基于WSN的母羊体征监测系统设计与实现

应烨伟，曾松伟，赵阿勇，颜菲菲，杨建铝

（浙江农林大学，a.信息工程学院；b.动物科技学院，杭州 311300）

肉羊产业作为畜牧养殖业最重要的组成部分之一，为中国经济发展提供了极大的助力。随着近年来肉羊养殖密度的增加，管理人员通过传统观测法并不能及时获取母羊的体征信息，致使其健康状况及日常运动量得不到保障，发病数量急剧上升［1］。因此，急需一套便捷有效的监测系统对母羊的日常体征进行实时监测，有助于尽早发现患病母羊。目前，对家畜的体征监测主要以奶牛、母猪作为研究对象［2-6］，鲜有针对母羊的相关研究。尹令等［7］采用K型热电偶监测奶牛鼻孔内体温，将呼出气体热度的高低变化算作一次呼吸频率，但当奶牛在采食和饮水时，热电偶易从鼻孔处掉落，且将传感器置于动物体内的监测方案易导致其产生异常反应。屈东东等［8］将实时采集的奶牛耳道边沿温度通过WIFI模组发送到服务器并存于数据库，便于管理人员查询，但当传输距离超过80 m时，数据丢包率明显增大。杨宇阗奕等［9］基于ZigBee技术设计了一套奶牛体征监测系统，实时采集奶牛的体温和加速度信息，但采集节点和上位机之间的通信距离有限，导致管理人员无法便捷地进行远程监测。

综上所述，已有的家畜体征监测系统面临采集装置不牢固、传输距离受限等问题。本研究利用物联网技术构建了一套基于WSN的母羊体征监测系统。该系统基于STM32微处理器设计颈环采集节点并采用松紧布带进行固定，有效防止了节点设备的掉落。实时采集的体征数据通过ZigBee和GPRS技术组成的无线传感网络传输至云服务器，突破了传输距离的限制，使管理人员能随时随地登录网页查询，大大提高了管理人员的工作效率。此外，采集到的体征参数也对建立母羊运动量及健康评估模型具有十分重要的意义［10］。

1 系统总体设计

系统总体功能结构如图1所示。颈环采集节点通过松紧布带佩戴于母羊颈部下方，并使用魔术贴来调整佩戴的舒适程度。节点内部集成了温度和加速度传感器，可实时采集体征参数。采集到的数据通过ZigBee无线发送至协调器基站，该基站采用STM32为中央处理器，基于FreeRTOS实时操作系统运行STemWin图形界面应用程序并控制GPRS模块将数据传输至服务器后端。云服务器将数据存储于MySQL数据库并在HTML网页前端进行显示，方便管理人员查询及下载。

2 系统硬件设计

2.1 主控模块

颈环采集节点和协调器基站均采用意法半导体集团推出的STM32F103RCT6为主控芯片。该款芯片使用ARM Cortex-M3架构，LQFP64封装［11］，具有高性能、低功耗、体积小等优点，非常适合在轻小型设备上应用。STM32最小系统如图2所示。

图2 STM 32最小系统

2.2 体征参数采集模块

该系统采用DS18B20温度传感器和MPU6050加速度传感器对母羊的体征状况进行实时监测。DS18B20采用单总线数据通信方式，测温范围为-55～125℃，精度为（±0.5）℃，具有体积小、精度高、占用资源少、抗干扰性能强等优点［12］。将DS18B20的感温探头置于颈环采集节点表面，当母羊佩戴节点时，感温探头与母羊颈部密切接触，有利于精确采集其体表温度。MPU6050运动处理组件通过I2C接口与STM32实现数据通信。AD0引脚悬空，则传感器默认地址为0x68。此外，MPU6050内部集成了3轴加速度和3轴陀螺仪传感器，大大降低了开发难度［13］。体征参数采集模块接口电路如图3所示。

图3 体征参数采集模块接口电路

2.3 无线传输模块

羊棚内数据的无线传输采用美国德州仪器的CC2530解决方案。分别将颈环采集节点和协调器基站中的ZigBee模块设置为终端模式和协调器模式，组成星型无线传感网络［14］，通过板载PCB天线可实现300 m内数据的稳定传输，满足羊场的实际需求。此外，低功耗的优点也提升了节点的续航能力。

协调器基站通过有人物联网技术有限公司的GPRS模块与云服务器之间进行无线通信，基于SIM卡的4G流量和移动通信基站实现数据传输，不再受到距离的限制。ZigBee和GPRS均采用UART串口与STM32进行交互，其接口电路如图4所示。

图4 无线传输模块接口电路

2.4 存储模块

该系统在颈环采集节点中加入了TF卡存储模块，防止无线传输过程中丢包导致数据遗漏。存储模块电路原理如图5所示。

图5 存储模块电路原理

2.5 电源模块

颈环采集节点的电源模块必须满足质量小、续航持久等要求，本研究采用德玲达新能源科技电子厂生产的3.7 V∕6 800 mA·h锂电池作为电源输入，可确保颈环采集节点连续稳定工作14 d左右。此外，选用XC6206P33转压芯片实现3.7 V至3.3 V的低压差稳压［15］，其电路原理如图6所示。

图6 颈环采集节点电源模块电路原理

协调器基站采用12 V∕1 A适配器作为电源输入，选用MP1470和LM2596实现5.0 V和3.3 V的转压，其电路原理如图7所示。

图7 协调器基站电源模块电路原理

3 系统软件设计

3.1 下位机软件设计

下位机软件主要包含颈环采集节点和协调器基站两部分。颈环采集节点基于STM32微处理器首先初始化各个功能外设及模块，再挂载TF存储卡并建立基于终端节点的ZigBee网络。组网成功后，基于数字型温度传感器DS18B20实时采集母羊的体温信息。通过软件将加速度传感器MPU6050的量程设置为（±2）g，实时监测加速度变化。采集完成后，将数据打包存入TF卡并通过ZigBee网络进行发送。

协调器基站基于STM32运行FreeRTOS+STem-Win图形界面实时操作系统。初始化各个功能模块后，协调器基站与颈环终端节点建立连接，组成星型拓扑结构的无线传感网络，接收颈环终端节点实时发送的数据包并解析。此外，协调器基站还需控制配置好IP和端口号的GPRS模块发送服务器连接请求。连接成功后，基于TCP协议将数据发送至云服务器后端。

3.2 上位机软件设计

上位机软件主要包含云服务器、数据库、网页前端3部分。云服务器端采用Java编程语言，通过Socket类监听GPRS的连接状态。连接成功后，创建新的处理线程并基于TCP协议实现上下位机之间的通信，最终将接收到的数据通过JDBC接口分类并持久化存入MySQL数据库。

基于HTML编写网页前端，首先判断用户注册登录信息的有效性，再根据用户信息校验其权限，若有权限则从MySQL数据库中读取数据并在网页前端显示，实现数据的增删改查。此外，还提供了本地的数据存储功能。软件系统工作流程如图8所示。

图8 软件系统工作流程

4 测试与分析

试验在浙江省湖州市农业科学研究院某湖羊养殖基地进行。羊棚长50 m，宽10 m，划分为左右各10个栏，每个栏中圈养5只母羊，栏与栏之间的围墙高1 m，厚0.3 m。从中随机挑选5只体型相近、分布离散的母羊作为试验对象，为其佩戴颈环采集节点并进行系统测试。

4.1 颈环采集节点

颈环采集节点及固定方式如图9所示。节点尺寸为75 mm×75 mm×25 mm，总质量为189 g。整个节点封装在一个密闭防水塑料盒中，通过松紧布带固定于母羊颈部下方。将节点所在位置定为三维空间坐标原点，则三轴加速度传感器的+X、+Y、+Z轴分别指向母羊正前方、正右方、重力方向。

图9 颈环采集节点及固定方式

通过观看羊棚监控录像发现，母羊在佩戴颈环采集节点初期会出现互相撕咬松紧布带、剐蹭栏杆等异常行为，但在经过24 h适应期后，其异常行为基本消失不见。因此，颈环采集节点不会对母羊的日常行为产生影响。此外，经过一个月的监测，颈环采集节点依旧牢固地绑在母羊颈部下方并稳定地采集体征数据，没有因日常行为活动而面临掉落的风险，具有较好的实用性。

4.2 温度测试

在羊棚环境中，将高精度手持测温仪AS837采集的数据作为标准温度，对颈环采集节点的DS18B20温度传感器进行测温误差计算。本研究采用实时平均数算法来提高传感器的测温精度，即颈环采集节点每分钟采集6个温度数据，去掉最大值和最小值，剩余4个数据求取平均值以代表1 min内的平均温度。计算相对误差=（测量温度-标准温度）∕标准温度，其结果见表1。由表1可知，标准温度表现出逐步上升的趋势，而测量温度也同步表现出上升趋势，且相对误差均小于1%。因此，DS18B20温度传感器能够精准地采集母羊体温信息，为母羊的异常体温监测奠定了基础。

表1 测量温度与标准温度对比

4.3 无线传输及丢包率测试

将协调器基站放置于羊棚中心位置，与颈环采集节点组成星型无线传感网络，进行体征数据的实时采集和无线传输。基于TCP协议实现上下位机间的通信，将体征数据传输至服务器并显示于网页前端，便于管理人员浏览及查询，大大节省了人力，提高了工作效率。网页显示效果如图10所示。

图10 网页前端信息发布平台

为了验证基于ZigBee和GPRS技术的无线传感网络能否满足羊场的实际需求，本研究进行了不同距离下的丢包率测试。颈环采集节点的采样频率为1 Hz，将每次采集到的数据存入60个字节的结构体中并发送至协调器基站。协调器基站每隔60 s发送1次体征数据包，每个数据包的大小为3 600个字节。在距离羊棚100、500、1 000、3 000、5 000 m的地方分别登陆网页统计接收到的体征数据，计算4 h内数据经过ZigBee和GPRS两次传输后丢失的字节数。丢包率=（发送字节数-接收字节数）∕发送字节数，其测试结果如表2所示。由表2可知，3 000 m内的网络丢包率随着传输距离的增加而逐渐增大，但超过3 000 m后，数据的网络丢包率没有显著增加，逐渐趋于稳定，且最大丢包率不超过4%，因此该传输方式能较好地应用于羊场。ZigBee和GPRS技术的应用打破了无线通信传输距离的限制，只要周边存在移动基站即可保证数据的稳定传输，也为远距离通信提供了一种解决方案。

表2 无线传感网络丢包率测试

5 结论

随着信息技术的发展，物联网技术与农业畜牧业之间的关系越来越密切。传统人为观测母羊健康状况的方法，费时费力且不能及时发现患病羊。本研究设计了一套基于WSN的母羊体征监测系统，通过颈环采集节点内的传感器实时采集母羊的体温信息，再基于ZigBee和GPRS技术组成无线传感网络，将数据传输至云服务器并存入数据库，最终在网页前端显示。经过测试，采集的体温数据相对误差及系统的网络丢包率均较低，满足羊场的使用需求。该系统实现了对母羊体征参数的实时监测及远距离传输，解放了养殖场的劳动力，提高了管理人员的工作效率。此外，该系统采集的体征参数解决了发现患病羊的滞后性问题，对建立母羊运动量及健康评估模型具有十分重要的意义。