基于ZigBee的畜牧体温检测装置

李自航　贾运捷　赵宇虹　赖宇建　沈行良

摘 要：现代牧场的发展对监控畜牧体温状况提出了更高要求。随着ZigBee无线网络技术的进步，组建基于ZigBee的低成本、高可靠性大规模无线传感器网络成为可能。采用TI公司生产的CC2530单片机和PT100热敏电阻、OTP-538非接触红外体温传感器，搭配上位机软件和数据库构成基于ZigBee的畜牧体温检测及无线传送系统。此系统旨在提高畜牧饲养规范性、食用安全性、产品可靠性，使“现代牧场”科技化、高效化、可靠化。

关键词：ZigBee；CC2530；温度传感器；体温检测；短距离无线网络

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-2163（2015）05-

A Kind of New Technology by Monitoring the Temperature of Livestock based on ZigBee and Wireless Transmission

LI Zihang， JIA Yunjie， ZHAO Yuhong， LAI Yujian， SHEN Xingliang

（School of Electronic and Electrical Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China）

Abstract： With the development of modern ranch， the health monitoring of livestock has also higher demands. Build an inexpensive and reliable wireless sensor network will be possible in pace with the progress of ZigBee wireless network. This design is composed of CC2530 micro-controller which produced by TI Company， PT100 thermistor， a collection of non-contact temperature sensor OTP-538， coordinating with PC software and database.This system aims at improving livestock feeding standard， food safety and product reliability， makes the "Modern Ranch" more technological， efficient and reliable.

Key words： ZigBee； CC2530； Temperature Sensor； Body Temperature Measuring； Wireless Network by Short Distance

0引 言

在现代生活中，食品安全问题引起了人们越来越高的关注。为适应人们对于蔬菜、肉类等食品的质量及安全的追求，有机农业逐渐兴起，出现了诸如“现代牧场”、“智能农场”的概念。就现代畜牧业的行业属性而言，畜牧的生产力20%取决于品种，40%～50%取决于饲料，20%～30%取决于环境[1]。不适宜的环境温度可导致畜牧生产力下降10%～30%。因此，规划设计一个科学合理、监测系统完备的现代牧场，对保证牧场的高效生产和产品质量有着举足轻重的作用。

在各种研究构想中，传感器和无线传输功能是“现代牧场”的重中之重。畜牧养殖过程中，常需要测定畜牧体温以判别其生长状况、健康状况。而实际生产中，由于畜牧数量多、活动能力强，难以使用传统玻璃水银体温计、红外测温枪等工具进行大批、多次测量并统计其结果数据。

ZigBee无线通信技术以其数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低、电池寿命长等优势，有效避免了采用有线网络的布线及高成本问题[2]；TI公司开发的CC2530系列单片机是一款8位的、具有精简指令集、同时兼具超低功耗的混合型单片机，具有很高的应用价值；PT100铂热电阻阻值随温度变化，具有较好的线性度；OTP-538非接触红外体温传感器利用红外幅射测得温度信号，而无需再与待测物体保持接触，其测温范围为-20℃～100℃，符合实际测温需求。采用上述设备及技术，研发的基于ZigBee的畜牧体温检测装置所综合呈现的体积小、低功耗、低成本、无线传输、实时监测及报警、响应速度快等特点，即使其在“现代牧场”领域的智能监控和全局应用中表现出了重要的效能优势和实际价值。线面即分别展开其相应研究综述。

1 系统结构及特点

基于ZigBee的畜牧体温检测装置主要由终端节点、中心节点、上位机软件构成。其中，终端节点包括CC2530单片机模块、电源模块、天线模块和温度传感器模块；中心节点包括CC2530单片机模块、电源模块、天线模块、RS-232串口；上位机软件包括监测软件、数据库软件。

对于羊群a，有羊a1、a2、a3……an（其中n<=65 535）。将终端节点附着于羊身，其PT100铂热电阻传感器探头附着于合适的体温测量点，或使用OTP-538红外体温传感器探头对准合适的体温测量点。中心节点放置于牧场中心位置，与上位机通过RS-232串口连接。上位机监测软件及数据库软件与中心节点进行数据交换，对其实现控制和管理操作。当进入工作状态时，中心节点对终端节点进行ID分配并刷新，确保每个终端节点均可使用唯一的16位短地址进行通讯。温度传感器定时检测到羊的体温数据，并发送到上位机。上位机监测软件依据终端节点ID进行数据汇总和分析，并生成每只羊的体温变化折线统计图和羊群a的体温特征饼状图及柱状图。当羊at体温超出正常范围时，监测软件界面弹出羊at体温监测结果和变化趋势并报警提示，工作人员可根据监测软件数据判断羊at的健康状况。数据库软件与监测软件进行数据交换，储存每只羊体温监测数据。工作人员对每只羊进行身份编号，绘制家谱关系、统计防疫及健康状况，并上传至数据库。当消费者购买羊肉产品时，可通过其身份编号查询羊的信息，确保对羊肉产品生产过程的追根溯源，以保证产品质量。其装置具有如下特点：

（1）体积小。CC2530芯片集成了AD转换和ZigBee功能，显著控制了设备体积尺寸。PT100铂热电阻温度传感器和OTP-538红外体温传感器均具有体积小、重量轻的特点，可置于牲畜体表而不影响其生活；

（2）低功耗。ZigBee协议具有低功耗特性，进入休眠状态时其单片机电流仅邮4μA，发射和接收ZigBee信号时平均电流为35mA，使用7号锂电池可持续工作6个月以上，避免频繁更换电池的弊端；

（3）低成本。ZigBee通过大幅简化协议，降低了对通信控制器的要求，使用8051内核微控制器CC2530芯片，制造成本较低。而且，ZigBee协议免协议专利费的设计，更使得较之Bluetooth和Wi-Fi等无线通讯协议，即大大降低了其选用成本[3]；

（4）组网方便。通过ZigBee组网，本装置拥有较多的节点数和冗余度，最大网络节点数可以达到65 536个，通讯距离也可以在标准的75m基础上大大增加，覆盖面更加延展，并且调整方便，通讯传输安全可靠[4]；

（5）实时监测及报警。本装置可自行组网以实现无线测量、无线传输、数据分析统计的功能；通过PC机可以实时监测牲畜体温，并记录在数据库中，当体温偏离正常值，即可通过PC机软件界面报警；

（6）响应速度快。ZigBee从睡眠转入工作状态一般只需15ms，节点连接进入网络只需30ms。相比较而言，Bluetooth需要3～10s、Wi-Fi需要3s。由于响应较快，也进一步降低了能耗。

2工作原理

基于ZigBee的畜牧体温检测装置使用ZigBee低功耗局域网协议，设计一种以传感器、无线传输为基础的集畜牧体温采集、傳送、记录等功能的解决方案。ZigBee具有自组织、低功耗、低成本、低复杂度的特性，在组网中可支持多达65 000个节点的大规模高可靠性网络；PT100热电阻温度传感器在0℃时电阻为100Ω，其阻值随温度线性变化[5]；OTP-538红外线热电堆传感器利用西贝克效应及汤普森效应作为温度感测的原理，通过红外线的幅射即可得知温度高低而不需与待测系统发生物理接触，其正常检测温度范围为-20℃～100℃[6]。

本装置终端节点附着在畜牧体表，使用电池供电；中心节点通过RS-232通讯接口与上位机连接，使用外部电源供电。其终端节点通过温度传感器测得温度信息，经由CC2530单片机实现AD转换，使用ZigBee无线网络发送到中心节点。中心节点使用ZigBee无线网络接收信号，通过RS-232通讯串口与上位机软件连接并完成储存、显示相应数据并分析的功能；通过上位机软件可以查看各节点数据，并实时监测与管理，当数据偏离正常值时可立即报警。其硬件结构图如图1所示，其工作原理如图2所示。

3 整体设计

3.1传感器设计

据研究可知，羊正常体温为38℃～39.5℃，牛正常体温为37.5℃～39.5℃，猪的正常体温为38℃～39.5℃，鸡正常体温为39.6℃～43.6℃，鸭正常体温为41.0℃～42.5℃，鹅正常体温为40.0℃～41.3℃，火鸡正常体温为41.0℃～41.2℃。据此，可认为大部分活体家禽体温均在35℃～45℃之间，在此温度范围内，使用PT100热电阻温度传感器和OTP-538红外线热电堆传感器，具有较高实用性。研究中，设计应用电路如图3和图4所示。

3.2网络设计

短距离无线网络技术己成为近年来研究热点之一，基于Bluetooth，Wi-Fi和ZigBee等协议的无线网络技术相继问世。ZigBee以其数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低、电池寿命长等优势，在大规模组网领域中展现了巨大的发展潜力。在此，给出ZigBee、Bluetooth、Wi-Fi三种无线网络协议特性比较如表1所示。

相较之下，ZigBee技术在功耗、网络节点、传输距离和成本上具有无可比拟的应用优势。在低信噪比的环境下，ZigBee具有很强的抗干扰性能；在相同的环境中，ZigBee抗干扰性能则远远优于Bluetooth和Wi-Fi。

3.3 单片机模块设计

CC2530是用于2.4-GHz、IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE（家电遥控界标准）应用的一个真正的片上系统解决方案[7]。具体来说，就是能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其它强大的功能。CC2530单片机常规电气参数如表2所示，而图5为CC2530核心板电路图。

4 结束语

随着技术日益成熟以及价格的走低，ZigBee无线网络技术在众多领域取代有线设备已是必然趋势。本文基于CC2530单片机所设计的畜牧体温检测装置是一种新型的畜牧健康监控系统，能够有效降低人工劳动成本，具有较高的实用性。利用上述设备组建大规模无线传感器网络，可建立起星状、网状、树状等多种形式的网络，距离更能有效延伸，在广阔的牧场上具有更高的实用价值。

参考文献：

[1]张大龙.济南市畜牧业生产及动物疫病监测系统的研究与建设[D].泰安：山东农业大学，2008.

[2]周武斌.Zigbee无线组网技术的研究[D].长沙：中南大学，2009.

[3]章伟聪，俞新武，李忠成，等.基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用，2011，20（7）：184-187+120.

[4]李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信网络的应用设计[J].电子设计工程，2011，19（16）：108-111.

[5]孙慧佳.高精度铂电阻测温仪的设计与实现[D].保定：河北大学，2014.

[6]高利波，段纲，尹革芬，等.红外线体温仪在生猪屠宰场体温筛检中的试用效果[J].中国畜牧兽医，2010，37（9）：235-237.

[7]宁炳武.Zigbee网络组网研究与实现[D].大连：大连理工大学，2007.