基于無線傳感器的牦牛定位系統設計

摘 要：針對牧民在遼闊的地理環境中難以準確找到放養的牦牛這一問題，設計并開發了一款基于無線傳感器網絡的實時牦牛行為監測系統。該系統結合LoRa無線通信技術和GPS衛星定位技術，能實時定位牦牛位置，有效提高了牧民的養殖效率。實驗結果表明，該系統不僅可以精確追蹤牦牛的位置，還能實時監測和分析收集的牦牛行為數據，為牦牛的精細化養殖和管理提供了強大的支持。該系統展示出了無線傳感器網絡在動物養殖領域的巨大應用潛力和價值，為牦牛行為監測提供了一種具有廣闊應用前景的新手段。

關鍵詞：牦牛定位；無線傳感器網絡；牦牛養殖；LoRa無線通信；GPS定位技術；實時監測

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）07-00-03

0 引 言

成都工業職業技術學院一直積極履行社會責任，其中就包括對石渠縣的定點幫扶。雖然通過購買該縣的農產品已經起到了一定的扶貧效果，但實現貧困地區的長期穩定發展，根本途徑還是要依靠提升當地的自我發展能力。

通過對石渠縣的多次實地走訪發現，牦牛養殖業已成為當地一大支柱產業。然而，由于石渠縣地廣人稀，且地理環境復雜，廣袤草原的放養生態管理面臨重大挑戰。特別是在牦牛被分散放養時，由于對牦牛行為缺乏實時監測，經常出現不能及時找到牦牛的情況，造成較大的經濟損失[1]。

針對以上問題，結合當地天然牧場的情況，提出一種無線傳感器網絡與云平臺相結合的系統，以解決天然牧場中的牦牛定位問題。該系統首先通過GPS衛星定位技術獲取牦牛的位置，然后通過LoRa無線通信技術進行傳輸，最后將采集的位置信息在OneNET云平臺上進行管理。該牦牛定位監測系統用以提升牦牛養殖業的管理效率和精準程度，從而為該縣打造集生態、經濟與科技于一體的新型養殖模式，為解決貧困問題提供新的思路和方法。

1 系統整體設計

1.1 設計要求

為了解決石渠縣廣袤草原條件下的牦牛養殖問題，開發了一款牦牛行為實時監測系統，利用無線傳感器網絡技術、LoRa無線通信技術和GPS衛星定位技術，提升牦牛養殖業的管理效率，以實現經濟和生態的雙重效益。本研究的設計要求包括以下幾個方面：

（1）技術要求：要求無線傳感器網絡在廣袤的草原高山環境中穩定地進行數據傳輸，LoRa無線通信需要能夠覆蓋養殖區，并且需要配備精準的GPS衛星定位系統，以便實時監測每只牦牛的位置和行為。

（2）功能要求：監測系統需要對放養在外的牦牛的位置進行實時監控，并能將監控數據進行有效處理和解析，以便做出相應的管理決策。

（3）環保要求：系統設計要注意環境保護，盡可能減少對草原環境與牦牛的損害，推動綠色養殖，促進經濟發展和生態保護的和諧統一。

（4）可操作性要求：系統應能在手機上進行展示，應該具有良好的用戶界面和易操作性，以降低牦牛養殖戶的操作難度和學習成本。

1.2 設計方案

針對設計要求，本文設計了一種結合LoRa與GPS技術的牦牛實時定位方案。本設計方案采用集成方式，由LoRa無線傳輸網絡、GPS定位系統、云平臺等多個子系統組成，如圖1所示。

2 硬件設計

根據系統設計方案，LoRa網關負責組建LoRa無線局域網和連接云平臺，而LoRa數據采集節點負責采集位置信息并將采集到的位置信息傳輸到LoRa網關。

2.1 LoRa節點硬件設計

本文采用Semtech公司出品的RAK811作為LoRa節點，RAK811中集成了高性能的SX1276射頻模塊與STM32處理器，可實現長距離的無線數據傳輸。其特點是體積小、功耗低，并且易于使用[2-3]。

GPS采集模塊采用移遠通信的L80-R模塊，它是一款集成毫米級貼片天線的超緊湊型GPS模塊，其節省空間的設計非常適合微型設備。L80-R采用LCC封裝，集成貼片天線，水平定位精度小于2.5 m。通過UART串口與STM32處理器連接。該模塊采用貼片設計工藝，具有功耗低、尺寸小、能快速定位的特點[4]。

為了方便牦牛佩戴，LoRa數據采集節點被設計成項圈樣式，可直接套在牦牛的頸部。LoRa節點硬件部分包含：STM32處理器、LoRa射頻部分、GPS定位模塊、電源轉換電路等，其硬件結構框圖如圖2所示。

2.2 LoRa網關節點硬件設計

LoRa網關節點是數據傳輸的橋梁，除了接收來自一個或者多個LoRa節點的數據外，還負責通過串口連接SIM900模塊[5-6]。SIM900模塊是一款GSM/GPRS模塊，工作頻率為850/900/1 800 MHz，能夠低功耗實現語音、短信（SMS）、數據等業務。SIM900模塊負責將LoRa節點采集數據發送到OneNET云平臺[7-8]。

本文選用樹莓派作為LoRa網關的控制系統，通過SPI接口連接SX1301作為LoRa射頻模塊；通過UART串口連接GPS模塊與SIM900模塊。SX1301模塊是Semtech公司出品的高性能LoRa網關處理器，具有高靈敏度、強干擾抑制、多通道接收和普適的兼容性等特點[9]。GPS模塊選用與LoRa節點中所選用的一致。

LoRa網關節點硬件結構框圖如圖3所示。

3 軟件設計

3.1 LoRa網關軟件設計

本文LoRaWAN采用了星狀的網絡布局，其主要任務是接收終端設備采集的位置信息，并將位置信息轉化為云平臺適配的信息后發送給OneNET云平臺。其中SIM900模塊和云平臺之間通過MQTT協議進行數據交換[10]。

為了最大化終端設備的涵蓋范圍和電池壽命，并提升整個網絡的負載能力，LoRaWAN采用了自適應數據速率的策略來調控數據傳輸速度和每個終端設備的射頻輸出。

3.2 LoRa數據采集節點軟件設計

LoRa數據采集節點在初始化后發出入網請求，在獲準后觸發GPS采集數據發送定時器，此時設備進入睡眠狀態。當定時器由于超時而發生中斷時，激活節點設備進行位置信息采集并將采集的數據發送到LoRa網關。LoRa數據采集節點的軟件設計流程如圖4所示。

4 系統運行結果

當LoRa終端節點加入到LoRaWAN網絡后，便開始周期性進行數據采集和傳輸。LoRa網關收到數據后便將牦牛的位置信息發送到OneNET云平臺進行顯示。LoRa網關與OneNET云平臺通過MQTT協議進行數據傳輸。在數據傳輸成功后，登錄到OneNET云平臺后臺會發現創建的LoRa網關產品處于在線狀態，如圖5所示。

在OneNET云平臺設計設備屬性時，采用了牦牛編號、經度信息與緯度信息三元組的形式記錄了從LoRa網關上報來的每條信息。根據牦牛的編號可以準確區分不同牦牛的位置信息。在產品開發過程中，可以在“模型”板塊查看并導出當前物理模型，LoRa網關在發送數據時需要將數據與當前物理模型進行匹配。通過查看信息列表，可以在云平臺上查看所有牦牛佩戴的設備上傳的位置信息，如圖6所示。

5 結 語

本研究論述了LoRa和GPS技術在放養牦牛定位中的應用。LoRa的長距離、低功耗特性有助于構建廣域網絡，GPS能夠為精準定位提供解決方案。通過該聯合技術，管理人員能夠實時監測牦牛的異常，保障牦牛安全，提高了牧場管理效率。此研究為農業物聯網的發展帶來了新思路，有助于推動農業自動化、智能化管理，創新農業生產模式，提升產量及質量。

參考文獻

[1] 楊蘇日娜，吳金虎，根鎖.中國散養牛主產區生產成本收益差異之原因分析[J].內蒙古科技與經濟，2022（8）：64-68.

[2] 周彥安，汪沛，朱清波.基于LoRa的智能航標燈遙測遙控系統[J].測控技術，2020，39（7）：88-92.

[3] 付河. SX1276的LoRa與FSK技術在室內定位中的應用研究[J].單片機與嵌入式系統應用，2016，16（10）：57-61.

[4] 王佳，董元，高君語，等.基于OBD和GPS的車載終端設計[J].汽車實用技術，2023，48（6）：47-52.

[5] 費廣建，白卓玉，李琦.可穿戴的牛定位及行為檢測裝置設計[J].信息技術與信息化，2022（8）：123-127.

[6] 陳樹成，李曉波，崔明，等.基于CC2530和SIM900A的無線傳感器網絡設計[J].電子設計工程，2018，26（17）：121-125.

[7] 徐夢平，馬艷彬，馬昊悅.基于物聯網的智能用水監管系統[J].物聯網技術，2024，14（3）：16-19.

[8] 彭勇，陶曾杰，林振，等.基于STM32和OneNET的智能家居系統的設計[J].物聯網技術，2024，14（2）：86-89.

[9] 白韋娟，何磊，何信一，等.基于LoRa的環境檢測系統的設計與實現[J].自動化應用，2023，64（20）：227-230.

[10] 劉亮亮，王興，王國慶，等.基于樹莓派與MQTT的智能網關設計[J].機電工程技術，2024，53（8）：89-91.

收稿日期：2024-04-10 修回日期：2024-05-14

基金項目：成都工業職業技術學院院級課題項目（縱20243030001）

作者簡介：季 美（1986—），男，碩士，講師，研究方向為物聯網。

張良璽（1968—），男，高級工程師，研究方向為通信。