杜永興 展鏢 李寶山 秦嶺

摘 要： 通過 ZigBee技術(shù)、GPS定位追蹤技術(shù)和遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)，設(shè)計一款在沒有人工干預(yù)的情況下，能自動監(jiān)測草原牧場上牛群數(shù)量和牛群位置的系統(tǒng)，并提出一種提高系統(tǒng)監(jiān)測準(zhǔn)確率的策略。該設(shè)計不僅能解決牧民遠(yuǎn)距離統(tǒng)計牛群數(shù)量的問題，而且還通過GPS技術(shù)獲取經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，根據(jù)這些經(jīng)緯度數(shù)據(jù)估算出牛群在生長過程中走過的所有路程，為草原散養(yǎng)牛肉提供間接證明。

關(guān)鍵詞： ZigBee； GPS； GPRS； 無線網(wǎng)絡(luò)； 遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號： TN915?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）08?0138?04

Design of grassland cattle monitoring system based on ZigBee and GPS

DU Yongxing， ZHAN Biao， LI Baoshan， QIN Ling

（School of Information Engineering， Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014010， China）

Abstract： On the basis of ZigBee technology， GPS positioning and tracking technology， and remote wireless communication technology， a system without manual intervention which can automatically monitor the cattle quantity and cattle position on the grassland was designed. A strategy to improve the system monitoring accuracy is proposed. The system can solve the problem of remote cattle quantity statistics for herdsmen， and acquire the latitude and longitude data by means of GPS technology. According to these data， the journey of the cattle in their growth process is estimated， which provides the indirect proof for realization of the grassland free?ranging cattle.

Keywords： ZigBee； GPS； GPRS； wireless network； remote monitoring

0 引 言

內(nèi)蒙古草原草肥水美，是國家重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地。由于得天獨厚的自然資源，養(yǎng)牛業(yè)在內(nèi)蒙古畜牧業(yè)中占有重要的地位，不僅增加了當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民的經(jīng)濟(jì)收入，而且每年還向全國各地輸送了大量的優(yōu)質(zhì)牛肉。然而，內(nèi)蒙古草原畜牧業(yè)生產(chǎn)過程中存在著各種問題，諸如科學(xué)管理水平化低，生產(chǎn)效率不高等。在內(nèi)蒙古草原養(yǎng)牛畜牧業(yè)生產(chǎn)過程中，牛群被放入水草充足的牧場以后在沒有特殊情況下要長時間在草場上進(jìn)食，牧民想要遠(yuǎn)距離統(tǒng)計當(dāng)前牧場上牛群的數(shù)量，目前還沒有一個有效的、科學(xué)化的方法。這樣就會造成牛群中有牛丟失不能及時被牧民發(fā)覺，給牧民造成經(jīng)濟(jì)損失。由于動物運動的隨機(jī)性，正確監(jiān)測到每頭牛是否脫離牛群的結(jié)果尤為困難。另外，草原放養(yǎng)牛群由于吃的是天然牧草，飲用的是自然清泉，又在不停地走動，所以相對于圈養(yǎng)牛肉，散養(yǎng)牛肉更加健康，并且肉質(zhì)鮮美，富有營養(yǎng)，受到廣大肉類消費者青睞；但是，市場上牛肉類有很多，不法商販以次充好蒙騙消費者，消費者在面臨選擇時沒有一個有效的辦法辨別散養(yǎng)牛肉還是圈養(yǎng)牛肉。 針對這種情況，本文利用ZigBee技術(shù)、GPS衛(wèi)星定位追蹤技術(shù)和遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)設(shè)計一種系統(tǒng)，其能夠在沒有人工干預(yù)的情況下，自動監(jiān)測草原牧場上牛群的數(shù)量和牛群的位置，并提出一種在牛群中隨機(jī)加入路由節(jié)點，提高系統(tǒng)監(jiān)測準(zhǔn)確率的策略，同時能夠向牛肉消費者間接提供是散養(yǎng)牛肉還是圈養(yǎng)牛肉的信息。

1 ZigBee和GPS技術(shù)簡介

近年來，隨著社會信息化、家庭智能化和工業(yè)自動化等領(lǐng)域?qū)o線通信和數(shù)據(jù)傳輸需求的日益增長，ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)作為一種全新的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)運而生，并展示出迅猛發(fā)展的良好勢頭，引起了國內(nèi)外廣大科技工作者的極大興趣和關(guān)注。ZigBee技術(shù)是一種具有低速率、近距離、低復(fù)雜度、低成本、通信可靠和網(wǎng)絡(luò)容量大等特點的無線通信技術(shù)[1?3]。ZigBee的通信網(wǎng)絡(luò)由三種類型的節(jié)點組成：協(xié)調(diào)器節(jié)點（ZC）、路由器節(jié)點（ZR）和終端設(shè)備節(jié)點（ZD）[4]。

全球定位系統(tǒng) （GPS） 技術(shù)是由美國研發(fā)、建立。隨著GPS技術(shù)日益成熟和完善，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，涉及到軍事、航海、航天、農(nóng)業(yè)等許多領(lǐng)域。自從美國改變其GPS政策以后，許多民用GPS模塊定位精度可以達(dá)到5 m以內(nèi)[5]。該系統(tǒng)由位于地面的監(jiān)控部分，空中衛(wèi)星以及用戶接收設(shè)備三部分組成。其定位原理主要是測量無線電信號從地面接收機(jī)傳播到天空中衛(wèi)星的時間乘以光速得到兩者之間距離，然后結(jié)合其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)，就可確定接收機(jī)所處具體位置。草原環(huán)境地勢平坦幾乎沒有高大建筑物，而且在草原這種大面積的區(qū)域內(nèi)，GPS定位精度完全符合要求。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計系統(tǒng)是通過建立ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)，通過GPS全球定位系統(tǒng)，獲取牛群所在地理位置的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，完成遠(yuǎn)距離實時統(tǒng)計草原牧場上牛群數(shù)量及實時監(jiān)測牛群所處位置，并可根據(jù)經(jīng)緯度計算出牛群在整個生長過程中所行走公里數(shù)，從而確定牛群生長環(huán)境。系統(tǒng)主要由一號系統(tǒng)、二號系統(tǒng)和終端節(jié)點三部分組成。一號系統(tǒng)包括主控芯片、ZigBee協(xié)調(diào)器、GPS模塊、無線遠(yuǎn)程通信（GPRS）模塊。

無線遠(yuǎn)程通信（GPRS）模塊、GPS模塊、協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口分別與主控芯片連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；協(xié)調(diào)器節(jié)點通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)分別與終端節(jié)點、二號系統(tǒng)路由節(jié)點連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；二號系統(tǒng)包括主控芯片和ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點和路由節(jié)點，終端節(jié)點通過串口與第二主控芯片連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；路由節(jié)點通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)和終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。終端節(jié)點負(fù)責(zé)向一號系統(tǒng)協(xié)調(diào)器節(jié)點或者向二號系統(tǒng)路由器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的整體構(gòu)架圖如圖1所示。

本文系統(tǒng)的實施方案是給牛群的頭牛佩戴一號系統(tǒng)，在牛群中隨機(jī)找到幾頭牛（除頭牛外）佩戴二號系統(tǒng)，剩下的牛佩戴終端節(jié)點。終端節(jié)點通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和ZigBee協(xié)調(diào)器通信，通信的內(nèi)容是能夠代表佩戴該節(jié)點的牛的編號。主控芯片根據(jù)協(xié)調(diào)器節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)，分析判斷出當(dāng)前牧場上牛群的數(shù)量，GPS模塊采集經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程無線通信模塊把牛群的數(shù)量和經(jīng)緯度數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行存儲，農(nóng)牧民通過查閱這些數(shù)據(jù)便可得知當(dāng)前牧場上牛群的數(shù)量和位置信息。

本文所設(shè)計系統(tǒng)需要長時間工作在無人值守的空曠草原地區(qū)，因此保證系統(tǒng)判斷準(zhǔn)確率是本次系統(tǒng)設(shè)計的核心。為了提高系統(tǒng)監(jiān)測準(zhǔn)確率，利用ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢，提出在多次查找后仍有查找不到的編號時，自動開啟隨機(jī)分布在牛群中二號系統(tǒng)上的路由節(jié)點，通過路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的方式把數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，以此來提高系統(tǒng)的監(jiān)測準(zhǔn)確率。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計概述

系統(tǒng)的主控芯片是美國德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的一款16位RISC混合信號處理器MSP430F149。該芯片突出的特點是：低電源電壓，超低功耗、5種低功耗模式，可在6 μs之內(nèi)快速從待機(jī)模式喚醒[6?7]。在本文設(shè)計中，由于MSP430F149單片機(jī)只有2個串口，其中一個設(shè)計為遠(yuǎn)程無線通信模塊，另一個采用74LS244雙線總線控制器虛擬轉(zhuǎn)化為兩個串口，與GPS模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而達(dá)到串口分時復(fù)用的目的。單片機(jī)外圍及串口分時復(fù)用電路如圖2所示。

在本文設(shè)計系統(tǒng)中主控單片機(jī)的主要功能是：

（1） 比較、分析協(xié)調(diào)器節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)。

（2） 轉(zhuǎn)換GPS模塊采集的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的格式。

（3） 控制GPS模塊開關(guān)機(jī)和遠(yuǎn)程通信模塊睡眠與喚醒。

ZigBee節(jié)點的硬件型號選用CC2530號芯片，是一個真正用于IEEE802.15.4和ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)解決方案。提供了一種可靠而又低廉的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)建方式[8]。該芯片還集成了51單片機(jī)內(nèi)核，內(nèi)存為256 KB，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性[9]。在本文所設(shè)計系統(tǒng)中通過CC2530和CC2591相結(jié)合的設(shè)計增加了RF發(fā)射功率，使ZigBee節(jié)點間的直接通信距離達(dá)到了260～300 m。遠(yuǎn)程無線通信模塊選用SIMCOM推出新款緊湊型產(chǎn)品—SIM900A，它是一個專門為中國大陸設(shè)計的雙頻GSM/GPRS模塊。SIM900A采用省電技術(shù)設(shè)計，在SLEEP模式下電流[10]只有1.0 mA。該模塊還內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，方面數(shù)據(jù)傳輸。在本文設(shè)計的系統(tǒng)中，不需要和上位機(jī)通信時，該部分處于睡眠狀態(tài)。SIM900A外圍電路見圖3。

GPS模塊采用U?blox公司的GPS芯片，該芯片數(shù)據(jù)刷新頻率小于1 s，定位精度小于10 m。在本文設(shè)計系統(tǒng)中，在沒有經(jīng)緯度數(shù)據(jù)請求時，通過主控模塊控制其供電電路使該模塊處于關(guān)機(jī)狀態(tài)。其供電電路設(shè)計如圖4所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計分為三個部分：一號系統(tǒng)軟件設(shè)計部分，二號系統(tǒng)軟件設(shè)計部分、終端節(jié)點軟件設(shè)計部分。

4.1 一號系統(tǒng)和二號系統(tǒng)軟件設(shè)計

一號系統(tǒng)開機(jī)，將牛群中每頭牛的編號存儲到一號系統(tǒng)主控芯片中，初始化系統(tǒng)。一號系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點建立網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建立完成后，開始等待終端節(jié)點或路由節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。二號系統(tǒng)的終端節(jié)點和系統(tǒng)的其他終端節(jié)點加入一號系統(tǒng)協(xié)調(diào)器節(jié)點已經(jīng)建立的網(wǎng)絡(luò)，然后開始向協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送編號信息，二號系統(tǒng)的路由節(jié)點此時是處于關(guān)機(jī)狀態(tài)。終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后向一號系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送代表佩戴該終端節(jié)點牛的編號。協(xié)調(diào)器節(jié)點將收到編號通過串口發(fā)送到一號系統(tǒng)的主控芯片，主控芯片將收到的編號與存儲的編號作比較。當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點接收到的編號信息和主控芯片所存儲的編號信息相等時，稱為正常狀態(tài)；當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點接收到的編號信息和主控芯片所存儲的編號信息不相等時，稱為不正常狀態(tài)。當(dāng)一號系統(tǒng)的主控芯片判斷到連續(xù)的三次不正常狀態(tài)時，把三次不正常狀態(tài)的編號取交集，當(dāng)三次不正常狀態(tài)的編號交集為空，則視為正常狀態(tài)。當(dāng)三次不正常狀態(tài)交集不為空時，一號系統(tǒng)的主控芯片將三次不正常狀態(tài)編號的交集進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的編號信息通過串口通信發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點開始向ZigBee網(wǎng)絡(luò)中所有終端節(jié)點廣播這些編號的交集。

當(dāng)二號系統(tǒng)的終端節(jié)點收到協(xié)調(diào)器節(jié)點廣播的編號時，將收到編號通過串口通信發(fā)送到二號系統(tǒng)的主控芯片。當(dāng)二號系統(tǒng)的主控芯片根據(jù)所收到編號的格式判定所收到的編號不是協(xié)調(diào)器節(jié)點廣播的一號系統(tǒng)的判斷結(jié)果時，二號系統(tǒng)不做任何響應(yīng)；當(dāng)二號系統(tǒng)的主控芯片根據(jù)所收到編號的格式判定所收到的編號是協(xié)調(diào)器節(jié)點廣播的一號系統(tǒng)的判斷結(jié)果時，觸發(fā)二號系統(tǒng)的路由節(jié)點開機(jī)。

當(dāng)二號系統(tǒng)路由節(jié)點開機(jī)后，所有終端節(jié)點向協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送編號時都是經(jīng)過二號系統(tǒng)的路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的。協(xié)調(diào)器節(jié)點在收到路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)后，一號系統(tǒng)的主控芯片在收到的編號中查找是否有交集中的編號，如果有交集中的全部編號，則認(rèn)為這些編號處于正常狀態(tài)。如果有交集的某個或者某幾個編號，則認(rèn)為某個或者某幾個編號是處于正常狀態(tài)的。當(dāng)一號系統(tǒng)在分析出牛群中各頭牛處于的狀態(tài)后，一號系統(tǒng)的主控芯片控制GPS模塊開機(jī)，采集經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，并將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)通過串口通信發(fā)送到一號系統(tǒng)的主控芯片。一號系統(tǒng)的主控芯片把經(jīng)緯度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成簡單易懂的格式后，控制無線遠(yuǎn)程通信（GPRS）模塊開機(jī)，并把一號系統(tǒng)主控芯片判斷的結(jié)果和經(jīng)緯度數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。一號系統(tǒng)和二號各個部分軟件設(shè)計流程如圖5所示。

4.2 終端節(jié)點軟件設(shè)計

終端節(jié)點的軟件流程如圖6所示。終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)以后會進(jìn)入睡眠模式，此睡眠模式可由外部中斷或者定時器喚醒。當(dāng)終端節(jié)點被喚醒后就會執(zhí)行相應(yīng)的操作。

4.3 實驗結(jié)果

系統(tǒng)的設(shè)計與制作完成后，在實驗室條件下進(jìn)行了測試。終端節(jié)點每隔5 min通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)向系統(tǒng)發(fā)一次數(shù)據(jù)，系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)后執(zhí)行相應(yīng)的命令。圖7是三組試驗數(shù)據(jù)，第一組數(shù)據(jù)是所有終端節(jié)點都在安全通信范圍內(nèi)，系統(tǒng)判斷結(jié)果是safe；第二組數(shù)據(jù)是把代表1號牛的終端節(jié)點關(guān)閉，把代表2，3號牛的終端節(jié)點放到節(jié)點間直接安全通信范圍以外，經(jīng)過系統(tǒng)判斷，報告發(fā)現(xiàn)編號為1的牛不在安全范圍以內(nèi)，這組數(shù)據(jù)說明隨機(jī)分布的帶有路由節(jié)點的二號系統(tǒng)可以把更遠(yuǎn)距離的終端節(jié)點信息轉(zhuǎn)發(fā)到一號系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點；第三組數(shù)據(jù)是關(guān)閉代表1，2，3號牛的終端節(jié)點，系統(tǒng)通過判斷發(fā)現(xiàn)編號為1，2，3的牛不在安全通信范圍內(nèi)。在20頭牛集體放牧中進(jìn)行測試，帶有路由節(jié)點的二號系統(tǒng)隨機(jī)佩戴3套，系統(tǒng)監(jiān)測準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

在無人值守的空曠草原地區(qū)，常常會由于終端節(jié)點距離協(xié)調(diào)器節(jié)點較遠(yuǎn)，或者節(jié)點被一些障礙物遮擋而使ZigBee網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度變?nèi)酰瑢?dǎo)致ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點不能及時的將編號信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，造成系統(tǒng)監(jiān)測準(zhǔn)確率下降。

本文通過在牛群中隨機(jī)找到幾頭牛佩戴帶有ZigBee路由節(jié)點的二號系統(tǒng)，有效地解決了這一問題，提高了系統(tǒng)監(jiān)測準(zhǔn)確率。另外，由于牛群中每頭牛都有惟一的、能夠區(qū)別其他牛的編號，這樣農(nóng)牧民就能清楚的知道牛群中哪頭牛丟失了，并且可以根據(jù)緯度數(shù)據(jù)確定牛丟失的地點，為尋找丟失的牛提供了依據(jù)，通過該系統(tǒng)極大地保護(hù)了農(nóng)牧民財產(chǎn)安全，在為農(nóng)牧民節(jié)省人力物力的同時，增加經(jīng)濟(jì)了收入。

5 結(jié) 語

根據(jù)草原環(huán)境以及草原牧民獨特的放牧特點，提出利用ZigBee技術(shù)、GPS衛(wèi)星定位追蹤技術(shù)和GPRS技術(shù)相結(jié)合的方式設(shè)計遠(yuǎn)程牛群監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)了對牧場上牛群數(shù)量和位置信息的有效監(jiān)測。設(shè)計系統(tǒng)不僅使牧民能夠及時準(zhǔn)確地獲得牧場上牛群的信息，節(jié)省大量的人力物力，而且有利于牧民及時發(fā)現(xiàn)牧場上的險情，減少財產(chǎn)損失。本文所設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、佩戴方便、成本低廉，為草原畜牧業(yè)生產(chǎn)、提高農(nóng)牧民收入有重要的促進(jìn)作用。

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