基于WSN的奶牛信息采集网关节点研究与开发.ppt

1、基于WSN的奶牛信息采集网关节点研究与开发,姓名：郑李鹏 导师：何东健 教 授,报告内容,研究目的及意义 国内外研究现状 研究内容 研究方法及技术路线 预期结果 创新点,奶牛业是经济、高效的畜牧产业，是现代农业的重要组成部分。当今世界各国都普遍重视发展奶业，发达国家奶业产值一般都占畜牧业总产值的1/3左右。奶业已成为发达国家农业的主导产业，发展中国家特别是亚洲国家近年来也高度重视发展奶牛业。在我国，乳牛业是畜牧业乃至整个农业的重要组成部分和分支产业，是保持我国奶业持续健康发展，优化农业结构，建设现代农业的需要；是促进产业进步，增加农民收入的需要；是改善居民膳食结构，增强国民体质的需要;在国民经

2、济和社会发展中占有重要地位。,（一）研究的背景及意义,目前国内奶牛养殖主要还是以人工养殖为主，奶牛个体信息记录，疾病预测等工作基本靠人工录入和观察，这种人工养殖方式，不仅效率低下不能准确记录奶牛信息，而且浪费了大量的财力物力。因此把现代科学技术引入到奶牛养殖，用科学的手段记录奶牛信息和监测奶牛的实时体征状况，提高奶牛养殖效率和经济效益。 国外对于奶牛信息采集和管理系统的研究相对来说还是比较深入和完善的，但他们的整套系统很复杂，专业性很强，成本也很高，对于我国刚刚向现代化转型的奶牛业来说，很难得到广泛的应用。国内的研究多数还侧重于对奶牛资料的计算机处理方面，虽然也研制了部分软件，但大规模的推广应

3、用还受到诸多条件的限制。在信息的获取方面也只是对奶牛个别信息的自动采集进行了研究，总体上来说是很零散，不系统。因此，开发出比较系统的、低成本、符合我国奶牛业应用实际的自动采集系统是目前急待解决的问题。,本课题拟利用嵌入式系统技术、无线传感网络ZigBee技术和WEB技术收集奶牛的个体信息、实时体征信息最终的WEB页面上发布，拟解决人工记录信息效率低、准确度低的问题，且可实时监测奶牛当前身体状况，对奶牛疾病的提前预测、预警，对提高奶牛养殖效率和奶厂的经济效益有着重要意义： （1）可以省去人工记录奶牛信息的环节，解决了人工记录信息效率低、准确度低的问题，节省大量人力物力。 （2）可以对奶牛身体状况

4、信息进行实时收集，对奶牛疾病的提前预测、预警有很大意义。 （3）对收集到的信息可以再WEB页面实时发布，可以直观的看到奶牛当前身体状况。 （4）本系统的成功开发应用到奶牛养殖过程中，对提高奶牛养殖效率和奶厂的经济效益有着重要意义。,（二）国外研究概况,目前国外嵌入式系统技术发展很快，在很多领域得到广泛的应用，目前已成为通信和消费类产品的共同发展方向。 国外奶牛养殖业相对比较发达，国际上将基于微型计算机的信息技术应用到奶牛养殖业上来大约是从50年代末开始的。在美国大多数农场的奶牛儿乎全部采用自由采食饲养，采用高科技设备，仅靠极其有限的人力，就可以完成每天奶牛的检查、诊断、治疗和配种等日常工作，其

5、设备就是在奶牛脖子上带一个感应识别器，与计算机相连，利用专业软件对奶牛进行管理。,（三）国内研究概况,我国信息技术和畜牧科技发展的滞后，信息技术在我国乳业中的应用发展比较缓慢。近年来，国内的奶牛管理软件和实时监控设备的开发和应用都有了长足的进步，奶牛场管理软件技术日趋成熟，实时监控也在不断发展，奶牛场应用水平也在不断上升。但是总体水平还比较低，在国内现在大部分奶牛基本靠人工养殖，信息化程度低，养牛效率低下，浪费大量的人力物力，奶牛管理跟不上来。奶牛的个体自动识别、信息记录、奶牛疾病监测、预警基本是靠人工识别记录，不但准确度不高，而且浪费大量人力和财力。,（四）研究内容,本课题是“基于WSN支撑

6、的奶牛现代化养殖关键技术与设备研究”的子课题，重点研究无线传感网络网关部分。拟采用ZIGBEE技术实现数据的传输，采用ARM9处理器，射频芯片CC2430, 根据ZIGBEE协议栈开发无线传感网络网关节点，按照ZIGBEE协议栈和802.15.4协议编写应用程序实现数据的收发功能，在ARM处理器上编写应用程序实现对数据的处理以及和PC机的通信，和下级节点形成一个完整的网络，实现与下级节点和终端PC机的通信和通信数据的处理，最终将有效信息直观的在WEB页面上发布。,系统的硬件平台设计与实现 选择合适的微处理器、无线传输射频模块、及外围扩展设备。对整个系统电路进行设计，绘制、制作PCB板，测试及仿

7、真。 系统软件平台的设计与实现 系统软件包括网关节点软件和PC机上软件两部分。网关节点软件主要包括微操作系统的移植、编译、无线通信程序的设计、SPI程序设计、数据存储程序设计、数据处理程序设计几大部分。PC机上软件主要包括数据存储处理程序设计和WEB实时监测程序设计两部分。,系统组网方式的研究 （1）分析对比基于链的线状网络结构、基于树状的分层网络结构以及基于网格型的平面立体结构的组网方案。 （2）对奶牛厂现场环境进行考察，在分析的基础上，确定系统网络组建方案。,系统关键技术的研究 （1）ZigBee协议的研究。 （2）数据存储、处理的研究。 （3）数据传输稳定性的研究。 产品化设计 （1）产

8、品外观设计。 （2）布局设计。 （3）安装设计。,（五）研究方法及技术路线,为了实现对奶牛个体信息记录和对身体状况信息实时的采集，如牛的温度，牛的活动量，拟构建基于WSN的奶牛信息采集网关系统，具体结构如下图：,硬件平台设计思路与方法,网关节点是无线传感网络的控制中心，能够主动扫描其覆盖范围内的所有路由节点，管理整个无线监测网络完整的路由表，接收来自路由节点的数据，并对数据进行校正、融合等处理，然后通过串口将接收到的数据传送到终端PC机上；同时对于PC机上所发的指令给予相应的处理。网关节点通常连接两个或多个相互独立的网络，需要在传输层以上对不同的协议进行转换，因此对微处理的数据传输和运算能力有

9、较高的要求。,微处理器是整个硬件平台的核心部分，因此选择适当的微处理器对整个硬件设计非常非常关键。目前流行的32位微处理器很多，ARM系列微处理器以其高性能、低成本等优势占有相当的市场份额。ARM9 系列微处理器的高性能、低功耗、并嵌入了较多的外围接口控制器以及支持Linux、Windows CE、Palm OS 等多种主流嵌入式操作系统等特性使得它能应用于无线设备、仪器仪表等领域，所以拟选用ARM9系列微处理器。,网关要通过无线模块来接收路由节点发送的信息，从而获取传感器节点所测的奶牛信息，并通过串口发送到终端PC机上，最终在WEB网页上发布。所以选取一个合适的无线模块对整个硬件的设计也是关

10、键的一步。 CC2430芯片是Chipcon公司生产的首款符合ZigBee技术的2.4GHz射频系统单芯片，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU08051)，具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM。工作时的电流损耗为27mA;在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。在休眠模式时仅0.9mA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统;在待机模式时少于0.6 mA的流耗，外部的中断能唤醒系统，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用,CC2430芯片需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能。所以拟选用CC2430做为无线收发模块。 在

11、选定微处理器和收发模块后，在此基础上还要扩展存储器、电源电路、时钟电路以及复位电路等外围接口电路。,基本工作原理：CC2430无线收发模块接收下级节点发送的信息，CC2430通过SPI接口将接收到的信息交给微处理器ARM9，经过微处理器内部应用程序处理最后将数据通过串口发送到终端PC机上，最后在WEB页面上发布。,软件平台设计思路及方法,ARM网关操作系统的设计 由于ucLinux在标准的Linux基础上进行了适当的裁剪和优化，形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式Linux虽然它的体积很小，ucLinux仍然保留了Linux的大多数的优点:稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件

12、系统的支持、标准丰富的API等以及源码开放免费，所以拟采用ucLinux作为网络协调器的操作系统。 网络协调器操作系统主要由内核映象文件和文件系统映象文件构成，拟采用如下开发方法： （1）ARM LINUX内核文件的编译：首先从网站上免费下载LINUX内核源代码，根据系统实际需要配置并编译ARM LINUX 内核。 （2）文件系统的制作：LINUX操作系统中的根文件系统，有CRAMFS和RAM Disk 等格式，鉴于目前嵌入式系统中主要采用RAM Disk 格式，故系统拟采用RAM Disk格式制作文件系统。,网关应用程序设计 （1）无线通信模块通信程序 无线通信模块要与下层节点进行通信，本系

13、统拟采用基于ZigBee的无线传输技术，因此在无线通信模块上需进行ZigBee协议移植及开发。 （2）网关与无线通信模块的通信程序 当前基于ZigBee协议的无线通信模块基本上都是通过SPI接口与微处理器进行通信的，因此需要设计两者之间的通信程序。 （3）数据处理和存储程序 当接收到下级节点传输上来的信息时，微处理器需要对接收的数据进行存储和处理然后在通过串口发送到终端PC机上。,PC机上应用程序的设计 (1)WEB实时监测系统的设计 PC机接收到数据之后，经过处理，最终要在WEB实时监测系统上发布，以便能直观清晰的监测奶牛实时的信息。,技术路线,本系统采用新兴ZigBee技术做为与下层节点之

14、间通信的技术支持 ZigBee是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信新技术，它依据IEEE 802.15.4标准，协调数千个微小的传感器之间的相互通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，通信效率高。ZigBee是基十IEEE 802.15.4标准的应用于的全球性无线通信标准，强调简单易用、近距离、低速率、低功耗可以广泛应用十工业控制、家庭自动化、医疗护理、智能农业、消费类电子和远程控制等领域，将拥有广阔的应用前景。 ZigBee技术的核心，是运行于微控制器内部的一套软件，我们也称之为软件协议栈，负责该协议规范制定的是Z

15、igBee联盟，ZigBee联盟是一个高速增长的非牟利业界组织，成员包括国际著名半导体生产商、技术提供者、代工生产商以及最终使用者。ZigBee的网络拓扑结构有三种结构星型网络、网状网络、树簇型网络。,本系统采用树簇型网络：,嵌入式系统技术 嵌入式技术是以微处理器为硬件核心模块在此基础上扩展外围电路，然后将微型操作系统移植到微处理器上进行开发研究。 分为硬件和软件两个部分：硬件主要是在微处理器基础上进行外围电路和接口的设计开发，PCB绘制、仿真制作，最后进行整个硬件电路的调试和链接。 软件主要是微型操作系统的定制、编译、移植。最后在此基础上进行应用程序的开发、设计调试。,具体实现技术路线图如下图：,（六）预期结果,实现一个功能完整的、实用性强的WSN网关系统。 （1）能够实时接收路由节点发送的信