适用于智慧畜牧场景的定位技术研究

张显振，明 辉

（安徽数智建造研究院有限公司，安徽 合肥）

引言

我国是农业大国，有几千年之久的养殖历史。自80 年以来，我国养猪业取得了迅猛发展，家禽如猪、牛、羊的年存栏数和年出栏头数及年产肉量基本呈逐年增长趋势，市场规模在万亿元以上，其中猪肉产量更是占世界一半。为了保持较高的家禽出栏量，依靠传统的个体户散养是无法实现的，必然需要建立集中化、集约化、专业化和工厂化的现代养殖生产体系；而为了保证肉的品质与零散养时一致，大多数采用野外放养的方式，由此产生一系列新的问题，包括如何看管家禽、防止偷盗、以及了解家禽日常活动情况等[3]；因此，本研究主要集中于散养家禽实时看管，重点介绍低功耗、远距离、多功能区域定位成套设备。

1 设备介绍

在本系统中，我们采用了以下的硬件设备作为系统集成的部件。

1.1 定位基站

定位基站作为一个采集装置，用来采集接收定位耳标回传的耳标属性数据、计步数据、体温数据等，同时自身带有语音播放和环境监测功能，设备一般安装在待监测区域正中间，距离地面3～5 m 位置，感应距离为全向球形；定位基站采用双供电模式，即有市电时采用市电供电，无市电时采用电池供电，电池供电下可续航8 h，市电与电池无缝切换，同时市电供电时给电池浮充充电；定位基站按设置的周期通过超远距离蓝牙感应单元对覆盖范围进行扫描，发现定位耳标即发送唤醒指令和数据采集指令给定位耳标，定位管耳标在唤醒后读取自身状态数据传回定位基站处，定位基站将采集的数据与自身站点信息及环境监测数据打包利用4G 网络上传至后台管理中心处理分析和展示；定位基站语音播放单元用于日常中控室管理人员与散养区饲养人员的信息下发以及播放轻音乐保证家禽散养得健康；其相关技术参数如下：（1） 感应距离：半径10～80 m，可调。（2） 感应角度：全向，360°。（3） 供电：DC 9-36 V，自带可充电锂电池。（4） 功耗：〈5 W。（5） 环境监测指标：PM2.5/10、温湿度、大气压、雨量、风速。（6） 声音等级：0～70 dB。（7） 通信方式：下行蓝牙、上行4G。（8） 工作温度：-20 ℃～70 ℃。

1.2 定位标签

定位标签作为终端设备，每一个家禽上配置一个，一般安装在家禽脖子、耳朵等位置，同时根据家禽种类不同定位标签分为两种型号，体积和重量较大的挂脖式定位标签常用于牛、羊等大型家禽监测上，体积和重量较小的耳标式定位标签常用于生猪、鸡鸭等小家禽监测上，均采用超低功耗设计，以保证定位标签工作时间能满足家禽生长周期；定位标签具备计步功能、测温功能、RFID 感应功能以及数据回传功能，其中计步功能可以统计家禽在散养时一日的运动步数，了解家禽的发育状态；测温功能是通过两个金属测温探头测量家禽体表温度，并求均值，以此认作家禽的体温，从而根据体温数据实时了解家禽的健康情况，防止家禽患病无法及时了解，进而造成更大的瘟疫事件；RFID 感应功能用于标签与其他设备联动，如与智能称重系统、自动饮水系统、自动喂食系统联动，同时提供家禽的编码信息；在对家禽监测过程中，生猪的状态监测是难点、痛点，由于生猪体型特征和生活习性，只能将定位标签放置在耳朵上，为了使其牢牢地固定在生猪耳朵上，需要对其重量和体积做严格的控制，过大或过重，都会使得生猪在生长过程中出现脱标、耳朵受伤等严重后果，由此导致设备的续航能力受到极大的挑战，为此本设备采用多种方法降低设备功耗，延长使用时间。其相关技术参数如下：（1）测量范围：-10 ℃～60 ℃（±0.1 ℃）。（2） 电源电压：DC 3.7 V（固体锂离子电池）。（3） RFID：无源高频RFID。（4） 耳标材质：PP+玻纤。（5） 定位方式：蓝牙AOA 定位。（6） 持续工作时间：≥12 个月。（7） 计步原理：加速度传感器。（8） 整体重量：〈15 g。（9） 使用环境温度：-25 ℃～65 ℃。（10） 使用环境湿度：10% RH～80% RH。

2 设备工作原理

2.1 蓝牙区域定位

本研究所述成套定位设备是综合了物联网技术、计算机技术、无线传输技术、微电子技术为一体的集成应用，但其最核心的是具有超低功耗、超远距离感应的蓝牙区域定位技术，蓝牙区域定位技术主要是基于RSSI（Received Signal Strength Indication，信号场强指示）定位原理[1]，即定位基站会不停地发送广播信号，当终端进入基站信号覆盖范围，终端就能感应到基站的广播信号，然后测算出在该基站下的RSSI 值并向该基站发送自身采集相关数据，最后通过基站内置的4G 通信功能将终端数据以及基站本身的数据上传至后台服务器中进行处理、分析，从而得到基站感应范围内的终端数量以及终端上传的监测数据[2]，具体见图1。

图1 蓝牙区域定位示意

2.2 超低功耗

本研究所述定位标签为满足家禽生长周期的监测时间需求，在尽可能平衡设备重量和电池容量参数外，还采用超低功耗设计，最终达到超长续航时间目标。超低功耗是针对设备功耗这一指标来说的，设备功耗广义上指的是该设备在单位时间中完成设定功能所消耗的能源数量；狭义上是指绝大部分电子设备都是采用CMOS 半导体工艺制成的，通过两个MOS晶体管的电路切换来表示0 和1 的，当CMOS 中的门电路切换逻辑电平，N 型和P 型晶体管会同时打开一段时间，此时电流会通过这两个晶体管从电源线流到地线；由公式：

式中：P 为功率；I 为当前电流；R 为电阻大小。可知当有电流流过的时候，就意味着电能的消耗，同时还有发热，两者综合即为设备功耗。

因此设备超低功耗是一项综合技术，不仅仅只局限于主控芯片的功耗设计，还涉及到电路基底技术、封装密度、供电电压、工作频率、外部环境、电路性能指标、接口技术等方面，本研究主要从器件选型、电源管理、工作流程设计等方面实现定位标签的超低功耗。

2.2.1 器件选型

定位标签主控芯片采用高性能低功耗蓝牙BLE单片机见图2，其具有512 KB Flash +（96 KB ROM）+64 KB SRAM，蓝牙协议栈固化, 不再占用Flash 空间；64 KB 的SRAM，分区使用，可以在待机时保存更多用户数据；针对功耗，蓝牙接收峰值电流4.7 mA，MCU 的功耗〈60 uA/MHz，低功耗模式下平均电流可降低到20 uA～30 uA；其广播数据包更加灵活，最多可包含200Byte 数据；传输速率更快，可达到20～30 KB/s。

图2 蓝牙芯片实物

其余器件如电池需选择低自放率、高容量纽扣型电池，同时考虑小型化和高安全性，因此最终选择高防泄露性能的CR2032 二氧化锰纽扣电池，此电池标称3.0 V、标准放电电路0.2 mA，满足设备供电所需，典型放电特性曲线见图3。

图3 电池放电特性曲线

温度探头、九轴传感器、电源芯片等器件皆依照上述器件选型规律，遵循“满足性能、运行电流低、待机电流更低”原则，最终确保设备所用器件在硬件性能上均能达到设计的功耗要求。

2.2.2 电源管理

上文介绍了设备超低功耗所需基本要求，即所用器件均具备低功耗性能，但仅凭器件正确选型是远远不够的，设备是多个器件相互作用的集合体，因此需要通过相关电路设计实现各个器件协调运转，从而达到设想的功耗水平。其中最主要的就是电源管理电路（见图4），其包括转换电路和管理电路，转换电路是将电池电压通过升压或降压转换为各个器件正常工作时所需电压，如5 V、3.8 V、3.3 V、1.8 V 等电压；管理电路是在保证各个器件可以正常工作的前提下，对器件的工作时间的调配提供电路支持，即器件不工作时管理电路使其进入待机模式或低功耗模式，降低设备功耗，同时对于极个别无低功耗模式的器件则通过开关切断其供电，从而根本上消除该器件功耗。

图4 电源管理架构

2.2.3 工作流程设计

在低功耗设计中除了对硬件选型及电路有特殊要求外，其上层应用也需要针对性地设计，如简化整个功能流程，使其设备尽可能多的时间处于休眠模式或停机模式；在休眠模式或停机模式下，降低整个设备工作频率，关闭时钟和不使用的外设，同时将芯片引脚设为高阻抗，并搭配硬件电路设计，最终实现设备整体的低功耗；在针对工作流程低功耗设计中，主要遵循以下原则：（1） 优化功能逻辑，力争最短的时间完成全部功能。（2） 进行某一功能时，其余功能不运行应关闭其供电，避免产生功耗。（3） 采用中断方式查询所需参数结果，对比轮询方式可极大降低资源消耗。（4） 避免使用主函数循环计数延时程序，推荐采用中断计数方式，不仅增加系统实时性，更能缩短功能运行时间，降低设备功耗。

3 设备使用方式

本区域定位设备主要工作流程见图5。

图5 定位设备工作流程

设备分为两大部分，定位基站一般安装在待监测区域中心位置，具有一定高度（推荐3～5 m），并根据规范正确安装好两个天线；定位标签根据家禽种类分别安装在脖子、耳朵、以及脚上，采用塑料片方式使标签设备隔绝电源，防止设备还未正式进行工作就已经开始供电[4]。接着给设备上电，设备在取得稳定供电电压后会进行初始化，包括设备自检、参数配置等操作，初始化完成后，定位基站和定位耳标进行休眠模式，降低功耗，并等待唤醒；当到达采集周期后，定位基站会自动唤醒，并开始对覆盖范围进行广播，若无定位耳标回复则在广播终止时间后将自身监测数据打包上传至后台服务器进行处理分析，若覆盖范围内存在定位耳标，则定位耳标会被唤醒，唤醒后会自动采集温度、步数等数据，并在采集完成打包发送给定位基站，定位基站在广播终止时间后将定位耳标数据以及自身相关数据打包发送到后台服务器进行处理分析，发送完成后定位基站和定位耳标进入休眠模式，以维持最低功耗运行，增长续航时间；在定位基站休眠期间，管理人员可通过发送特定指令进行强制唤醒，用于设置采集周期、发送实时语音信息、以及单独采集基站周围环境信息，完成操作后基站再次进入休眠，等待下一次的唤醒工作。

结束语

本研究适用于智慧畜牧场景下的区域定位, 实现集中养殖模式下散养动物的健康状态和定位实时监测[5]。相比于传统养殖模式，不仅解放了劳动力，而且解决了散养现场动物无法实时了解动物健康状态以及位置信息的问题，使得畜牧养殖更加智能、高效，降低养殖成本，提高市场竞争力。