基于ZigBee的畜牧體溫檢測裝置

李自航　賈運捷　趙宇虹　賴宇建　沈行良

摘 要：現(xiàn)代牧場的發(fā)展對監(jiān)控畜牧體溫狀況提出了更高要求。隨著ZigBee無線網(wǎng)絡技術的進步，組建基于ZigBee的低成本、高可靠性大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡成為可能。采用TI公司生產(chǎn)的CC2530單片機和PT100熱敏電阻、OTP-538非接觸紅外體溫傳感器，搭配上位機軟件和數(shù)據(jù)庫構成基于ZigBee的畜牧體溫檢測及無線傳送系統(tǒng)。此系統(tǒng)旨在提高畜牧飼養(yǎng)規(guī)范性、食用安全性、產(chǎn)品可靠性，使“現(xiàn)代牧場”科技化、高效化、可靠化。

關鍵詞：ZigBee；CC2530；溫度傳感器；體溫檢測；短距離無線網(wǎng)絡

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2163（2015）05-

A Kind of New Technology by Monitoring the Temperature of Livestock based on ZigBee and Wireless Transmission

LI Zihang， JIA Yunjie， ZHAO Yuhong， LAI Yujian， SHEN Xingliang

（School of Electronic and Electrical Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China）

Abstract： With the development of modern ranch， the health monitoring of livestock has also higher demands. Build an inexpensive and reliable wireless sensor network will be possible in pace with the progress of ZigBee wireless network. This design is composed of CC2530 micro-controller which produced by TI Company， PT100 thermistor， a collection of non-contact temperature sensor OTP-538， coordinating with PC software and database.This system aims at improving livestock feeding standard， food safety and product reliability， makes the "Modern Ranch" more technological， efficient and reliable.

Key words： ZigBee； CC2530； Temperature Sensor； Body Temperature Measuring； Wireless Network by Short Distance

0引 言

在現(xiàn)代生活中，食品安全問題引起了人們越來越高的關注。為適應人們對于蔬菜、肉類等食品的質(zhì)量及安全的追求，有機農(nóng)業(yè)逐漸興起，出現(xiàn)了諸如“現(xiàn)代牧場”、“智能農(nóng)場”的概念。就現(xiàn)代畜牧業(yè)的行業(yè)屬性而言，畜牧的生產(chǎn)力20%取決于品種，40%～50%取決于飼料，20%～30%取決于環(huán)境[1]。不適宜的環(huán)境溫度可導致畜牧生產(chǎn)力下降10%～30%。因此，規(guī)劃設計一個科學合理、監(jiān)測系統(tǒng)完備的現(xiàn)代牧場，對保證牧場的高效生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量有著舉足輕重的作用。

在各種研究構想中，傳感器和無線傳輸功能是“現(xiàn)代牧場”的重中之重。畜牧養(yǎng)殖過程中，常需要測定畜牧體溫以判別其生長狀況、健康狀況。而實際生產(chǎn)中，由于畜牧數(shù)量多、活動能力強，難以使用傳統(tǒng)玻璃水銀體溫計、紅外測溫槍等工具進行大批、多次測量并統(tǒng)計其結果數(shù)據(jù)。

ZigBee無線通信技術以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設備成本低、電池壽命長等優(yōu)勢，有效避免了采用有線網(wǎng)絡的布線及高成本問題[2]；TI公司開發(fā)的CC2530系列單片機是一款8位的、具有精簡指令集、同時兼具超低功耗的混合型單片機，具有很高的應用價值；PT100鉑熱電阻阻值隨溫度變化，具有較好的線性度；OTP-538非接觸紅外體溫傳感器利用紅外幅射測得溫度信號，而無需再與待測物體保持接觸，其測溫范圍為-20℃～100℃，符合實際測溫需求。采用上述設備及技術，研發(fā)的基于ZigBee的畜牧體溫檢測裝置所綜合呈現(xiàn)的體積小、低功耗、低成本、無線傳輸、實時監(jiān)測及報警、響應速度快等特點，即使其在“現(xiàn)代牧場”領域的智能監(jiān)控和全局應用中表現(xiàn)出了重要的效能優(yōu)勢和實際價值。線面即分別展開其相應研究綜述。

1 系統(tǒng)結構及特點

基于ZigBee的畜牧體溫檢測裝置主要由終端節(jié)點、中心節(jié)點、上位機軟件構成。其中，終端節(jié)點包括CC2530單片機模塊、電源模塊、天線模塊和溫度傳感器模塊；中心節(jié)點包括CC2530單片機模塊、電源模塊、天線模塊、RS-232串口；上位機軟件包括監(jiān)測軟件、數(shù)據(jù)庫軟件。

對于羊群a，有羊a1、a2、a3……an（其中n<=65 535）。將終端節(jié)點附著于羊身，其PT100鉑熱電阻傳感器探頭附著于合適的體溫測量點，或使用OTP-538紅外體溫傳感器探頭對準合適的體溫測量點。中心節(jié)點放置于牧場中心位置，與上位機通過RS-232串口連接。上位機監(jiān)測軟件及數(shù)據(jù)庫軟件與中心節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換，對其實現(xiàn)控制和管理操作。當進入工作狀態(tài)時，中心節(jié)點對終端節(jié)點進行ID分配并刷新，確保每個終端節(jié)點均可使用唯一的16位短地址進行通訊。溫度傳感器定時檢測到羊的體溫數(shù)據(jù)，并發(fā)送到上位機。上位機監(jiān)測軟件依據(jù)終端節(jié)點ID進行數(shù)據(jù)匯總和分析，并生成每只羊的體溫變化折線統(tǒng)計圖和羊群a的體溫特征餅狀圖及柱狀圖。當羊at體溫超出正常范圍時，監(jiān)測軟件界面彈出羊at體溫監(jiān)測結果和變化趨勢并報警提示，工作人員可根據(jù)監(jiān)測軟件數(shù)據(jù)判斷羊at的健康狀況。數(shù)據(jù)庫軟件與監(jiān)測軟件進行數(shù)據(jù)交換，儲存每只羊體溫監(jiān)測數(shù)據(jù)。工作人員對每只羊進行身份編號，繪制家譜關系、統(tǒng)計防疫及健康狀況，并上傳至數(shù)據(jù)庫。當消費者購買羊肉產(chǎn)品時，可通過其身份編號查詢羊的信息，確保對羊肉產(chǎn)品生產(chǎn)過程的追根溯源，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。其裝置具有如下特點：

（1）體積小。CC2530芯片集成了AD轉換和ZigBee功能，顯著控制了設備體積尺寸。PT100鉑熱電阻溫度傳感器和OTP-538紅外體溫傳感器均具有體積小、重量輕的特點，可置于牲畜體表而不影響其生活；

（2）低功耗。ZigBee協(xié)議具有低功耗特性，進入休眠狀態(tài)時其單片機電流僅郵4μA，發(fā)射和接收ZigBee信號時平均電流為35mA，使用7號鋰電池可持續(xù)工作6個月以上，避免頻繁更換電池的弊端；

（3）低成本。ZigBee通過大幅簡化協(xié)議，降低了對通信控制器的要求，使用8051內(nèi)核微控制器CC2530芯片，制造成本較低。而且，ZigBee協(xié)議免協(xié)議專利費的設計，更使得較之Bluetooth和Wi-Fi等無線通訊協(xié)議，即大大降低了其選用成本[3]；

（4）組網(wǎng)方便。通過ZigBee組網(wǎng)，本裝置擁有較多的節(jié)點數(shù)和冗余度，最大網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)可以達到65 536個，通訊距離也可以在標準的75m基礎上大大增加，覆蓋面更加延展，并且調(diào)整方便，通訊傳輸安全可靠[4]；

（5）實時監(jiān)測及報警。本裝置可自行組網(wǎng)以實現(xiàn)無線測量、無線傳輸、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計的功能；通過PC機可以實時監(jiān)測牲畜體溫，并記錄在數(shù)據(jù)庫中，當體溫偏離正常值，即可通過PC機軟件界面報警；

（6）響應速度快。ZigBee從睡眠轉入工作狀態(tài)一般只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30ms。相比較而言，Bluetooth需要3～10s、Wi-Fi需要3s。由于響應較快，也進一步降低了能耗。

2工作原理

基于ZigBee的畜牧體溫檢測裝置使用ZigBee低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，設計一種以傳感器、無線傳輸為基礎的集畜牧體溫采集、傳送、記錄等功能的解決方案。ZigBee具有自組織、低功耗、低成本、低復雜度的特性，在組網(wǎng)中可支持多達65 000個節(jié)點的大規(guī)模高可靠性網(wǎng)絡；PT100熱電阻溫度傳感器在0℃時電阻為100Ω，其阻值隨溫度線性變化[5]；OTP-538紅外線熱電堆傳感器利用西貝克效應及湯普森效應作為溫度感測的原理，通過紅外線的幅射即可得知溫度高低而不需與待測系統(tǒng)發(fā)生物理接觸，其正常檢測溫度范圍為-20℃～100℃[6]。

本裝置終端節(jié)點附著在畜牧體表，使用電池供電；中心節(jié)點通過RS-232通訊接口與上位機連接，使用外部電源供電。其終端節(jié)點通過溫度傳感器測得溫度信息，經(jīng)由CC2530單片機實現(xiàn)AD轉換，使用ZigBee無線網(wǎng)絡發(fā)送到中心節(jié)點。中心節(jié)點使用ZigBee無線網(wǎng)絡接收信號，通過RS-232通訊串口與上位機軟件連接并完成儲存、顯示相應數(shù)據(jù)并分析的功能；通過上位機軟件可以查看各節(jié)點數(shù)據(jù)，并實時監(jiān)測與管理，當數(shù)據(jù)偏離正常值時可立即報警。其硬件結構圖如圖1所示，其工作原理如圖2所示。

3 整體設計

3.1傳感器設計

據(jù)研究可知，羊正常體溫為38℃～39.5℃，牛正常體溫為37.5℃～39.5℃，豬的正常體溫為38℃～39.5℃，雞正常體溫為39.6℃～43.6℃，鴨正常體溫為41.0℃～42.5℃，鵝正常體溫為40.0℃～41.3℃，火雞正常體溫為41.0℃～41.2℃。據(jù)此，可認為大部分活體家禽體溫均在35℃～45℃之間，在此溫度范圍內(nèi)，使用PT100熱電阻溫度傳感器和OTP-538紅外線熱電堆傳感器，具有較高實用性。研究中，設計應用電路如圖3和圖4所示。

3.2網(wǎng)絡設計

短距離無線網(wǎng)絡技術己成為近年來研究熱點之一，基于Bluetooth，Wi-Fi和ZigBee等協(xié)議的無線網(wǎng)絡技術相繼問世。ZigBee以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設備成本低、電池壽命長等優(yōu)勢，在大規(guī)模組網(wǎng)領域中展現(xiàn)了巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ诖?，給出ZigBee、Bluetooth、Wi-Fi三種無線網(wǎng)絡協(xié)議特性比較如表1所示。

相較之下，ZigBee技術在功耗、網(wǎng)絡節(jié)點、傳輸距離和成本上具有無可比擬的應用優(yōu)勢。在低信噪比的環(huán)境下，ZigBee具有很強的抗干擾性能；在相同的環(huán)境中，ZigBee抗干擾性能則遠遠優(yōu)于Bluetooth和Wi-Fi。

3.3 單片機模塊設計

CC2530是用于2.4-GHz、IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE（家電遙控界標準）應用的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案[7]。具體來說，就是能夠以非常低的材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點。CC2530結合了領先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其它強大的功能。CC2530單片機常規(guī)電氣參數(shù)如表2所示，而圖5為CC2530核心板電路圖。

4 結束語

隨著技術日益成熟以及價格的走低，ZigBee無線網(wǎng)絡技術在眾多領域取代有線設備已是必然趨勢。本文基于CC2530單片機所設計的畜牧體溫檢測裝置是一種新型的畜牧健康監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效降低人工勞動成本，具有較高的實用性。利用上述設備組建大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡，可建立起星狀、網(wǎng)狀、樹狀等多種形式的網(wǎng)絡，距離更能有效延伸，在廣闊的牧場上具有更高的實用價值。

參考文獻：

[1]張大龍.濟南市畜牧業(yè)生產(chǎn)及動物疫病監(jiān)測系統(tǒng)的研究與建設[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學，2008.

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[3]章偉聰，俞新武，李忠成，等.基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設計無線網(wǎng)絡傳感器節(jié)點[J].計算機系統(tǒng)應用，2011，20（7）：184-187+120.

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[7]寧炳武.Zigbee網(wǎng)絡組網(wǎng)研究與實現(xiàn)[D].大連：大連理工大學，2007.