基于WSN的动物监测平台的应用研究

２００９年１月农机化研究第１期基于ＷＳＮ的动物监测平台的应用研究

林惠强１，周佩娇２，刘财兴１

（１．华南农业大学信息学院，广州５１０６４２；２．南沙区畜牧服务中心，广州５１１４５８）

摘要：传感器网络是计算机科学技术的一个新的研究领域，具有十分广阔的应用前景．引起了学术界和农工业界的高度重视。为此，针对目前饲养场对动物的行为特征和健康状况无法实时获取的情况，提出在畜牧业中利用无线传感网络传送动物的信息，解决了饲养动物生理特征信息实时传输的问题。同时，根据饲养场的实际情况，结合无线传感网络的特点，设计了一个切实可行的无线传感器网络动物检测系统，系统解决了网络部署、节点设计、节点定位、路由和可视化平台的设计等问题。

关键词：检测平台；无线传感网络；数据传输；畜牧业

中图分类号：Ｓ１２６文献标识码：Ａ文章编号：１００３—１８８Ｘ（２００９）０１一０１９３—０３

０引言１国外基于ＷＳＮ监控动物的研究现状

无线传感器网络（ＷＳＮ）技术是我同中长期发展规划中的重点发展方向之一，作为一种新型无线网络，正成为国际上近年来研究热点…。其中畜牧业作为无线传感器网络应用的重要领域，目前还没有得到应有的重视。２Ｊ。而随着人们消费需求的增长，市场竞争不断加剧，饲养场面临来自国际贸易、环境保护、市场需求等各方面的压力ｊ同时猪和牛饲养中的牲畜口蹄疫、疯牛病和猪瘟等重大动物疾病时有发生，如何利用科技技术提高生产水平和科学饲养是养殖场面临的重要问题。能否对饲养对象的实时健康状况监测及在疫情发生、发生疾病或发情等特殊情况下及时采取相应措施，是个挑战的事情‘３Ｊ。传统饲养场人工获取畜养动物生理数据的方法已经相对落后，其及时性、长期性、方便性及多样性等方面都处在较低水平，这些都减弱了饲养场的信息化水平和竞争力，急需使用先进的智能化信息获取技术来提供方便的畜养动物健康监测数字化平台。为此，本文利用无线传感器网络自动、实时地监测动物的行踪和健康，特别是实时获取用人工不能或不便获取的生理数据，为进一步建立科研人员急需的数据库和统计分析建立基础，从而对动物的发情、疾病、疫情等进行监控和预警。

收稿日期：２００８—０３—１１

基金项目：国家８６３资助项目（２００６ＡＡＩＯＺ２４６）

作者简介：林惠强（１９８１一）。男，广东澄海人，讲师，硕士研究生，（Ｅ—ｍａｉｌ）ｊａｒｃＭ．１ｉｎ＠１６３．ＣＯＩＴＩ。

通讯作者：刘财兴（１９６３一），男，广东韶关人，教授，硕士生导师，（Ｅ—ｍａｉｌ）ｌｉｕ＠ｓｃａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。

无线传感器网络是由一组传感器以ＡｄＨｏｃ方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发送给观察者ＨＪ。其在畜牧业中的应用，在国内还没有查到相关的报道。而在国外已有这方面的研究项目：①监测海燕¨Ｊ。２００２年，美国加州大学伯克利分校同Ｉｎｔｅｌ研究实验室的研究人员在缅因州的大鸭岛（ＧｒｅａｔＤｕｃｋＩｓｌａｎｄ）开展了对海燕的监测，让世界各国研究人员实现无入侵式及无破坏式的，对敏感野生动物及其牺居地的监测。②监测牛旧ｏ。ＴｅｋＶｅｔ公司和ＩＢＭ公司在２００３年合作建立了名为ＴｅｋＳｅｎｓｏｒ的项目，使用有源ＲＦＩＤ家畜进行跟踪系统即时地通过网络确认牛的位置情况，但与传统的家畜跟踪系统不同的是ＴｅｋＶｅｔ项目的ＲＦｌＤ还集成了温度传感器，因此还能对牛的体温进行即时监测，使管理者能够随时了解牛群的健康状况，并对于体温不正常的家畜可以进行早期治疗。③监测母猪＂Ｊ。在Ｈｏｇ＇ｔｈｒｏｂ项目中，丹麦的研究人员把无线传感器网络应用于监测母猪，使用无线传感器网络把母猪的ＩＤ发送到饲养员的手持Ｐｃ上，这样方便了母猪ＩＤ的读取。④监测斑马【８‘９１。美国普林斯顿大学的研究人员开展了对斑马监测的ｚｅ．ｂｒａＮｅｔ项目，设计了带有ＧＰＳ的传感器节点，并把传感器节点安装于斑马的项圈中以监测斑马的行踪。

⑤辨别青蛙和蟾蜍¨０｜。澳大利亚的研究人员使用无线声学传感器网络辨别青蛙和蟾蜍，通过使用Ｍｉｃａ２传感器节点采集声音信息并且扩展传感器网络的覆盖性，而使用Ｓｔａｒｇａｔｅｓ传感器节点来运行耗费资源的

２００９年１月农机化研究第１期运算（如快速傅立叶变换），这种混合型传感器网络能

更好地应用于这种声音辨别应用场景中。

２基于ＷＳＮ的动物检测平台

数字化监测平台的结构图，如图１所示。对饲养

场的动物（如猪／牛）戴上无线传感器节点，通过一定

的路由将相关的信息（如体温、脉搏、位置信息）收集

到Ｓｉｎｋ节点，再通过网络（有线或无线）传送到服务

器上，经过运算，对动物的发情、疾病、疫情通过手机

或ＰＤＡ进行实时预报、预警。为此，建立了能应用于

动物行为跟踪和健康状况监测的数字化和可视化平

台，主要包括无线传感器网络的部署、硬件设备的设

计、定位和路由算法研究、构建可视化的预警平台。

图１数字化监测平台的结构图

Ｆｉｇ．１Ｒｅ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＭｅｆｉｇｕｒ｜ｅｓｕｒｙｅｙｓｙｓｔｅｍ

２．１饲养场的无线传感器网络部署

传感器节点部署的策略很大程度决定着网络感知质量、减少成本和使能耗最小，最终延长节点的寿命¨１｜。对于饲养场，主要监控是动物的体温、脉搏、运动频率等相关参数，因此可在每头动物安装集成的传感器节点。由于饲养场是法接近的环境，可人工安排无线传感器节点。。为了实现比较精确的定位，在饲养圈的四周各布置一个“锚”节点，且每个饲养圈划分为一个“簇”，中间布置“簇头”节点，如图２所示。

图２饲养场无线传感器网络部署图

Ｆｉｇ．２Ｒｅｄｉｓｐｏｓｅ０ｆ山ｅＷＳＮｉｎｂｒｅｅｄｆｉｅｌｄ

考虑“簇头”节点的能量消耗比较大，对“簇头”不仅固定，而且采用有源进行供电，保证“簇头”节点的能量有效。人工的干预均使“簇”的形成和“簇头”的选择不再具有随机性。大大减少了运算量、节约了能源、保证了系统结构的稳定、方便了管理。

２．２无线传感器集成节点

在不同应用中，节点的组成略有不同（见图３），但都包括以下基本单元：传感器单元（传感器及相关信号调理和数模转换等）、处理单元（ＣＰＵ、存储器、嵌入式操作系统）、通信单元及电源（包括相关电源管理）¨引。由于对动物健康状况的检测依赖于相关生理和生化数据的采集，目前并没有满足需求的集成传感器节点，为了同时能够检测到体温、脉搏、呼吸频率等生理参数，不仅需要对传感器进行集成，同时预留一些扩展接口，以便提高扩充性。同时设计节点的体积尽量小，且必须节能耐用，防水、防腐蚀，因为动物在饮水、进食或是在雨天放养时可能会受水或其他物品破坏。此外，对定位系统、移动系统、执行机构、电源自供电装置及复杂信号处理（包括声音、图像、数据处理及信息融合）进行了改进。为了减少运算量，所有计算放在“簇头”上进行运算，动物身上的节点只负责信息的传送。

电源

图３无线传感器网络节点构成

Ｆｉｇ．３

ＲｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＷＳＮｎｏｄｅ

２．３动物的定位跟踪和路由算法

对动物的行为跟踪目的在于收集动物活动的各种状态信息，跟踪的对象是每个动物，必须解决对个体的识别和定位。对于个体表示采用全局的ＩＤ进行唯一表示，利用传感节点的存储器长时间保留该ＩＤ。对于定位，可以采用ＧＰＳ等设备，但是成本过高，对于养殖场来说也存在盲区问题。另外，动物的习性和个体的不同，活动范围的大小也不同，所以基于“Ｒａｎｇｅ—ｆｒｅｅ”定位算法，利用传感器网络内大量“锚”节点的确切位置信息，在不准确距离估算的基础上获得可靠的节点定位。算法开始阶段，所有的“锚”节点向网络发出包括自己位置信息、跳数为０的信息包。其它节点收到这样的信息包，则将跳数加１，再进行转发。最后，所有待定位节点都获得每个“锚”节点的位置信息

２００９年１月农机化研究第１期

以及该节点到锚节点的跳数。“锚”节点根据收到的其它“锚”节点的位置信息和相互间跳数，计算网络内平均每跳距离，并将该信息向网络公布。待定位节点将自己与“锚”节点的总跳数乘以平均每跳距离，得到该节点到每个“锚”节点的估计距离。根据欧几里德距离公式，可以得到一个方程组，未知数是待定位节点的坐标，但是这些计算都是发送到“簇头”上而进行计算的。

系统采用ＰＥＧＡＳＩＳ路由协议¨３｜，这是一种功耗自适应聚类路由算法，从ＬＥＡＣＨ基础上发展而来。该协议假定组成网络的传感器节点是同构且静止的。节点发送能量递减的测试信号，通过检测应答来确定离自己最近的相邻节点。通过这种方式，网络中的所有节点能够了解彼此的位置关系，进而每个节点依据自己的位置选择所属的“簇”，“簇头”参照位置关系优化出到Ｓｉｎｋ节点的最佳链路。由于已经人为确定了“簇”和“簇头”节点，因此系统中ＰＥＧＡＳＩＳ路由协议省去了各节点选择“簇”和各“簇”选择“簇头”的步骤，简化了原协议，仅仅是通过发送测试信号了解位置关系，然后由各“簇头”参照位置关系优化出到Ｓｉｎｋ节点的最佳链路。ＰＥＧＳＩＳ中每个节点都能以最小功率发送数据分组，并完成必要的数据融合¨４｜，减小数据流量。因此，整个网络的功耗较小。

２．４可视化预警平台

可视化可以更为方便管理，提高数字化管理水平。Ｓｉｎｋ节点获取了各个动物身上传感器节点的信息，通过运算不仅可以得到动物的相对位置，而且可以了解到动物的具体生理特征，在动物专家的辅助下，对相关参数的情况进行统计分析，从而对动物的具体进行实时报告。动物监测可视化平台，如图４所示，通过计算，可以获取动物某时段的行为特征，跟踪动物的路径轨迹。

机、Ｉｎｔｅｒａｃｔ的连接，并同过ＧＳＭ模块、红外线接口等，与手机、ＰＤＡ、电话等每个管理人员随时可以获取动物信息的设备结合起来。在饲养动物发生疾病、疫情、发情等特殊情况下，能智能报警，及时通知饲养场管理人员做出响应措施。

３结束语

．无线传感器网络结合了现有的多种先进技术，为人们提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径，把无线传感器网络应用于动物监测能远程、自动、实时地感知研究人员所需的数据，不会破坏动物正常的生活和生理状况，监测所得的数据相对来说比较准确，因此使用无线传感器网络来监测动物的生态行为和生理数据将是一种新的趋势。本文基于无线传感网络构建动物检测平台，拓展无线传感器网络在我国的应用领域，为无线传感器网络在畜牧业中的应用提供参考。

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ｏｎ

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ｗｉｔｈＺｅｂｒａＮｅｔＩｎ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＡＳＰＬＯＳ０２，ＳａｎＪｏｓｅ，

同时，通过无线传感器网络的网关，建立与计算ＣＡｌ２００２．（下转第１９９页）

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ＣｈａｉＨｏｎｇｌｉｎｇｈ，ＦａｎｇＬｕｍｉｎｇ岫，ＷａｎｇＳｕｙａｎ２

（１．ａ．ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｂ．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｓａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＺｈｅｊｉａｎｇＦｏｒｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉ－ｔｙ，Ｌｉｎ７ａｎ３１１３００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｌｉｎ’ａｎＭｕｎｉｃｉｐａｌＧａｒｄｅｎｓＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｖｅＯｆｆｉｃｅ，Ｌｉｎ’ａｎ３１１３００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｓｔｏｍｕｃｈｆｏｒｅｓｔｉｎｔｈｅｍｏｓｔｐａｒｔｓｏｆＺｈｅｊｉａｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ，ｔｈｅｈｉｇｈｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｆｏｒｅｓｔｆｉｒｅａｎｄｄｏｅｓｎｏｔｒｅｃ—ｏｇｎｉｚｅｆｉｒｅｗｈｅｎｕｓｉｎｇｓｉｍｐｌｅｖｉｄｅｏｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅａｔｎｉｇｈｔ，ｔｈｅｐａｐｅｒｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｔｈａｔｃｏｍｂｉｎｅｄｖｉｄｅｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｉｔｈｇｅｏ—ｇｒａｐｈｉｃｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｍｏｎｉｔｏｒｆｏｒｅｓｔｆｉｒｅｓｉｓａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｔｈａｔａｖｉｄｅｏｃａｍｅｒａｅ—ｑｕｉｐｍｅｎｔｓｅｔｕｐｏｎｔｈｅｃｅｒｔａｉｎａｎｄｈｉｇｈｄｉｓｔａｎｃｅｉｎｆｏｒｅｓｔ，ｔｈｅｎｔｈｒｏｕｇｈｌｏｎｇ—ｄｉｓｔａｎｃｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｏｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｏｆｖｉｄｅｏｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｉｓｓｈｏｗｅｄｉｎｔｈｅｆｏｒｅｓｔｇｅｏｇｒａｐｈｉｃｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｄｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｆｏｒｅｓｔｆｉｒｅｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ

（上接第１９５页）

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ＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋＦｏｒＣａｎｅ—ｔｏａｄＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．ＩｎＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ［１３］ＬｉｎｄｓｅｙＳ，ＲａｇｈａｖｅｎｄｒａＣＳ．ＰＥＧＡＳｌＳ：Ｐｏｗｅｒ—ＥｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆＩＰＳＮ２００５／ＳＰＯＴＳ２００５，ＬｏｓＡｎｇｅｌｅｓ，ＣＡ，Ａｐｒｉｌ２００５．ｇａｔｈｅｒｉｎｇｉｎｓｅｎｓｏｒｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ［Ｃ］／／２００２ＩＥＥＥ［１１］谢沽锐，刘才兴，胡月明，等．无线传感器网络的部署ＡｅｒｏｓｐａｃｅＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，２００２，３：１１２５—１１３０．［Ｊ］．传感器与微系统，２００７，ｌ（２６）：４—７．［１４］谢洁锐，胡月明，刘才兴，等．无线传感器网络的沪剧聚［１２］任丰原，黄海宁，林闯．无线传感器网络［Ｊ］．软件学报，合技术［Ｊ］．计算机工程与设计，２００７，２８（２）：５７８—５７９．ＡｂｓｔｒａｃｔＩＤ：１００３—１８８Ｘ（２００９）０１－０１９３一ＥＡ

ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＡｎｉｍａｌＳｕｒｖｅｙＳｙｓｔｅｍ

ＢａｓｅｄｏｎＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓ

ＬｉｎＨｕｉｑｉａｎ９１，ＺｈｏｕＰｅｉｊｉａ０２，ＬｉｕＣａｉｘｉｎ９１

（１，ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ，ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＡ扣ｃｕｌｔｕｒｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｅｒｖｉｃｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰａｓｔｕｒａｇｅｏｆＮａｎｓｈａＡｒｅａ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１１４５８，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓｉｓａｎｅｗａｒｅａｉｎｃｏｍｐｕｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｈａｖｉｎｇａｃａｐａｃｉｏｕｓｆｕｒｔｈｅｒｉｎａｐ—ｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ａｔｔａｃｈｉｎｇｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｔｏｔｈｅａｃａｄｅｍｉａａｎｄｐｅａｓａｎｔａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｏｆｃａｐｔｕｒｉｎｇｔｈｅｂｅｈａｖ—ｉｏｒｃｈａｒａｃｔｅｒｓａｎｄｈｅａｌｔｈｉｎｅｓｓｏｆａｎｉｍａｌｉｎｆｉｅｌｄｂｙｒｅａｌ—ｔｉｍｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｍｅｔｈｏｄｏｆｕｓｉｎｇｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓｔｏｔｒａｎｓｆｅｒｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｐａｓｔｕｒａｇｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｆａｃｔｏｆｂｒｅｅｄｆｉｅｌｄａｎｄｔｈｅｃｈａｒ－ａｃｔｅｒｉｓｔｉｅｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒ，ａｆｅａｓｉｂｌｅｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓｓｙｓｔｅｍｕｓｅｄｉｎｐａｓｔｕｒａｇｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓｅｔｔｌｅｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｎｅｔｗｏｒｋｄｉｓｐｏｓｅ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｎｏｄｅ，ｎｏｄｅｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｒｏｕｔｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙｓｕｒｖｅｙｓｙｓｔｅｍ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｒｖｅｙｓｙｓｔｅｍ；ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ；ｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｐａｓｔｕｒａｇｅ

基于WSN的动物监测平台的应用研究

作者：林惠强， 周佩娇， 刘财兴， Lin Huiqiang， Zhou Peijiao， Liu Caixing

作者单位：林惠强,刘财兴,Lin Huiqiang,Liu Caixing(华南农业大学,信息学院,广州,510642)， 周佩娇,Zhou Peijiao(南沙区畜牧服务中心,广州,511458)

刊名：

农机化研究

英文刊名：JOURNAL OF AGRICULTURAL MECHANIZATION RESEARCH

年，卷(期)：2009，31(1)

被引用次数：0次

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1.期刊论文李武建.张辉基于ZigBee技术的测温无线传感网络平台设计-中国仪器仪表2009(6)

介绍基于ZigBee技术的温度检测平台的系统构成.该平台由节点和网关组成,节点内部集成了无线收发芯片和温度传感芯片,以无线的方式传输数据

;网关用来收集无线网络中各个节点传输的数据,并通过以太网口与上位机互联.整个平台采用ZigBee协议进行无线传输,可应用于各种自动测温检测场所.

本文链接：https://www.wendangku.net/doc/b714667785.html,/Periodical_njhyj200901058.aspx

授权使用：中国农业大学(zgnydx)，授权号：603212d8-6d67-46dc-8288-9e6f00b71125

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