基于ZigBee和GPS的草原牛群监测系统的设计

杜永兴 展镖 李宝山 秦岭

摘 要： 通过 ZigBee技术、GPS定位追踪技术和远程无线通信技术，设计一款在没有人工干预的情况下，能自动监测草原牧场上牛群数量和牛群位置的系统，并提出一种提高系统监测准确率的策略。该设计不仅能解决牧民远距离统计牛群数量的问题，而且还通过GPS技术获取经纬度数据，根据这些经纬度数据估算出牛群在生长过程中走过的所有路程，为草原散养牛肉提供间接证明。

关键词： ZigBee； GPS； GPRS； 无线网络； 远程监控

中图分类号： TN915?34 文献标识码： A 文章编号： 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

内蒙古草原草肥水美，是国家重要的畜牧业生产基地。由于得天独厚的自然资源，养牛业在内蒙古畜牧业中占有重要的地位，不仅增加了当地农牧民的经济收入，而且每年还向全国各地输送了大量的优质牛肉。然而，内蒙古草原畜牧业生产过程中存在着各种问题，诸如科学管理水平化低，生产效率不高等。在内蒙古草原养牛畜牧业生产过程中，牛群被放入水草充足的牧场以后在没有特殊情况下要长时间在草场上进食，牧民想要远距离统计当前牧场上牛群的数量，目前还没有一个有效的、科学化的方法。这样就会造成牛群中有牛丢失不能及时被牧民发觉，给牧民造成经济损失。由于动物运动的随机性，正确监测到每头牛是否脱离牛群的结果尤为困难。另外，草原放养牛群由于吃的是天然牧草，饮用的是自然清泉，又在不停地走动，所以相对于圈养牛肉，散养牛肉更加健康，并且肉质鲜美，富有营养，受到广大肉类消费者青睐；但是，市场上牛肉类有很多，不法商贩以次充好蒙骗消费者，消费者在面临选择时没有一个有效的办法辨别散养牛肉还是圈养牛肉。 针对这种情况，本文利用ZigBee技术、GPS卫星定位追踪技术和远程无线通信技术设计一种系统，其能够在没有人工干预的情况下，自动监测草原牧场上牛群的数量和牛群的位置，并提出一种在牛群中随机加入路由节点，提高系统监测准确率的策略，同时能够向牛肉消费者间接提供是散养牛肉还是圈养牛肉的信息。

1 ZigBee和GPS技术简介

近年来，随着社会信息化、家庭智能化和工业自动化等领域对无线通信和数据传输需求的日益增长，ZigBee协议标准作为一种全新的无线传感网络技术应运而生，并展示出迅猛发展的良好势头，引起了国内外广大科技工作者的极大兴趣和关注。ZigBee技术是一种具有低速率、近距离、低复杂度、低成本、通信可靠和网络容量大等特点的无线通信技术[1?3]。ZigBee的通信网络由三种类型的节点组成：协调器节点（ZC）、路由器节点（ZR）和终端设备节点（ZD）[4]。

全球定位系统 （GPS） 技术是由美国研发、建立。随着GPS技术日益成熟和完善，其应用领域越来越广，涉及到军事、航海、航天、农业等许多领域。自从美国改变其GPS政策以后，许多民用GPS模块定位精度可以达到5 m以内[5]。该系统由位于地面的监控部分，空中卫星以及用户接收设备三部分组成。其定位原理主要是测量无线电信号从地面接收机传播到天空中卫星的时间乘以光速得到两者之间距离，然后结合其他卫星数据，就可确定接收机所处具体位置。草原环境地势平坦几乎没有高大建筑物，而且在草原这种大面积的区域内，GPS定位精度完全符合要求。

2 系统总体结构设计

本文所设计系统是通过建立ZigBee通信网络，通过GPS全球定位系统，获取牛群所在地理位置的经纬度数据，完成远距离实时统计草原牧场上牛群数量及实时监测牛群所处位置，并可根据经纬度计算出牛群在整个生长过程中所行走公里数，从而确定牛群生长环境。系统主要由一号系统、二号系统和终端节点三部分组成。一号系统包括主控芯片、ZigBee协调器、GPS模块、无线远程通信（GPRS）模块。

无线远程通信（GPRS）模块、GPS模块、协调器节点通过串口分别与主控芯片连接，实现数据交换；协调器节点通过ZigBee网络分别与终端节点、二号系统路由节点连接，实现数据交换；二号系统包括主控芯片和ZigBee网络中的终端节点和路由节点，终端节点通过串口与第二主控芯片连接，实现数据交换；路由节点通过ZigBee网络和终端节点、协调器节点连接，实现数据交换。终端节点负责向一号系统协调器节点或者向二号系统路由器节点发送数据。系统的整体构架图如图1所示。

本文系统的实施方案是给牛群的头牛佩戴一号系统，在牛群中随机找到几头牛（除头牛外）佩戴二号系统，剩下的牛佩戴终端节点。终端节点通过ZigBee无线网络和ZigBee协调器通信，通信的内容是能够代表佩戴该节点的牛的编号。主控芯片根据协调器节点接收到的数据，分析判断出当前牧场上牛群的数量，GPS模块采集经纬度数据，远程无线通信模块把牛群的数量和经纬度数据发送到上位机进行存储，农牧民通过查阅这些数据便可得知当前牧场上牛群的数量和位置信息。

本文所设计系统需要长时间工作在无人值守的空旷草原地区，因此保证系统判断准确率是本次系统设计的核心。为了提高系统监测准确率，利用ZigBee技术的优势，提出在多次查找后仍有查找不到的编号时，自动开启随机分布在牛群中二号系统上的路由节点，通过路由转发数据的方式把数据发送到协调器节点，以此来提高系统的监测准确率。

3 系统硬件设计概述

系统的主控芯片是美国德州仪器公司（TI）生产的一款16位RISC混合信号处理器MSP430F149。该芯片突出的特点是：低电源电压，超低功耗、5种低功耗模式，可在6 μs之内快速从待机模式唤醒[6?7]。在本文设计中，由于MSP430F149单片机只有2个串口，其中一个设计为远程无线通信模块，另一个采用74LS244双线总线控制器虚拟转化为两个串口，与GPS模块、ZigBee协调器节点进行数据通信，从而达到串口分时复用的目的。单片机外围及串口分时复用电路如图2所示。

在本文设计系统中主控单片机的主要功能是：

（1） 比较、分析协调器节点接收到的数据。

（2） 转换GPS模块采集的经纬度数据的格式。

（3） 控制GPS模块开关机和远程通信模块睡眠与唤醒。

ZigBee节点的硬件型号选用CC2530号芯片，是一个真正用于IEEE802.15.4和ZigBee应用的片上系统解决方案。提供了一种可靠而又低廉的网络节点构建方式[8]。该芯片还集成了51单片机内核，内存为256 KB，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性[9]。在本文所设计系统中通过CC2530和CC2591相结合的设计增加了RF发射功率，使ZigBee节点间的直接通信距离达到了260～300 m。远程无线通信模块选用SIMCOM推出新款紧凑型产品—SIM900A，它是一个专门为中国大陆设计的双频GSM/GPRS模块。SIM900A采用省电技术设计，在SLEEP模式下电流[10]只有1.0 mA。该模块还内嵌TCP/IP协议，方面数据传输。在本文设计的系统中，不需要和上位机通信时，该部分处于睡眠状态。SIM900A外围电路见图3。

GPS模块采用U?blox公司的GPS芯片，该芯片数据刷新频率小于1 s，定位精度小于10 m。在本文设计系统中，在没有经纬度数据请求时，通过主控模块控制其供电电路使该模块处于关机状态。其供电电路设计如图4所示。

4 系统软件设计

软件设计分为三个部分：一号系统软件设计部分，二号系统软件设计部分、终端节点软件设计部分。

4.1 一号系统和二号系统软件设计

一号系统开机，将牛群中每头牛的编号存储到一号系统主控芯片中，初始化系统。一号系统的协调器节点建立网络，网络建立完成后，开始等待终端节点或路由节点加入网络。二号系统的终端节点和系统的其他终端节点加入一号系统协调器节点已经建立的网络，然后开始向协调器节点发送编号信息，二号系统的路由节点此时是处于关机状态。终端节点加入网络后向一号系统的协调器节点发送代表佩戴该终端节点牛的编号。协调器节点将收到编号通过串口发送到一号系统的主控芯片，主控芯片将收到的编号与存储的编号作比较。当协调器节点接收到的编号信息和主控芯片所存储的编号信息相等时，称为正常状态；当协调器节点接收到的编号信息和主控芯片所存储的编号信息不相等时，称为不正常状态。当一号系统的主控芯片判断到连续的三次不正常状态时，把三次不正常状态的编号取交集，当三次不正常状态的编号交集为空，则视为正常状态。当三次不正常状态交集不为空时，一号系统的主控芯片将三次不正常状态编号的交集进行格式转换，并将转换后的编号信息通过串口通信发送到协调器节点，协调器节点开始向ZigBee网络中所有终端节点广播这些编号的交集。

当二号系统的终端节点收到协调器节点广播的编号时，将收到编号通过串口通信发送到二号系统的主控芯片。当二号系统的主控芯片根据所收到编号的格式判定所收到的编号不是协调器节点广播的一号系统的判断结果时，二号系统不做任何响应；当二号系统的主控芯片根据所收到编号的格式判定所收到的编号是协调器节点广播的一号系统的判断结果时，触发二号系统的路由节点开机。

当二号系统路由节点开机后，所有终端节点向协调器节点发送编号时都是经过二号系统的路由节点转发的。协调器节点在收到路由节点转发的数据后，一号系统的主控芯片在收到的编号中查找是否有交集中的编号，如果有交集中的全部编号，则认为这些编号处于正常状态。如果有交集的某个或者某几个编号，则认为某个或者某几个编号是处于正常状态的。当一号系统在分析出牛群中各头牛处于的状态后，一号系统的主控芯片控制GPS模块开机，采集经纬度数据，并将经纬度数据通过串口通信发送到一号系统的主控芯片。一号系统的主控芯片把经纬度数据转换成简单易懂的格式后，控制无线远程通信（GPRS）模块开机，并把一号系统主控芯片判断的结果和经纬度数据发送到上位机。一号系统和二号各个部分软件设计流程如图5所示。

4.2 终端节点软件设计

终端节点的软件流程如图6所示。终端节点加入网络以后会进入睡眠模式，此睡眠模式可由外部中断或者定时器唤醒。当终端节点被唤醒后就会执行相应的操作。

4.3 实验结果

系统的设计与制作完成后，在实验室条件下进行了测试。终端节点每隔5 min通过ZigBee网络向系统发一次数据，系统收到数据后执行相应的命令。图7是三组试验数据，第一组数据是所有终端节点都在安全通信范围内，系统判断结果是safe；第二组数据是把代表1号牛的终端节点关闭，把代表2，3号牛的终端节点放到节点间直接安全通信范围以外，经过系统判断，报告发现编号为1的牛不在安全范围以内，这组数据说明随机分布的带有路由节点的二号系统可以把更远距离的终端节点信息转发到一号系统的协调器节点；第三组数据是关闭代表1，2，3号牛的终端节点，系统通过判断发现编号为1，2，3的牛不在安全通信范围内。在20头牛集体放牧中进行测试，带有路由节点的二号系统随机佩戴3套，系统监测准确率达到100%。

在无人值守的空旷草原地区，常常会由于终端节点距离协调器节点较远，或者节点被一些障碍物遮挡而使ZigBee网络信号强度变弱，导致ZigBee网络中的终端节点不能及时的将编号信息发送到协调器节点，造成系统监测准确率下降。

本文通过在牛群中随机找到几头牛佩戴带有ZigBee路由节点的二号系统，有效地解决了这一问题，提高了系统监测准确率。另外，由于牛群中每头牛都有惟一的、能够区别其他牛的编号，这样农牧民就能清楚的知道牛群中哪头牛丢失了，并且可以根据纬度数据确定牛丢失的地点，为寻找丢失的牛提供了依据，通过该系统极大地保护了农牧民财产安全，在为农牧民节省人力物力的同时，增加经济了收入。

5 结 语

根据草原环境以及草原牧民独特的放牧特点，提出利用ZigBee技术、GPS卫星定位追踪技术和GPRS技术相结合的方式设计远程牛群监管系统，实现了对牧场上牛群数量和位置信息的有效监测。设计系统不仅使牧民能够及时准确地获得牧场上牛群的信息，节省大量的人力物力，而且有利于牧民及时发现牧场上的险情，减少财产损失。本文所设计的系统结构简单、佩戴方便、成本低廉，为草原畜牧业生产、提高农牧民收入有重要的促进作用。

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