基于ZigBee技術(shù)的奶牛定位系統(tǒng)組網(wǎng)方案研究

蘇中濱，王學(xué)進，沈維政，張喜海，秦月陽，耿忻元

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 150030）

近年來,隨著中國畜牧業(yè)快速發(fā)展，黑龍江省的奶牛業(yè)已具規(guī)模，呈逐年上升趨勢，但多數(shù)奶牛場由于缺乏有效的監(jiān)測管理機制，當(dāng)奶牛出現(xiàn)生理參數(shù)異常，例如，疾病和發(fā)情等，飼養(yǎng)員無法及時發(fā)現(xiàn)異常奶牛并找到其準確位置，直接降低其年產(chǎn)奶量，造成經(jīng)濟損失[1]。因此，應(yīng)用傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)建立奶牛生理參數(shù)監(jiān)測的識別定位系統(tǒng)，不但可以及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)測奶牛的異常情況，而且可以及時準確定位異常奶牛，并進行及時治療，延長其壽命，提高奶牛的產(chǎn)奶量。

由于奶牛佩戴的監(jiān)測設(shè)備要求滿足基本數(shù)據(jù)傳輸還要能在外界長時間進行數(shù)據(jù)采集且較少更換，這就要求必須采用耗能低且價格低廉的無線傳輸技術(shù)，ZigBee無疑是最好的選擇，這也是本研究選擇ZigBee技術(shù)進行組網(wǎng)定位的重要原因。目前，ZigBee技術(shù)在畜牧生產(chǎn)上的應(yīng)用并不多，尹令等[2]研究設(shè)計基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的奶牛行為特征監(jiān)測系統(tǒng)，劉新明等[3]組建CC2431+CC2430的奶牛定位網(wǎng)絡(luò)，周文罕等[4]組建基于ZigBee的奶牛個體信息識別及定位系統(tǒng)，但針對大規(guī)模養(yǎng)殖場的定位系統(tǒng)組網(wǎng)方案和參考節(jié)點部署研究較少。

1 ZigBee技術(shù)優(yōu)勢和組網(wǎng)介紹

1.1 ZigBee技術(shù)優(yōu)勢

ZigBee技術(shù)是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無線傳輸。ZigBee技術(shù)有如下特點：工作周期短、收發(fā)功耗較低、無數(shù)據(jù)傳輸時采用休眠模式，兩節(jié)五號電池支持長達6個月到2年左右的使用時間[5]。采用碰撞避免CSMA-CA機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留專用時隙。MAC層采用確認數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。芯片普及以后價格非常低，且ZigBee無協(xié)議專利費。針對時延敏感應(yīng)用進行優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。典型的搜索設(shè)備時延為30 ms，休眠激活的時延是15 ms，活動設(shè)備信道接入時延為15 ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制等應(yīng)用。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個從設(shè)備和一個主設(shè)備[6]，采用AES-128對稱加密算法。

利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行定位，主要是應(yīng)用測定RSSI值的測距定位技術(shù)，根據(jù)RSSI（信號衰減值）轉(zhuǎn)換距離，然后進行定位，下表是主要的測距定位技術(shù)性能比較。從上表可以看出，盡管基于ZigBee技術(shù)的RSSI定位精度較低，但在短距離傳輸、系統(tǒng)功耗、開發(fā)成本等其他方面明顯優(yōu)于其他的方法。

表1 各類測距定位技術(shù)Table 1 All kinds of ranging and positioning technology

1.2 ZigBee組網(wǎng)介紹

1.2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型

ZigBee采用自組織(Ad-hoc)方式組網(wǎng)，這種架構(gòu)被稱為無基礎(chǔ)架構(gòu)的無線局域網(wǎng)(Ad-hoc Wireless LAN)，這種架構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部物理設(shè)備的數(shù)量不加限制，可以隨時建立無線通信連接[7]。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，支持兩種類型的節(jié)點設(shè)備：全功能設(shè)備（FFD）和簡化的功能設(shè)備（RFD）。

同時，還可分為三種邏輯設(shè)備類型：Coordinator(協(xié) 調(diào) 器)，Router(路 由 器)和End-Device(終端設(shè)備)。其中協(xié)調(diào)器和路由器屬于全功能設(shè)備范疇，ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個Coordinator以及多個Router和多個End-Device組成[8]。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)Fig.1 ZigBee network schematic

圖1是一個簡單的ZigBee網(wǎng)絡(luò)示意圖。其中黑色節(jié)點為Coordinator，灰色節(jié)點為Router，白色節(jié)點為End-Device。

1.2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

ZigBee常用的拓撲結(jié)構(gòu)主要有以下幾種：

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Network topology

一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只能有一個協(xié)調(diào)器（主控節(jié)點），再由若干個路由器（參考節(jié)點）和若干個終端設(shè)備（終端節(jié)點）共同構(gòu)成?；诘凸牡囊螅瑢⑴Ｉ砩系墓?jié)點全部做成簡化功能設(shè)備（終端節(jié)點），終端節(jié)點沒有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，只能和主控節(jié)點或參考節(jié)點進行通訊，這樣進一步降低能耗。本系統(tǒng)選擇的是mesh網(wǎng)，主要考慮mesh網(wǎng)絡(luò)的對等自組網(wǎng)特性，優(yōu)于其他的拓撲結(jié)構(gòu)。

2 組網(wǎng)方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)需求

本系統(tǒng)針對奶牛進行定位，奶牛自身體積較大，定位的精度要求在5～10 m即可。在進行定位的同時要兼顧網(wǎng)絡(luò)傳輸功能和效率，因此必須將數(shù)據(jù)分散式計算處理。同時由于奶牛佩戴的設(shè)備需要長時間使用，需要盡可能降低功耗，延長設(shè)備使用的周期。最后要保證定位時間較短，數(shù)據(jù)及時發(fā)送，系統(tǒng)的主要需求歸納為：

①定位精度保證在5 m×5 m的方格中即可。

②定位數(shù)據(jù)處理集中在傳終端節(jié)點，分散數(shù)據(jù)計算量。

③低功耗，保證數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)哪芎妮^低。

④及時性，保證定位時間較短，定位數(shù)據(jù)傳輸及時。

通過分析，選擇支持ZigBee/802.15.4的CC2430無線通信模塊進行組建網(wǎng)絡(luò)。CC2430是一個真正的系統(tǒng)芯片（SOC），滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對低成本、低功耗的要求，且喚醒時間短，滿足及時性的要求[9]。它結(jié)合一個2.4 GHz的高性能直接序列擴頻（DSSS）射頻收發(fā)器核心和一顆小巧8051高效的工業(yè)級控制器，滿足穩(wěn)定性和計算需求。

2.2 方案設(shè)計與比較

基于上述需求，本文設(shè)計的WSN定位系統(tǒng)是在CC2430無線通信模塊硬件基礎(chǔ)上進行設(shè)計與實現(xiàn)的。主要由CC2430無線通信模塊、MSP430開發(fā)板、ZigBee精簡版協(xié)議棧代碼、CC2430無線通信模塊軟件開發(fā)平臺IAR 7.0組成。

定位系統(tǒng)中包括三類節(jié)點設(shè)備：主控節(jié)點（協(xié)調(diào)器）、參考節(jié)點（路由器）、終端節(jié)點（終端設(shè)備）。在系統(tǒng)中，主控節(jié)點負責(zé)初始化網(wǎng)絡(luò)，并完成集結(jié)數(shù)據(jù)，然后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)進行轉(zhuǎn)發(fā)，傳輸?shù)絇C機上，進行數(shù)據(jù)庫的存儲；參考節(jié)點負責(zé)向終端節(jié)點提供已知的自身位置坐標，并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，協(xié)助終端設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸和定位；終端節(jié)點指奶牛身上的移動設(shè)備，用于采集奶牛生理信息和計算位置信息，并傳給主控節(jié)點。同時，由于能耗原因，主控節(jié)點和參考節(jié)點選擇使用太陽能電池供電，而終端節(jié)點使用電池供電。定位網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

基于以上需求，根據(jù)主流的幾種定位系統(tǒng)方案研究，提出以下三種定位系統(tǒng)組網(wǎng)方案，并做出比較，評價其優(yōu)缺點，結(jié)果如表1所示。

圖3 定位網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.3 Location network topology

表2 系統(tǒng)組網(wǎng)方案比較Table 2 Comparison of system networking solutions

通過分析，考慮到大規(guī)模養(yǎng)殖場的使用成本，本文選擇基于RSSI的CC2430+自主開發(fā)定位算法的解決方案，所有節(jié)點使用CC2430進行ZigBee通信，進行網(wǎng)狀（mesh）網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，然后對終端節(jié)點進行定位算法設(shè)計開發(fā)。

2.3 節(jié)點部署設(shè)計

在對節(jié)點的部署設(shè)計方面，主要考慮兩方面：一方面是在確保一定覆蓋范圍下，用最少節(jié)點數(shù)；一方面是采用合理的路由能耗管理協(xié)議，盡可能降低能耗[10]。在現(xiàn)有的路由協(xié)議中，為了節(jié)能通常使用基于網(wǎng)格的路由協(xié)議，它是基于以上兩方面通過控制大部分節(jié)點睡眠模式進行節(jié)能的。本文選取的PPEG是一種基于網(wǎng)格的能量感知和位置感知路由能耗管理算法[11]，與傳統(tǒng)提出的僅感知剩余能量的FPALA協(xié)議不同，它是通過將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分為若干個正方形網(wǎng)格，在正方形網(wǎng)格中心設(shè)定參考節(jié)點，然后根據(jù)能量和傳輸范圍比值，選取傳輸路徑，而不參與傳輸?shù)墓?jié)點則繼續(xù)睡眠，從而節(jié)省更多能量，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

根據(jù)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的通用原理，求覆蓋所有面積時的最小圓數(shù)量n及所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的位置，算法主要是基于解正多邊形的外接圓心。本文主要使用基于正方形（即網(wǎng)格）的外接圓心方法。帶在奶牛身上的終端節(jié)點，在低能耗功率下，一般傳輸半徑為60～100 m[12]，本文選取終端節(jié)點傳輸半徑R為70 m，網(wǎng)絡(luò)邊長d為300 m，構(gòu)造300 m×300 m的WSN網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示：

圖4 300 m×300 m的WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署Fig.4 300 m×300 m WSN Network deployed nodes

當(dāng)時，最少有9個參考點，可以覆蓋整個區(qū)域，終端節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中都可以和參考節(jié)點進行通訊。在這里，主控節(jié)點必須與相鄰的八個網(wǎng)格中心參考節(jié)點能保持通信，如果以規(guī)則圖形為例，主控節(jié)點則選擇幾何中心，且主控節(jié)點和參考節(jié)點通信半徑達到2R。

2.4 路由協(xié)議仿真

本文在OMNeT++平臺上進行WSN網(wǎng)絡(luò)的仿真，仿真中用到的參數(shù)見表3。本文采用兩種模擬場景，場景1中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的區(qū)域面積小300 m×300 m，場景2為監(jiān)測大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，面積為500 m×500 m，通信半徑都選取70 m，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署按圖4所用的方法。

仿真的結(jié)果如圖5、圖6所示,藍色線是PPEG，粉色是FPALA，隨著時間的增加，平均節(jié)點的剩余能量隨之下降，在前期消耗中，PPEG和FPALA協(xié)議對節(jié)點剩余能量的影響差異并不明顯，此時的節(jié)點能量較為充足，影響較?。欢衅陔S著節(jié)點能量的下降，節(jié)點平均能量消耗加速下降，PPEG和FPALA協(xié)議對節(jié)點剩余能量的影響也體現(xiàn)出來，PPEG明顯優(yōu)于FPALA協(xié)議，而在比較兩個網(wǎng)絡(luò)后，節(jié)點密集的網(wǎng)絡(luò)中，PPEG的優(yōu)勢體現(xiàn)更加明顯，相比節(jié)省的能量也增加的更多；在后期由于節(jié)點消亡，能量趨勢又逐漸平緩，差別逐漸縮小。

表3 仿真節(jié)點參數(shù)Table 3 Parameters of simulation node

圖5 (300 m×300 m)節(jié)點能耗Fig.5 (300 m×300 m)Nodeenergy consumption chart

圖6 (500 m×500 m)節(jié)點能耗Fig.6 (500 m×500 m)Node energy consumption chart

3 結(jié)論

研究討論了幾種主流的無線定位網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案，并在保證一定精度的情況下，選擇低能耗、低成本的CC2430+自主開發(fā)定位算法的RSSI組網(wǎng)方案，采用支持ZigBee協(xié)議的CC2430模塊，進行mesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。通過覆蓋范圍內(nèi)基于網(wǎng)格節(jié)點部署節(jié)省參考節(jié)點數(shù)量，并用路由能耗管理協(xié)議的應(yīng)用對所部署的網(wǎng)絡(luò)進行能耗仿真，結(jié)果證明此方案在PPEG協(xié)議下能實現(xiàn)較少參考節(jié)點、低能耗的系統(tǒng)需求，為下一步建立定位系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

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