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：現代牧場的發展對監控畜牧體溫狀況提出了更高要求。隨著ZigBee無線網絡技術的進步，組建基于ZigBee的低成本、高可靠性大規模無線傳感器網絡成為可能。采用TI公司生產的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據庫構成基于ZigBee的畜牧體溫檢測及無線傳送系統。此系統旨在提高畜牧飼養規范性、食用安全性、產品可靠性，使“現代牧場”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、肉類等食品的質量及安全的追求，有機農業逐漸興起，出現了諸如“現代牧場”、“智能農場”的概念。就現代畜牧業的行業屬性而言，畜牧的生產力20%取決于品種，40%～50%取決于飼料，20%～30%取決于環境[1]。不適宜的環境溫度可導致畜牧生產力下降10%～30%。因此，規劃設計一個科學合理、監測系統完備的現代牧場，對保證牧場的高效生產和產品質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“現代牧場”的重中之重。畜牧養殖過程中，常需要測定畜牧體溫以判別其生長狀況、健康狀況。而實際生產中，由于畜牧數量多、活動能力強，難以使用傳統玻璃水銀體溫計、紅外測溫槍等工具進行大批、多次測量并統計其結果數據。

ZigBee無線通信技術以其數據傳輸安全可靠、組網簡易靈活、設備成本低、電池壽命長等優勢，有效避免了采用有線網絡的布線及高成本問題[2]；TI公司開發的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，研發的基于ZigBee的畜牧體溫檢測裝置所綜合呈現的體積小、低功耗、低成本、無線傳輸、實時監測及報警、響應速度快等特點，即使其在“現代牧場”領域的智能監控和全局應用中表現出了重要的效能優勢和實際價值。線面即分別展開其相應研究綜述。

1 系統結構及特點

基于ZigBee的畜牧體溫檢測裝置主要由終端節點、中心節點、上位機軟件構成。其中，終端節點包括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；上位機軟件包括監測軟件、數據庫軟件。

對于羊群a，有羊a1、a2、a3……an（其中n<=65 535）。將終端節點附著于羊身，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。上位機監測軟件及數據庫軟件與中心節點進行數據交換，對其實現控制和管理操作。當進入工作狀態時，中心節點對終端節點進行ID分配并刷新，確保每個終端節點均可使用唯一的16位短地址進行通訊。溫度傳感器定時檢測到羊的體溫數據，并發送到上位機。上位機監測軟件依據終端節點ID進行數據匯總和分析，并生成每只羊的體溫變化折線統計圖和羊群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，監測軟件界面彈出羊at體溫監測結果和變化趨勢并報警提示，工作人員可根據監測軟件數據判斷羊at的健康狀況。數據庫軟件與監測軟件進行數據交換，儲存每只羊體溫監測數據。工作人員對每只羊進行身份編號，繪制家譜關系、統計防疫及健康狀況，并上傳至數據庫。當消費者購買羊肉產品時，可通過其身份編號查詢羊的信息，確保對羊肉產品生產過程的追根溯源，以保證產品質量。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協議具有低功耗特性，進入休眠狀態時其單片機電流僅郵4μA，發射和接收ZigBee信號時平均電流為35mA，使用7號鋰電池可持續工作6個月以上，避免頻繁更換電池的弊端；

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

（4）組網方便。通過ZigBee組網，本裝置擁有較多的節點數和冗余度，最大網絡節點數可以達到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，并且調整方便，通訊傳輸安全可靠[4]；

（5）實時監測及報警。本裝置可自行組網以實現無線測量、無線傳輸、數據分析統計的功能；通過PC機可以實時監測牲畜體溫，并記錄在數據庫中，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一般只需15ms，節點連接進入網絡只需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低功耗局域網協議，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，在組網中可支持多達65 000個節點的大規模高可靠性網絡；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發生物理接觸，其正常檢測溫度范圍為-20℃～100℃[6]。

本裝置終端節點附著在畜牧體表，使用電池供電；中心節點通過RS-232通訊接口與上位機連接，使用外部電源供電。其終端節點通過溫度傳感器測得溫度信息，經由CC2530單片機實現AD轉換，使用ZigBee無線網絡發送到中心節點。中心節點使用ZigBee無線網絡接收信號，通過RS-232通訊串口與上位機軟件連接并完成儲存、顯示相應數據并分析的功能；通過上位機軟件可以查看各節點數據，并實時監測與管理，當數據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，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網絡設計

短距離無線網絡技術己成為近年來研究熱點之一，基于Bluetooth，Wi-Fi和ZigBee等協議的無線網絡技術相繼問世。ZigBee以其數據傳輸安全可靠、組網簡易靈活、設備成本低、電池壽命長等優勢，在大規模組網領域中展現了巨大的發展潛力。在此，給出ZigBee、Bluetooth、Wi-Fi三種無線網絡協議特性比較如表1所示。

相較之下，ZigBee技術在功耗、網絡節點、傳輸距離和成本上具有無可比擬的應用優勢。在低信噪比的環境下，ZigBee具有很強的抗干擾性能；在相同的環境中，ZigBee抗干擾性能則遠遠優于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絡節點。CC2530結合了領先的RF 收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8-KB RAM 和許多其它強大的功能。CC2530單片機常規電氣參數如表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控系統，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模無線傳感器網絡，可建立起星狀、網狀、樹狀等多種形式的網絡，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.濟南市畜牧業生產及動物疫病監測系統的研究與建設[D].泰安：山東農業大學，2008.

[2]周武斌.Zigbee無線組網技術的研究[D].長沙：中南大學，2009.

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

[4]李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信網絡的應用設計[J].電子設計工程，2011，19（16）：108-111.

[5]孫慧佳.高精度鉑電阻測溫儀的設計與實現[D].保定：河北大學，2014.

[6]高利波，段綱，尹革芬，等.紅外線體溫儀在生豬屠宰場體溫篩檢中的試用效果[J].中國畜牧獸醫，2010，37（9）：235-237.

[7]寧炳武.Zigbee網絡組網研究與實現[D].大連：大連理工大學，2007.