湯 輝， 付 康， 劉波平， 胡少文

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

?

基于無線傳感器網絡的奶牛養(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.江西省計算技術研究所，江西南昌 330003；2.江西省軟件工程技術研究中心，江西南昌 330003)

奶牛養(yǎng)殖管理定位系統(tǒng)在無線傳感器網絡的監(jiān)測范圍內布置非常多的傳感器節(jié)點來收集周圍的環(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測距誤差影響因素和RSSI測距均值校正的基礎上，提出了基于RSSI均值校正的三邊測量定位優(yōu)化算法，并進行了Matlab仿真試驗。最后將此改進算法應用于奶牛健康監(jiān)測和定位系統(tǒng)的設計，結果完全滿足奶牛健康狀況監(jiān)測和定位要求。

無線傳感器網絡；RSSI測距；奶牛養(yǎng)殖管理定位系統(tǒng)

無線傳感器網絡中的節(jié)點具有計算通信能力，節(jié)點采用多跳通信的形式構成自組織網絡系統(tǒng)，可以實時地監(jiān)控區(qū)域內動態(tài)、采集和處理監(jiān)測對象數據，并將數據發(fā)送到遠程用戶終端[1]。奶牛養(yǎng)殖業(yè)是畜牧業(yè)和現代農業(yè)中的關鍵，建立用于監(jiān)測奶牛健康養(yǎng)殖狀況的無線傳感器網絡系統(tǒng)成為了一種新的發(fā)展趨勢[2-3]。養(yǎng)殖場一般是通過人工目測得到奶牛體征參數，處于劣勢，所以采用智能化系統(tǒng)高效的監(jiān)測奶牛健康狀況是必要的[4]。筆者介紹了無線傳感器網絡的關鍵技術，研究了傳感器網絡的節(jié)點定位技術，在分析RSSI 測距誤差影響因素和RSSI測距均值校正的基礎上，改進論證了RSSI均值校正的三邊測量定位優(yōu)化算法，最后將優(yōu)化算法應用于奶牛健康監(jiān)測和定位系統(tǒng)的設計。

1　無線傳感器網絡的關鍵技術

ZigBee協(xié)議采用IEEE 802.15.4標準的物理層和鏈路層，并在其上增加了網絡層、安全模塊和應用支持層，從而實現了大區(qū)域網絡覆蓋，有低功耗、低復雜度、自組織等優(yōu)點，已經成為了無線傳感器網絡的最佳通信協(xié)議[5]。無線傳感器網絡(WSN)是由多個帶有傳感器、數據處理單元及通信模塊組成，采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中被監(jiān)測對象的信息，通過多個中間節(jié)點以多跳方式轉發(fā)給數據接收者。傳感器網絡中的成員有傳感器、感知對象和觀察者。傳感器之間、傳感器與觀察者之間通過有線或無線網絡通信,節(jié)點間通信采用Ad Hoc進行多跳轉發(fā)[6-7]。無線傳感器網絡體系結構見圖1。

圖1　無線傳感器網絡體系結構Fig.1　Structure of wireless sensor networks

節(jié)點定位技術是指信標節(jié)點之間按照某一具體的算法來獲取節(jié)點自身的位置信息，WSN中獲取到事件和位置信息才具有實際意義[8-10]。針對該研究的奶牛養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，如果網絡終端顯示出某頭奶牛佩戴的無線傳感器節(jié)點傳送的體溫數據異常，若能通過定位算法及時獲取到事件和位置信息，定位找到這頭奶牛，就能達到及時治療疾病和提高產奶量的目的。

2　基于校正RSSI的三邊測量優(yōu)化定位算法

2.1三邊測量算法三邊測量法如圖2所示。

圖 2　三邊測量法Fig.2　Trilateration method

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

(1)

由式(1)推出節(jié)點D的坐標為：

(2)

(3)

式中，n表示測得此未知節(jié)點坐標的次數。

2.2RSSI測距分析及校正接收信號強度指示(RSSI)指傳感器節(jié)點能得到傳送過來信號的多少，單位為dBM，RSSI值與節(jié)點間相距的長度值成反比例關系。帶有顯示RSSI值效果的傳感器節(jié)點被廣泛地應用于實際環(huán)境中。如圖3所示，傳感器網絡中3個信標節(jié)點的位置坐標是明確的，U指未知節(jié)點的實際位置信息，U′指采用RSSI測量出來的坐標信息。

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

信標節(jié)點發(fā)送信號至未知節(jié)點，按照信號衰減規(guī)律可以從接收信號的強度估算信標節(jié)點距未知節(jié)點的長度。信號衰減公式如下：

(4)

式中，P(d0)指與基站相隔d0的地方的信號強度值；P(d)指在基站處測得的未知節(jié)點發(fā)送信號過來的強度值[11-13]。

RSSI測距技術有較低的成本、較小的能量消耗等優(yōu)點，缺點是所測值與真實值有誤差。RSSI測距存在信標節(jié)點數量、傳感器自身的限制、環(huán)境條件的影響因素導致節(jié)點位置坐標不準確的問題[14-15]。所以通過增加測量的次數，RSSI測距得到的值更精確：

(5)

隨著n的增大，RSSI計量精確度會越高。根據式(5)得出n+1次的值并取平均：

(6)

(7)

從式(7)可以看出，參數α一定程度上影響著信號強度的測量結果，α值可以通過測量實驗次數調整到最優(yōu)[16-17]。

2.3基于RSSI均值校正的三邊測量優(yōu)化定位算法流程該研究將RSSI均值較正和三邊測量相結合以達到最優(yōu)的定位效果?；赗SSI均值校正的三邊測量定位算法流程如下：①節(jié)點發(fā)出請求，信標節(jié)點將自己的信息、信號強度發(fā)送出去；②未知節(jié)點收到信標節(jié)點傳過來的位置、信號強度等信息；③進行RSSI均值校正，代入到信號衰減公式(4)中得到未知節(jié)點到各個信標節(jié)點的長度值；④任選3個信標節(jié)點構成1個三角形，由三邊測量法對測得的各個長度值計算坐標,利用式(3)得到未知節(jié)點的平均坐標。

3　奶牛健康養(yǎng)殖管理和定位系統(tǒng)的設計

奶牛養(yǎng)殖奶牛健康是關鍵，近年來，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)殖場在飼養(yǎng)過程中引入科學技術是必要的。該研究通過在每頭牛的頸部佩戴傳感器節(jié)點來收集奶牛的體征信息，判定奶牛是否健康，同時提出了基于RSSI均值校正的三邊測量定位算法用于定位監(jiān)控，實時掌握每頭奶牛的位置信息，以達到及時治療疾病和提高產奶量的目的。

3.1硬件及定位模塊的設計該研究采用CC2530 芯片，選用結構簡單、價格低廉的DS18B20數字式溫度傳感器以及不易受外界因素影響、程序簡便的SC0073脈搏傳感器，將電池作為電源模塊，傳感器節(jié)點安放在奶牛的頸部。傳感器節(jié)點結構見圖4。

圖4　傳感器節(jié)點結構Fig.4　Structure of sensor nodes

在整個無線傳感器系統(tǒng)中，網關節(jié)點一旦出現故障就會導致整個系統(tǒng)的癱瘓，它是連接環(huán)境節(jié)點和服務終端的紐帶；體征監(jiān)測節(jié)點用于測量奶牛的體征數據，同時能自動組織成網絡；定位節(jié)點用于測量奶牛的位置數據。該研究主要針對定位節(jié)點進行基于RSSI均值校正的三邊測量優(yōu)化定位算法的改進應用。

目前，養(yǎng)殖場主要通過RFID技術來實現對奶牛位置的測定。由于RFID卡僅能找出事件的大體區(qū)域，不能主動與定位分站進行雙向的通信。該研究考慮到環(huán)境等因素的影響，提出了基于RSSI均值校正的三邊測量優(yōu)化定位算法，對RSSI 進行均值校正，并通過經驗模型將其轉化為距離,采用三邊測量法得出具體位置并發(fā)送定位結果至網絡終端。

3.2定位功能的測試傳感器節(jié)點部署如圖5所示。圖5中，矩形的邊框代表牛圈四周的柵欄，已經確定位置坐標的信標節(jié)點安放在柵欄上，矩形的內部區(qū)域代表牛圈內的活動空間，未知節(jié)點則被布置在其中。柵欄上的信標節(jié)點之間任意組建多個三角形，只保留那些未知節(jié)點在其內部的特殊三角形，然后運用本文提出的基于RSSI均值校正的三邊測量定位算法得出最后的定位結果。

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

該研究在Matlab環(huán)境下對本文提出的基于RSSI均值校正的三邊測量定位算法進行仿真，分析比對其試驗結果。假設信標節(jié)點坐標已知，未知節(jié)點和信標節(jié)點分別被任意布置于矩形內部和邊框上。仿真參數設置如下：①傳感器節(jié)點布置在范圍為1 000 m×1 000 m 的區(qū)域內；②通半徑設為R=500；③n設為 4；④d0設為 1。

此次試驗過程中節(jié)點總數保持不變，得出信標節(jié)點所占比重的變化與平均定位誤差變動情況的仿真曲線關系圖(圖6)。從圖6可以看出，基于RSSI均值校正的三邊測量定位算法與傳統(tǒng)的三邊測量法相比，其定位更加精確，表明此算法是有優(yōu)勢和可行的。

4　結語

該研究介紹了無線傳感器網絡關鍵技術和傳感器網絡的節(jié)點定位技術，在分析RSSI測距誤差影響因素和給出RSSI測距均值校正的基礎上，提出了基于RSSI均值校正的三邊測量定位優(yōu)化算法，并進行了Matlab仿真試驗。最后將此定位算法應用于CC2530 的無線傳感器網絡監(jiān)測系統(tǒng)，選用成本低廉的DS18B20溫度傳感器和程序簡便的SC0073脈搏傳感器進行了奶牛體溫和脈搏信息采集。從最終的測試結果可知，該研究提出的基于RSSI均值校正的三邊測量定位優(yōu)化算法優(yōu)于三邊測量法，完全滿足奶牛健康狀況管理和定位監(jiān)控的要求。

圖6　基于無線傳感器網絡的奶牛養(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

[1] 孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社，2005.

[2] 梁玉芬.無線傳感器網絡農業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現[D].北京：北京交通大學,2007.

[3] 喬曉軍,張馨,王成,等.無線傳感器網絡在農業(yè)中的應用[J].農業(yè)工程學報,2008(Z2):232-234.

[4] SHANG Y，RUML W，ZHANG Y,et al.Localization from mere connectivity[C]//Proceedings of the 4th ACM international symposium on mobile ad-hoc networking &computing.NY,USA:ACM Press，2003.

[5] 彭宇,王丹.無線傳感器網絡定位技術綜述[J].電子測量與儀器學報,2011,25(5):389-399.

[6] 高峰,盧尚瓊,徐青香,等.無線傳感器網絡在設施農業(yè)中的應用進展[J].浙江林學院學報,2010(5):762-769.

[7] 楊庚.ZigBee 無線傳感器網絡的研究與實現[D].杭州：浙江大學，2006.

[8] HU Z,GU D B.Localization in wireless sensor networks using a mobile anchornode [J].Computer society IEEE,2008,26(7):602-607.

[9] WATANABE T，SAKURAI A，KITAZAKI K.Dairy cattle monitoring using wireless acceleration-sensor networks[C]//Proceedings of IEEE Sensors.Lecce,2008:526-529.

[10] HANDCOCK R N,SWAIN D L,GREG J,et al.Monitoring animal behaviour and environmental interactionsusing wireless sensor networks, GPS collars and satelliteremote sensing[J].Sensors,2009,9(5):3586-3603.

[11] 尹令，劉財興，洪添勝，等.基于無線傳感器網絡的奶牛行為特征監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].農業(yè)工程學報，2010，26(3)：203-208.

[12] 端木慶敏.無線傳感器網絡節(jié)點定位算法研究[D].長沙：國防科學技術大學,2006.

[13] 吳艷紅.無線傳感器網絡定位技術的研究[D].成都：四川大學,2011.

[14] 陳紅陽.基于測距技術的無線傳感器網絡定位技術研究[D].成都：西南交通大學,2006.

[15] 劉學平.無線傳感器網絡RSSI定位算法的研究與應用[D].西安：西北大學,2009.

[16] 趙昭,陳小惠.無線傳感器網絡中基于RSSI的改進定位算法[J].傳感技術學報,2009,22(3):391-394.

[17] 陳凱.基于RSSI的無線傳感器網絡定位方法研究[D].上海:上海交通大學,2011.

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

國家科技支撐計劃項目(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)檢測研究。

2016-05-27

S 818.5

A

0517-6611(2016)21-232-03