基于WSN的母羊體征監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

應(yīng)燁偉，曾松偉，趙阿勇，顏菲菲，楊建鋁

（浙江農(nóng)林大學(xué)，a.信息工程學(xué)院；b.動物科技學(xué)院，杭州 311300）

肉羊產(chǎn)業(yè)作為畜牧養(yǎng)殖業(yè)最重要的組成部分之一，為中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了極大的助力。隨著近年來肉羊養(yǎng)殖密度的增加，管理人員通過傳統(tǒng)觀測法并不能及時獲取母羊的體征信息，致使其健康狀況及日常運(yùn)動量得不到保障，發(fā)病數(shù)量急劇上升［1］。因此，急需一套便捷有效的監(jiān)測系統(tǒng)對母羊的日常體征進(jìn)行實時監(jiān)測，有助于盡早發(fā)現(xiàn)患病母羊。目前，對家畜的體征監(jiān)測主要以奶牛、母豬作為研究對象［2-6］，鮮有針對母羊的相關(guān)研究。尹令等［7］采用K型熱電偶監(jiān)測奶牛鼻孔內(nèi)體溫，將呼出氣體熱度的高低變化算作一次呼吸頻率，但當(dāng)奶牛在采食和飲水時，熱電偶易從鼻孔處掉落，且將傳感器置于動物體內(nèi)的監(jiān)測方案易導(dǎo)致其產(chǎn)生異常反應(yīng)。屈東東等［8］將實時采集的奶牛耳道邊沿溫度通過WIFI模組發(fā)送到服務(wù)器并存于數(shù)據(jù)庫，便于管理人員查詢，但當(dāng)傳輸距離超過80 m時，數(shù)據(jù)丟包率明顯增大。楊宇闐奕等［9］基于ZigBee技術(shù)設(shè)計了一套奶牛體征監(jiān)測系統(tǒng)，實時采集奶牛的體溫和加速度信息，但采集節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)之間的通信距離有限，導(dǎo)致管理人員無法便捷地進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。

綜上所述，已有的家畜體征監(jiān)測系統(tǒng)面臨采集裝置不牢固、傳輸距離受限等問題。本研究利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了一套基于WSN的母羊體征監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于STM32微處理器設(shè)計頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)并采用松緊布帶進(jìn)行固定，有效防止了節(jié)點(diǎn)設(shè)備的掉落。實時采集的體征數(shù)據(jù)通過ZigBee和GPRS技術(shù)組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸至云服務(wù)器，突破了傳輸距離的限制，使管理人員能隨時隨地登錄網(wǎng)頁查詢，大大提高了管理人員的工作效率。此外，采集到的體征參數(shù)也對建立母羊運(yùn)動量及健康評估模型具有十分重要的意義［10］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)通過松緊布帶佩戴于母羊頸部下方，并使用魔術(shù)貼來調(diào)整佩戴的舒適程度。節(jié)點(diǎn)內(nèi)部集成了溫度和加速度傳感器，可實時采集體征參數(shù)。采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線發(fā)送至協(xié)調(diào)器基站，該基站采用STM32為中央處理器，基于FreeRTOS實時操作系統(tǒng)運(yùn)行STemWin圖形界面應(yīng)用程序并控制GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器后端。云服務(wù)器將數(shù)據(jù)存儲于MySQL數(shù)據(jù)庫并在HTML網(wǎng)頁前端進(jìn)行顯示，方便管理人員查詢及下載。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控模塊

頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器基站均采用意法半導(dǎo)體集團(tuán)推出的STM32F103RCT6為主控芯片。該款芯片使用ARM Cortex-M3架構(gòu)，LQFP64封裝［11］，具有高性能、低功耗、體積小等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在輕小型設(shè)備上應(yīng)用。STM32最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 STM 32最小系統(tǒng)

2.2 體征參數(shù)采集模塊

該系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器和MPU6050加速度傳感器對母羊的體征狀況進(jìn)行實時監(jiān)測。DS18B20采用單總線數(shù)據(jù)通信方式，測溫范圍為-55～125℃，精度為（±0.5）℃，具有體積小、精度高、占用資源少、抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［12］。將DS18B20的感溫探頭置于頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)表面，當(dāng)母羊佩戴節(jié)點(diǎn)時，感溫探頭與母羊頸部密切接觸，有利于精確采集其體表溫度。MPU6050運(yùn)動處理組件通過I2C接口與STM32實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。AD0引腳懸空，則傳感器默認(rèn)地址為0x68。此外，MPU6050內(nèi)部集成了3軸加速度和3軸陀螺儀傳感器，大大降低了開發(fā)難度［13］。體征參數(shù)采集模塊接口電路如圖3所示。

圖3 體征參數(shù)采集模塊接口電路

2.3 無線傳輸模塊

羊棚內(nèi)數(shù)據(jù)的無線傳輸采用美國德州儀器的CC2530解決方案。分別將頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器基站中的ZigBee模塊設(shè)置為終端模式和協(xié)調(diào)器模式，組成星型無線傳感網(wǎng)絡(luò)［14］，通過板載PCB天線可實現(xiàn)300 m內(nèi)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，滿足羊場的實際需求。此外，低功耗的優(yōu)點(diǎn)也提升了節(jié)點(diǎn)的續(xù)航能力。

協(xié)調(diào)器基站通過有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司的GPRS模塊與云服務(wù)器之間進(jìn)行無線通信，基于SIM卡的4G流量和移動通信基站實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，不再受到距離的限制。ZigBee和GPRS均采用UART串口與STM32進(jìn)行交互，其接口電路如圖4所示。

圖4 無線傳輸模塊接口電路

2.4 存儲模塊

該系統(tǒng)在頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)中加入了TF卡存儲模塊，防止無線傳輸過程中丟包導(dǎo)致數(shù)據(jù)遺漏。存儲模塊電路原理如圖5所示。

圖5 存儲模塊電路原理

2.5 電源模塊

頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)的電源模塊必須滿足質(zhì)量小、續(xù)航持久等要求，本研究采用德玲達(dá)新能源科技電子廠生產(chǎn)的3.7 V∕6 800 mA·h鋰電池作為電源輸入，可確保頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)連續(xù)穩(wěn)定工作14 d左右。此外，選用XC6206P33轉(zhuǎn)壓芯片實現(xiàn)3.7 V至3.3 V的低壓差穩(wěn)壓［15］，其電路原理如圖6所示。

圖6 頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)電源模塊電路原理

協(xié)調(diào)器基站采用12 V∕1 A適配器作為電源輸入，選用MP1470和LM2596實現(xiàn)5.0 V和3.3 V的轉(zhuǎn)壓，其電路原理如圖7所示。

圖7 協(xié)調(diào)器基站電源模塊電路原理

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

下位機(jī)軟件主要包含頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器基站兩部分。頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)基于STM32微處理器首先初始化各個功能外設(shè)及模塊，再掛載TF存儲卡并建立基于終端節(jié)點(diǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。組網(wǎng)成功后，基于數(shù)字型溫度傳感器DS18B20實時采集母羊的體溫信息。通過軟件將加速度傳感器MPU6050的量程設(shè)置為（±2）g，實時監(jiān)測加速度變化。采集完成后，將數(shù)據(jù)打包存入TF卡并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送。

協(xié)調(diào)器基站基于STM32運(yùn)行FreeRTOS+STem-Win圖形界面實時操作系統(tǒng)。初始化各個功能模塊后，協(xié)調(diào)器基站與頸環(huán)終端節(jié)點(diǎn)建立連接，組成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，接收頸環(huán)終端節(jié)點(diǎn)實時發(fā)送的數(shù)據(jù)包并解析。此外，協(xié)調(diào)器基站還需控制配置好IP和端口號的GPRS模塊發(fā)送服務(wù)器連接請求。連接成功后，基于TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器后端。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件主要包含云服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)頁前端3部分。云服務(wù)器端采用Java編程語言，通過Socket類監(jiān)聽GPRS的連接狀態(tài)。連接成功后，創(chuàng)建新的處理線程并基于TCP協(xié)議實現(xiàn)上下位機(jī)之間的通信，最終將接收到的數(shù)據(jù)通過JDBC接口分類并持久化存入MySQL數(shù)據(jù)庫。

基于HTML編寫網(wǎng)頁前端，首先判斷用戶注冊登錄信息的有效性，再根據(jù)用戶信息校驗其權(quán)限，若有權(quán)限則從MySQL數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)并在網(wǎng)頁前端顯示，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的增刪改查。此外，還提供了本地的數(shù)據(jù)存儲功能。軟件系統(tǒng)工作流程如圖8所示。

圖8 軟件系統(tǒng)工作流程

4 測試與分析

試驗在浙江省湖州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院某湖羊養(yǎng)殖基地進(jìn)行。羊棚長50 m，寬10 m，劃分為左右各10個欄，每個欄中圈養(yǎng)5只母羊，欄與欄之間的圍墻高1 m，厚0.3 m。從中隨機(jī)挑選5只體型相近、分布離散的母羊作為試驗對象，為其佩戴頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行系統(tǒng)測試。

4.1 頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)

頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)及固定方式如圖9所示。節(jié)點(diǎn)尺寸為75 mm×75 mm×25 mm，總質(zhì)量為189 g。整個節(jié)點(diǎn)封裝在一個密閉防水塑料盒中，通過松緊布帶固定于母羊頸部下方。將節(jié)點(diǎn)所在位置定為三維空間坐標(biāo)原點(diǎn)，則三軸加速度傳感器的+X、+Y、+Z軸分別指向母羊正前方、正右方、重力方向。

圖9 頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)及固定方式

通過觀看羊棚監(jiān)控錄像發(fā)現(xiàn)，母羊在佩戴頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)初期會出現(xiàn)互相撕咬松緊布帶、剮蹭欄桿等異常行為，但在經(jīng)過24 h適應(yīng)期后，其異常行為基本消失不見。因此，頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)不會對母羊的日常行為產(chǎn)生影響。此外，經(jīng)過一個月的監(jiān)測，頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)依舊牢固地綁在母羊頸部下方并穩(wěn)定地采集體征數(shù)據(jù)，沒有因日常行為活動而面臨掉落的風(fēng)險，具有較好的實用性。

4.2 溫度測試

在羊棚環(huán)境中，將高精度手持測溫儀AS837采集的數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)溫度，對頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)的DS18B20溫度傳感器進(jìn)行測溫誤差計算。本研究采用實時平均數(shù)算法來提高傳感器的測溫精度，即頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)每分鐘采集6個溫度數(shù)據(jù)，去掉最大值和最小值，剩余4個數(shù)據(jù)求取平均值以代表1 min內(nèi)的平均溫度。計算相對誤差=（測量溫度-標(biāo)準(zhǔn)溫度）∕標(biāo)準(zhǔn)溫度，其結(jié)果見表1。由表1可知，標(biāo)準(zhǔn)溫度表現(xiàn)出逐步上升的趨勢，而測量溫度也同步表現(xiàn)出上升趨勢，且相對誤差均小于1%。因此，DS18B20溫度傳感器能夠精準(zhǔn)地采集母羊體溫信息，為母羊的異常體溫監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。

表1 測量溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度對比

4.3 無線傳輸及丟包率測試

將協(xié)調(diào)器基站放置于羊棚中心位置，與頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)組成星型無線傳感網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行體征數(shù)據(jù)的實時采集和無線傳輸?；赥CP協(xié)議實現(xiàn)上下位機(jī)間的通信，將體征數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器并顯示于網(wǎng)頁前端，便于管理人員瀏覽及查詢，大大節(jié)省了人力，提高了工作效率。網(wǎng)頁顯示效果如圖10所示。

圖10 網(wǎng)頁前端信息發(fā)布平臺

為了驗證基于ZigBee和GPRS技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)能否滿足羊場的實際需求，本研究進(jìn)行了不同距離下的丟包率測試。頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)的采樣頻率為1 Hz，將每次采集到的數(shù)據(jù)存入60個字節(jié)的結(jié)構(gòu)體中并發(fā)送至協(xié)調(diào)器基站。協(xié)調(diào)器基站每隔60 s發(fā)送1次體征數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包的大小為3 600個字節(jié)。在距離羊棚100、500、1 000、3 000、5 000 m的地方分別登陸網(wǎng)頁統(tǒng)計接收到的體征數(shù)據(jù)，計算4 h內(nèi)數(shù)據(jù)經(jīng)過ZigBee和GPRS兩次傳輸后丟失的字節(jié)數(shù)。丟包率=（發(fā)送字節(jié)數(shù)-接收字節(jié)數(shù)）∕發(fā)送字節(jié)數(shù)，其測試結(jié)果如表2所示。由表2可知，3 000 m內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)丟包率隨著傳輸距離的增加而逐漸增大，但超過3 000 m后，數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)丟包率沒有顯著增加，逐漸趨于穩(wěn)定，且最大丟包率不超過4%，因此該傳輸方式能較好地應(yīng)用于羊場。ZigBee和GPRS技術(shù)的應(yīng)用打破了無線通信傳輸距離的限制，只要周邊存在移動基站即可保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，也為遠(yuǎn)距離通信提供了一種解決方案。

表2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)丟包率測試

5 結(jié)論

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)畜牧業(yè)之間的關(guān)系越來越密切。傳統(tǒng)人為觀測母羊健康狀況的方法，費(fèi)時費(fèi)力且不能及時發(fā)現(xiàn)患病羊。本研究設(shè)計了一套基于WSN的母羊體征監(jiān)測系統(tǒng)，通過頸環(huán)采集節(jié)點(diǎn)內(nèi)的傳感器實時采集母羊的體溫信息，再基于ZigBee和GPRS技術(shù)組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸至云服務(wù)器并存入數(shù)據(jù)庫，最終在網(wǎng)頁前端顯示。經(jīng)過測試，采集的體溫數(shù)據(jù)相對誤差及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)丟包率均較低，滿足羊場的使用需求。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對母羊體征參數(shù)的實時監(jiān)測及遠(yuǎn)距離傳輸，解放了養(yǎng)殖場的勞動力，提高了管理人員的工作效率。此外，該系統(tǒng)采集的體征參數(shù)解決了發(fā)現(xiàn)患病羊的滯后性問題，對建立母羊運(yùn)動量及健康評估模型具有十分重要的意義。