基于LoRa和GPRS技術(shù)的奶牛行為監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

曹海東，王 鈞

（1.大連交通大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.綿陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，四川 綿陽 621023）

奶牛的運動行為蘊含著豐富的信息，通過獲取奶牛運動中產(chǎn)生的加速度數(shù)據(jù)，挖掘數(shù)據(jù)中所包含的運動行為，可作為判斷奶牛是否健康的重要依據(jù)［1］。因此將信息技術(shù)引入奶牛養(yǎng)殖，利用電子傳感器獲取奶牛行為數(shù)據(jù)，構(gòu)建奶牛實時監(jiān)測系統(tǒng)成為預(yù)防奶牛疾病、牧場精細(xì)化管理的重要手段。為了獲取穩(wěn)定、有效的加速度數(shù)據(jù)，在奶牛行為監(jiān)測中建立一套高效、完整的數(shù)據(jù)傳輸模式顯得非常重要。相對于有線通信方式，無線通信方式更適合牧場區(qū)域這種較復(fù)雜的傳輸環(huán)境。綜合比較ZigBee、藍(lán)牙、WiFi［2］等無線通信技術(shù)發(fā)現(xiàn)，這類通信技術(shù)傳輸距離近、設(shè)備功耗較大［3］，且對各設(shè)備節(jié)點的供電要求較高，不適合大型奶牛養(yǎng)殖管理。奶牛活動范圍較廣，分為散養(yǎng)區(qū)、食草間等活動范圍，需要配備較多的監(jiān)測設(shè)備以及較遠(yuǎn)的傳輸距離。為此，本研究綜合考慮低功耗且長距離的特點，結(jié)合LoRa和GPRS兩種遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸模式，設(shè)計了一款基于Lo-Ra和GPRS兩種通信技術(shù)組合的奶牛行為監(jiān)測系統(tǒng)，搭配改進(jìn)K-means智能算法，實現(xiàn)奶牛行為的實時監(jiān)測，為獲取奶牛行為信息、預(yù)知奶牛健康狀況提供一種可靠的技術(shù)手段。

1 技術(shù)方案

如圖1所示，該系統(tǒng)由奶牛行為采集節(jié)點、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺組成［4］。奶牛行為采集節(jié)點主要是通過MPU6050傳感器采集奶牛加速度數(shù)據(jù)，并利用LoRa網(wǎng)絡(luò)將采集節(jié)點與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)的“中轉(zhuǎn)站”，還起到LoRa網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)作用。遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺配置數(shù)據(jù)庫、智能算法與顯示終端，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制，對遠(yuǎn)程的采集節(jié)點下達(dá)指令，對節(jié)點傳上來的原始加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、顯示和存儲［5］。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 奶牛行為采集節(jié)點電路設(shè)計

奶牛行為采集節(jié)點的硬件設(shè)計主要包括：電源模塊、傳感器模塊、MCU控制器和LoRa模塊等（圖2）。

圖2 奶牛行為采集節(jié)點結(jié)構(gòu)

1）MCU控制器設(shè)計。在整個奶牛行為監(jiān)測硬件平臺開發(fā)過程中，微處理器作為硬件開發(fā)的核心，需合理選擇MCU的工作條件。而STM32F103C8T6控制器滿足低功耗、低電壓、優(yōu)良的工作性能以及良好的運行溫度等條件，能夠使整個系統(tǒng)低功耗運行。

2）電源模塊設(shè)計。奶牛行為采集節(jié)點設(shè)備使用3.7 V鋰電池供電，采集節(jié)點電路需要用3.3 V電壓。本研究選擇一款正向低壓降穩(wěn)壓器，以達(dá)到穩(wěn)定降壓的目的。AMS1117-3.3芯片固定輸出3.3 V電壓，電壓精度可達(dá)到3%。

3）LoRa通信模塊設(shè)計。LoRa通信模塊是該系統(tǒng)的核心組成部分，整個模塊不僅要考慮低功耗、傳輸距離和通信可靠性，還要耐用、輕便以及抗干擾能力強。本研究選用Semtech公司的SX1278芯片，是一種低功耗半雙工遠(yuǎn)距離收發(fā)器［6］。LoRa擴頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)相比于傳統(tǒng)的FSK或OOK調(diào)制方式，具有高靈敏度和功率放大功能。在抗阻塞方面，LoRa調(diào)制技術(shù)也具有領(lǐng)先水平，既保持了低功耗的特性，又相比于其他調(diào)制技術(shù)增加通信距離［7］。這不僅提高通信網(wǎng)絡(luò)的效率，還消除干擾。MCU控制器與SX1278可通過設(shè)置SPI模塊來切換工作模式。而為更好地進(jìn)行射頻部件的移植，在一塊電路板上會將SX1278RF芯片、TCXO和RF_SWITCH組合。TXCO提供精確的時鐘，RF_SWITCH切換半雙工SX1278的輸入或輸出狀態(tài)。其硬件框圖如圖3所示。

圖3 LoRa芯片硬件

4）傳感器模塊設(shè)計。MPU6050是InvenSense公司推出的陀螺運動圖像處理系統(tǒng)組件，并且內(nèi)部含有一個第二代的IIC加速接口，實時與外部進(jìn)行高速連接［8］。

由于該傳感器需佩戴在奶牛右后腿，奶牛運動過程中會產(chǎn)生監(jiān)測角度的誤差影響，而MPU6050傳感器內(nèi)含校正演算技術(shù)，極大地提高了奶牛加速度數(shù)據(jù)的精度。MPU6050原理如圖4所示，其中，SCL和SDA是連接MCU的IIC接口，通過IIC接口，MCU與MPU6050之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互。

圖4 MPU6050原理

2.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)電路設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計主要包括：電源模塊、MCU控制器、GPRS模塊和LoRa模塊等，如圖5所示。由于MCU控制器、LoRa模塊與奶牛行為采集節(jié)點電路結(jié)構(gòu)相似，本研究不再過多贅述。

圖5 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

1）電源模塊設(shè)計。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點采用9 V鋰電池供電，由于GPRS模塊需要3.7 V工作電壓，該系統(tǒng)采用一款高性能穩(wěn)壓芯片LM2596，使其穩(wěn)定為3.7 V來滿足GPRS模塊的工作要求。該芯片轉(zhuǎn)換效率高、靜態(tài)損耗小、最大輸出電流3 A。而LoRa等其他硬件模塊依然通過由AMS1117-3.3芯片構(gòu)成的降壓電路將3.7 V電壓降至3.3 V。

2）GPRS模塊設(shè)計。GPRS模塊是負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信。采用的是SIMCOM公司的SIM808芯片作為GPRS模塊。SIM808的外圍電路原理如圖6所示。設(shè)計中在芯片電源引腳VBAT并接了100 μF、100 pF的電容和BV05C的穩(wěn)壓二極管，保證SIM808正常穩(wěn)定的啟動工作［9］。電路中電源引腳需要接對地的去耦電容，去耦電容可以消除電源攜帶的噪聲，另外電容還具有存儲能量的作用。

圖6 SIM808外圍電路原理

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

3.1 奶牛行為采集節(jié)點程序設(shè)計

奶牛活動量采集程序流程如圖7所示。它執(zhí)行的是先發(fā)送后接收模式，發(fā)送和接收交替進(jìn)行，發(fā)送數(shù)據(jù)不受接收數(shù)據(jù)的限制。設(shè)備上電后，進(jìn)行初始化，檢測LoRa網(wǎng)絡(luò)并加入，MPU6050傳感器模塊開始采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包經(jīng)LoRa無線傳輸模塊從采集終端進(jìn)行數(shù)據(jù)下發(fā)，網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)包內(nèi)所有信息。發(fā)送成功后，設(shè)備開始進(jìn)入休眠狀態(tài)，到一定時間后結(jié)束休眠，設(shè)備重新進(jìn)入正常工作。

圖7 活動量采集程序流程

3.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計

GPRS模塊作為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的重要部分之一，其任務(wù)包括無線網(wǎng)絡(luò)指令的下達(dá)、數(shù)據(jù)的接收與上傳等任務(wù)，其物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主程序流程如圖8所示。MCU控制器初始化上電后，通過讀取EEPROM中默認(rèn)的公網(wǎng)IP數(shù)據(jù)，開啟GPRS服務(wù)模式，并與服務(wù)器建立TCP連接。連接成功后，進(jìn)入主程序操作模式，檢測各串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，啟動相關(guān)處理程序［10］。GPRS將服務(wù)器端發(fā)送的、關(guān)于獲取奶牛加速度傳感器信息的指令數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32串口。對其進(jìn)行判斷后，單片機將關(guān)于獲取加速度指令通過LoRa模塊進(jìn)行發(fā)送。若中途掉電或者服務(wù)器異常關(guān)閉，GPRS會自動重新創(chuàng)建連接請求。

圖8 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主程序流程

4 識別算法與界面設(shè)計

4.1 改進(jìn)K-means聚類算法描述

動物識別領(lǐng)域?qū)儆谀Ｊ阶R別。通過MPU6050傳感器采集X、Y、Z三軸方向的運動加速度，利用一種基于KNN思想的改進(jìn)K-means聚類算法選擇最優(yōu)K值，即奶牛行為分類數(shù)［11］。

對于聚類后的效果優(yōu)劣程度量化公式定義為：類內(nèi)間的樣本距離越小越好、類間的樣本距離越大越好，即簇類內(nèi)的差異值以及簇類間的差異值之比作為聚類好壞的評判標(biāo)準(zhǔn)。

將所有簇類內(nèi)之和定義為Sin，即每個數(shù)據(jù)樣本到該簇中心的距離值之和，其計算公式為：

式中，n表示總的樣本數(shù)量，Ci表示第i個簇，x表示在第i簇類聚類點的數(shù)值，Zi表示第i個簇類中心點。

通過式（1）可得知，當(dāng)Sin值越小時，即簇類內(nèi)樣本點越緊湊。將所有簇類間距離值定義為Sout，即每個簇中心之間的距離。其中Sout的計算公式為：

式中，k表示聚類的個數(shù)，Ci代表第i個簇中心的值，C代表每個簇中心的平均值。

通過式（2）可得知，Sout的值越大，代表每類之間的相似度小。當(dāng)Sin以及Sout的比值越小時，聚類效果越好。標(biāo)準(zhǔn)用G來表示，則G值為：

G值的變化規(guī)律為先逐漸變小然后再慢慢變大，當(dāng)G值越小的時候，聚類效果越好，當(dāng)G達(dá)到最小值，此時的聚類效果最佳。首先設(shè)定算法的初始分類數(shù)，通過選局部最優(yōu)的K值作為第一個分類數(shù)，然后進(jìn)行訓(xùn)練處理，當(dāng)G值出現(xiàn)局部最小時，確定K值。算法的具體描述如下：

1）初始化后，運用K-means算法計算在K=1時的G值。

2）保存G值，并且在K++時再次調(diào)用K-means算法并記錄G＇。

3）通過比較，循環(huán)得出局部最小的G值，且保留K值。

4）建立對原始W簇初始化操作，該原始簇中包含有所有樣本集的S簇，其中K＇=1。

5）在W簇集中查找SSE最大的簇，并用KNN思想尋找聚類中心點，進(jìn)行K-means聚類。

6）在多次判斷后，簇類中心不變的簇，添加到W簇集中，并且K＇++。

7）直到K＇達(dá)到K值為止，程序結(jié)束，否則重復(fù)步驟4至步驟7。

4.2 遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺設(shè)計

遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺是用C#語言在Visual Studio 2013軟件的編程環(huán)境中開發(fā)的（圖9）。數(shù)據(jù)庫功能采用MySQL數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，MySQL數(shù)據(jù)庫具有開放源代碼的優(yōu)勢。該系統(tǒng)通過不斷監(jiān)聽端口來獲取GPRS連接，一旦連接成功，則建立socket通信。行為的功能展示是通過識別算法對加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將數(shù)據(jù)的接收、顯示和存儲獨立成模塊，進(jìn)而判斷相應(yīng)時間內(nèi)奶牛行為，并保存處理。

圖9 奶牛行為監(jiān)測系統(tǒng)主界面

5 試驗測試

5.1 系統(tǒng)硬件測試

由于該系統(tǒng)包含關(guān)鍵的硬件模塊，需對系統(tǒng)硬件進(jìn)行測試。通過檢查整個硬件電路能否導(dǎo)通，來判斷各模塊是否正常工作，具體測試步驟如下：

1）檢查PCB板各線路是否符合設(shè)計要求。各元器件是否焊接正確，特別注意電路板中是否有虛焊、虛連現(xiàn)象。

2）進(jìn)行系統(tǒng)加電測試。通過采用分區(qū)隔離供電的方式，檢查整個硬件電路能否導(dǎo)通，并觀察電壓表測量結(jié)果。

3）進(jìn)行系統(tǒng)拷機測試。將各功能區(qū)電路模塊保持48 h的工作狀態(tài)，觀察各功能區(qū)元器件是否工作正常，若發(fā)現(xiàn)元器件出現(xiàn)發(fā)燙、糊味現(xiàn)象，及時查找原因［12］。

5.2 通信距離與丟包率測試

在基本空曠、有少量廠房遮擋的場地進(jìn)行通信距離與丟包率測試。該系統(tǒng)上電后，配置好網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)，連接通信端口，測試在2 km左右通信范圍內(nèi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，并進(jìn)行長期監(jiān)測。通信距離與丟包率如表1所示。測試結(jié)果表明，該設(shè)備在牧場范圍中通信丟包率較低，可應(yīng)用于奶牛行為研究的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

表1 通信距離與網(wǎng)絡(luò)丟包率統(tǒng)計表

6 結(jié)論

智慧牧場的管理既要改善監(jiān)測難度，提高監(jiān)測設(shè)備的使用率，又要實現(xiàn)低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一。LoRa技術(shù)具有低功耗與遠(yuǎn)距離的優(yōu)點，GPRS技術(shù)也有較高的傳輸速率與更遠(yuǎn)的通信距離。而該系統(tǒng)采用性能高、功耗低的單片機和傳感器，運行穩(wěn)定、開發(fā)成本低，具有一定應(yīng)用價值，但該系統(tǒng)還需要不斷創(chuàng)新升級，如需綜合考量硬件設(shè)備供電模塊設(shè)計，減少電池更換頻率；探索更有效的奶牛行為分類算法，使該系統(tǒng)最終改善牧場中奶牛監(jiān)測難題，為預(yù)知奶牛健康狀態(tài)提供保障。