组成，终端功能节点由DS18B20、DHT11和UBLOX-GPS三个传感器模块组成，终端节点和路由器节点由电池供电。软件利用IAR开发环境、串口调试助手和SmartRF Flash Programmer辅助工具，采用树型网络拓扑结构。

本次测试选在空旷的广场进行，主要对环境温度进行采集，后期在实际应用中，加红外线测温结构即可。将底板程序下载口与仿真器连接，并由USB接口连接至个人电脑，利用IAR EW开发平台对协调器、路由器和终端节点进行重建后，将程序加载至CC2530芯片中。为满足测试需求和便利性，在终端节点程序中设定间隔时间为1分钟的周期性数学采集和发送函数。组网成功后，通过电脑上的串口调试助手观察到了协调器接收的数据，通过与实际数据对比结果正确。通过多次测试比较，定位数据误差较大，约为10米左右，对本研究而言，该误差属于合理范围，不影响实际使用效果。

5 结论

本无线监测系统经过多次调试和检测，各组网、节点和功能模块均能正常接入网络，并能建立稳定的数据采集和传输通讯模式，实现了体温、环境温湿度的远程监测及GPS定位预期目标，能够满足生态养殖监测的要求。本系统的构建将有利于改善现有传统圈养的牲畜疾病监测方式，实现对范围较广的散养牲畜进行城院实时生理参数指标的监控，对生态养殖起到保障作用。同时，由于受到多种条件限制，本系统在协调GPS模块精度及功耗平衡性，牲畜生理数据采集等方面还需进一步优化和提升。但随着本系统的不断完善和智慧养殖业发展对传感技术的推动，基于ZigBee和GPS技术的无线传感检测系统将对生态养殖产生重大影响。

参考文献：

[1] 陈斌，李世红，徐娜.适用于山区农业的ZigBee无线监测系统设计[J].湖北农业科学，2015（2）：457-460.

[2] 成跃进.现代卫星导航定位系统发展介绍[J].空间电子技术，2015（1）：17-25.

[3] Song Zhipeng.ZigBee network tree routing algorithm Based on energy balance[J]. International Journal of Smart Home，2015（4）：85-96.