基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的奶牛養(yǎng)殖管理定位系統(tǒng)

湯 輝， 付 康， 劉波平， 胡少文

(1.江西省計(jì)算技術(shù)研究所，江西南昌 330003；2.江西省軟件工程技術(shù)研究中心，江西南昌 330003)

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基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的奶牛養(yǎng)殖管理定位系統(tǒng)

湯 輝1，2， 付 康1，2， 劉波平1，2， 胡少文1，2

(1.江西省計(jì)算技術(shù)研究所，江西南昌 330003；2.江西省軟件工程技術(shù)研究中心，江西南昌 330003)

奶牛養(yǎng)殖管理定位系統(tǒng)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)布置非常多的傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)收集周圍的環(huán)境信息，并將收集到的信息處理后發(fā)送出去。該研究在分析RSSI測(cè)距誤差影響因素和RSSI測(cè)距均值校正的基礎(chǔ)上，提出了基于RSSI均值校正的三邊測(cè)量定位優(yōu)化算法，并進(jìn)行了Matlab仿真試驗(yàn)。最后將此改進(jìn)算法應(yīng)用于奶牛健康監(jiān)測(cè)和定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，結(jié)果完全滿足奶牛健康狀況監(jiān)測(cè)和定位要求。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；RSSI測(cè)距；奶牛養(yǎng)殖管理定位系統(tǒng)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具有計(jì)算通信能力，節(jié)點(diǎn)采用多跳通信的形式構(gòu)成自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控區(qū)域內(nèi)動(dòng)態(tài)、采集和處理監(jiān)測(cè)對(duì)象數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程用戶終端[1]。奶牛養(yǎng)殖業(yè)是畜牧業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的關(guān)鍵，建立用于監(jiān)測(cè)奶牛健康養(yǎng)殖狀況的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)成為了一種新的發(fā)展趨勢(shì)[2-3]。養(yǎng)殖場(chǎng)一般是通過(guò)人工目測(cè)得到奶牛體征參數(shù)，處于劣勢(shì)，所以采用智能化系統(tǒng)高效的監(jiān)測(cè)奶牛健康狀況是必要的[4]。筆者介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，研究了傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)，在分析RSSI 測(cè)距誤差影響因素和RSSI測(cè)距均值校正的基礎(chǔ)上，改進(jìn)論證了RSSI均值校正的三邊測(cè)量定位優(yōu)化算法，最后將優(yōu)化算法應(yīng)用于奶牛健康監(jiān)測(cè)和定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

ZigBee協(xié)議采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的物理層和鏈路層，并在其上增加了網(wǎng)絡(luò)層、安全模塊和應(yīng)用支持層，從而實(shí)現(xiàn)了大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋，有低功耗、低復(fù)雜度、自組織等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最佳通信協(xié)議[5]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由多個(gè)帶有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元及通信模塊組成，采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，通過(guò)多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)以多跳方式轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)接收者。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的成員有傳感器、感知對(duì)象和觀察者。傳感器之間、傳感器與觀察者之間通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信,節(jié)點(diǎn)間通信采用Ad Hoc進(jìn)行多跳轉(zhuǎn)發(fā)[6-7]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of wireless sensor networks

節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)是指信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間按照某一具體的算法來(lái)獲取節(jié)點(diǎn)自身的位置信息，WSN中獲取到事件和位置信息才具有實(shí)際意義[8-10]。針對(duì)該研究的奶牛養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，如果網(wǎng)絡(luò)終端顯示出某頭奶牛佩戴的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)傳送的體溫?cái)?shù)據(jù)異常，若能通過(guò)定位算法及時(shí)獲取到事件和位置信息，定位找到這頭奶牛，就能達(dá)到及時(shí)治療疾病和提高產(chǎn)奶量的目的。

2　基于校正RSSI的三邊測(cè)量?jī)?yōu)化定位算法

2.1三邊測(cè)量算法三邊測(cè)量法如圖2所示。

圖 2　三邊測(cè)量法Fig.2　Trilateration method

圖2中，(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)依次表示信標(biāo)節(jié)點(diǎn)A、B、C的坐標(biāo)值，da，db,dc依次表示節(jié)點(diǎn)A、B、C距未知節(jié)點(diǎn)D的長(zhǎng)度，令節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)值為(x,y)，有下列公式：

(1)

由式(1)推出節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為：

(2)

(3)

式中，n表示測(cè)得此未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的次數(shù)。

2.2RSSI測(cè)距分析及校正接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)指?jìng)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)能得到傳送過(guò)來(lái)信號(hào)的多少，單位為dBM，RSSI值與節(jié)點(diǎn)間相距的長(zhǎng)度值成反比例關(guān)系。帶有顯示RSSI值效果的傳感器節(jié)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境中。如圖3所示，傳感器網(wǎng)絡(luò)中3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)是明確的，U指未知節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位置信息，U′指采用RSSI測(cè)量出來(lái)的坐標(biāo)信息。

圖3　RSSI 算法原理 Fig.3　Principle of RSSI algorithm

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)至未知節(jié)點(diǎn)，按照信號(hào)衰減規(guī)律可以從接收信號(hào)的強(qiáng)度估算信標(biāo)節(jié)點(diǎn)距未知節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)度。信號(hào)衰減公式如下：

(4)

式中，P(d0)指與基站相隔d0的地方的信號(hào)強(qiáng)度值；P(d)指在基站處測(cè)得的未知節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)過(guò)來(lái)的強(qiáng)度值[11-13]。

RSSI測(cè)距技術(shù)有較低的成本、較小的能量消耗等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是所測(cè)值與真實(shí)值有誤差。RSSI測(cè)距存在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、傳感器自身的限制、環(huán)境條件的影響因素導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)不準(zhǔn)確的問(wèn)題[14-15]。所以通過(guò)增加測(cè)量的次數(shù)，RSSI測(cè)距得到的值更精確：

(5)

隨著n的增大，RSSI計(jì)量精確度會(huì)越高。根據(jù)式(5)得出n+1次的值并取平均：

(6)

(7)

從式(7)可以看出，參數(shù)α一定程度上影響著信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果，α值可以通過(guò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)次數(shù)調(diào)整到最優(yōu)[16-17]。

2.3基于RSSI均值校正的三邊測(cè)量?jī)?yōu)化定位算法流程該研究將RSSI均值較正和三邊測(cè)量相結(jié)合以達(dá)到最優(yōu)的定位效果。基于RSSI均值校正的三邊測(cè)量定位算法流程如下：①節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)將自己的信息、信號(hào)強(qiáng)度發(fā)送出去；②未知節(jié)點(diǎn)收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的位置、信號(hào)強(qiáng)度等信息；③進(jìn)行RSSI均值校正，代入到信號(hào)衰減公式(4)中得到未知節(jié)點(diǎn)到各個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)度值；④任選3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成1個(gè)三角形，由三邊測(cè)量法對(duì)測(cè)得的各個(gè)長(zhǎng)度值計(jì)算坐標(biāo),利用式(3)得到未知節(jié)點(diǎn)的平均坐標(biāo)。

3　奶牛健康養(yǎng)殖管理和定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

奶牛養(yǎng)殖奶牛健康是關(guān)鍵，近年來(lái)，奶牛養(yǎng)殖面臨著禽流感、瘋牛病等各類疾病影響，所以養(yǎng)殖場(chǎng)在飼養(yǎng)過(guò)程中引入科學(xué)技術(shù)是必要的。該研究通過(guò)在每頭牛的頸部佩戴傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)收集奶牛的體征信息，判定奶牛是否健康，同時(shí)提出了基于RSSI均值校正的三邊測(cè)量定位算法用于定位監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握每頭奶牛的位置信息，以達(dá)到及時(shí)治療疾病和提高產(chǎn)奶量的目的。

3.1硬件及定位模塊的設(shè)計(jì)該研究采用CC2530 芯片，選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器以及不易受外界因素影響、程序簡(jiǎn)便的SC0073脈搏傳感器，將電池作為電源模塊，傳感器節(jié)點(diǎn)安放在奶牛的頸部。傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4　傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.4　Structure of sensor nodes

在整個(gè)無(wú)線傳感器系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一旦出現(xiàn)故障就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，它是連接環(huán)境節(jié)點(diǎn)和服務(wù)終端的紐帶；體征監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)用于測(cè)量奶牛的體征數(shù)據(jù)，同時(shí)能自動(dòng)組織成網(wǎng)絡(luò)；定位節(jié)點(diǎn)用于測(cè)量奶牛的位置數(shù)據(jù)。該研究主要針對(duì)定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行基于RSSI均值校正的三邊測(cè)量?jī)?yōu)化定位算法的改進(jìn)應(yīng)用。

目前，養(yǎng)殖場(chǎng)主要通過(guò)RFID技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)奶牛位置的測(cè)定。由于RFID卡僅能找出事件的大體區(qū)域，不能主動(dòng)與定位分站進(jìn)行雙向的通信。該研究考慮到環(huán)境等因素的影響，提出了基于RSSI均值校正的三邊測(cè)量?jī)?yōu)化定位算法，對(duì)RSSI 進(jìn)行均值校正，并通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯⑵滢D(zhuǎn)化為距離,采用三邊測(cè)量法得出具體位置并發(fā)送定位結(jié)果至網(wǎng)絡(luò)終端。

3.2定位功能的測(cè)試傳感器節(jié)點(diǎn)部署如圖5所示。圖5中，矩形的邊框代表牛圈四周的柵欄，已經(jīng)確定位置坐標(biāo)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)安放在柵欄上，矩形的內(nèi)部區(qū)域代表牛圈內(nèi)的活動(dòng)空間，未知節(jié)點(diǎn)則被布置在其中。柵欄上的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間任意組建多個(gè)三角形，只保留那些未知節(jié)點(diǎn)在其內(nèi)部的特殊三角形，然后運(yùn)用本文提出的基于RSSI均值校正的三邊測(cè)量定位算法得出最后的定位結(jié)果。

圖5　傳感器節(jié)點(diǎn)部署Fig.5　Arrangement of sensor nodes

該研究在Matlab環(huán)境下對(duì)本文提出的基于RSSI均值校正的三邊測(cè)量定位算法進(jìn)行仿真，分析比對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果。假設(shè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)已知，未知節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)分別被任意布置于矩形內(nèi)部和邊框上。仿真參數(shù)設(shè)置如下：①傳感器節(jié)點(diǎn)布置在范圍為1 000 m×1 000 m 的區(qū)域內(nèi)；②通半徑設(shè)為R=500；③n設(shè)為 4；④d0設(shè)為 1。

此次試驗(yàn)過(guò)程中節(jié)點(diǎn)總數(shù)保持不變，得出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所占比重的變化與平均定位誤差變動(dòng)情況的仿真曲線關(guān)系圖(圖6)。從圖6可以看出，基于RSSI均值校正的三邊測(cè)量定位算法與傳統(tǒng)的三邊測(cè)量法相比，其定位更加精確，表明此算法是有優(yōu)勢(shì)和可行的。

4　結(jié)語(yǔ)

該研究介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)，在分析RSSI測(cè)距誤差影響因素和給出RSSI測(cè)距均值校正的基礎(chǔ)上，提出了基于RSSI均值校正的三邊測(cè)量定位優(yōu)化算法，并進(jìn)行了Matlab仿真試驗(yàn)。最后將此定位算法應(yīng)用于CC2530 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，選用成本低廉的DS18B20溫度傳感器和程序簡(jiǎn)便的SC0073脈搏傳感器進(jìn)行了奶牛體溫和脈搏信息采集。從最終的測(cè)試結(jié)果可知，該研究提出的基于RSSI均值校正的三邊測(cè)量定位優(yōu)化算法優(yōu)于三邊測(cè)量法，完全滿足奶牛健康狀況管理和定位監(jiān)控的要求。

圖6　基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的奶牛養(yǎng)殖管理定位系統(tǒng)定位效果 Fig.6　Positioning effect of dairy cattle farming management positioning system based on wireless sensor networks

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Dairy Cattle Farming Management Positioning System Based on Wireless Sensor Networks

TANG Hui1,2,FU Kang1,2,LIU Bo-ping1,2et al

(1. Jiangxi Institute of Computing Technology,Nanchang,Jiangxi 330003; 2. Software Engineering and Technology Research Center of Jiangxi Province,Nanchang,Jiangxi 330003)

In the dairy cattle farming management positioning system,a lot of sensor nodes were arranged within the monitoring scope of wireless sensor networks to collect surrounding environmental information that will be sent out after being processed. In this study,based on the analysis of factors influencing RSSI ranging error and correction of RSSI ranging mean,the optimization algorithm of trilateration localization based on the corrected RSSI was proposed,and the Matlab simulation experiment was conducted. Finally,the localization algorithm was applied to the design of dairy cattle health monitoring and positioning systems,and the results fully met the requirements of dairy cattle health status monitoring and positioning.

Wireless sensor networks; RSSI ranging; Dairy cattle farming management positioning system

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD10B00，2014BAD10B05)。

湯輝(1989- )，男，江西吉安人，助理工程師，碩士，從事信息安全、信息系統(tǒng)檢測(cè)研究。

2016-05-27

S 818.5

A

0517-6611(2016)21-232-03