引 言

　　奶牛養(yǎng)殖業(yè)是畜牧業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分。自“十五”以來(lái)，中國(guó)奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，奶業(yè)發(fā)展 出現(xiàn)高速增長(zhǎng)，規(guī)模化、集約化、標(biāo)準(zhǔn)化已成為奶牛養(yǎng)殖現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

　　近年來(lái)，瘋牛病、口蹄疫、 奶牛“兩病”等傳染性疾病的流行給中國(guó)奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展帶來(lái)很大影響。加強(qiáng)奶牛養(yǎng)殖的現(xiàn)代化管理，積極進(jìn)行疫情防控，建立奶牛養(yǎng)殖溯源系統(tǒng)，對(duì)保障乳制品質(zhì)量安全及疾病防控具有重要意義。

　　計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)的發(fā)展，為奶牛養(yǎng)殖現(xiàn)代化提供了技術(shù)基礎(chǔ)。在國(guó)外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(wirelesssensor network，WSN)與射頻識(shí)別技術(shù)(radiofrequency identification，RFID)在動(dòng)物健康監(jiān)測(cè)與食品質(zhì)量監(jiān)督等方面都進(jìn)行了深入的研究。Ivan Andonovic等采用無(wú)線傳 感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)牛群活動(dòng)，在牛頸部佩戴無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn) 對(duì)牛的行為特征實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及時(shí)發(fā)現(xiàn)重大疫情。

　　SteveWarre 通過(guò)安裝在牛身上的心電圖儀測(cè)量牛的心跳頻率來(lái)監(jiān)測(cè)其健康狀態(tài)。澳大利亞則建立了畜牧標(biāo)示與追溯系統(tǒng)，其養(yǎng)殖業(yè)廣泛采用 RFID技術(shù)對(duì)動(dòng)物識(shí)別和牛羊肉制品追蹤監(jiān)管。

　　中國(guó)養(yǎng)殖業(yè)近幾年發(fā)展迅速，各種先進(jìn)的技術(shù)手段被應(yīng)用到養(yǎng)殖管理中來(lái)，耿麗微等利用射頻識(shí)別技術(shù)建立了奶牛養(yǎng)殖身份識(shí)別系統(tǒng);康瑞娟等提出利用 PDA采集養(yǎng)殖信息串口通信傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)進(jìn)行養(yǎng)殖追溯; 尹令通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集奶牛的體溫、運(yùn)動(dòng)、呼吸 等體征參數(shù)，建立了奶牛健康狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

　　在上述研究中，數(shù)據(jù)采集與傳輸方式主要有2種， 一種是射頻識(shí)別與有線通信結(jié)合的方式，另一種是使用 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)姆绞健Ｈ魧?2種 技術(shù)結(jié)合，充分發(fā)揮 RFID與 WSN 2種無(wú)線通信技術(shù)各 自的優(yōu)勢(shì)，手持讀寫器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與電腦連接，可解 決手動(dòng)有線連接的傳輸效率低、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)RFID 采集與 WSN 傳輸?shù)臒o(wú)縫隙銜接，養(yǎng)殖數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳送到溯源系統(tǒng)。

　　本文提出一種將RFID與 WSN結(jié)合 的奶牛養(yǎng)殖信息采集與傳輸方法，并對(duì)養(yǎng)殖溯源方案、 網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換等主要內(nèi)容進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)奶牛溯源信息采集與實(shí)時(shí)傳輸管理。

　　1 RFID 與 WSN 結(jié)合的養(yǎng)殖信息溯源方案

　　1.1 溯源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　奶牛養(yǎng)殖溯源是在信息系統(tǒng)支持下，準(zhǔn)確、快速查 詢和監(jiān)控奶牛養(yǎng)殖生命周期內(nèi)活動(dòng)的有效機(jī)制。依據(jù)農(nóng) 業(yè)部第 67號(hào)文件《畜禽標(biāo)識(shí)和養(yǎng)殖檔案管理辦法》中對(duì)畜禽養(yǎng)殖檔案的記載要求，設(shè)計(jì)了奶牛養(yǎng)殖溯源系統(tǒng)數(shù) 據(jù)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

　　養(yǎng)殖數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿菰粗行囊杂涗浀?形式存入數(shù)據(jù)庫(kù)，溯源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包括 5個(gè)追溯單元 模塊，提供從奶牛入場(chǎng)、日常飼喂、病疫及用藥，直到離場(chǎng)整個(gè)養(yǎng)殖環(huán)節(jié)記錄的追溯查詢。模塊設(shè)計(jì)成表格形 式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)，表中記錄反映牛只不同時(shí)期的養(yǎng)殖狀 況。數(shù)據(jù)提交模塊實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和初步處理功能， 最終以記錄形式存入對(duì)應(yīng)模塊表。信息記錄顯示模塊可以對(duì)奶牛養(yǎng)殖記錄進(jìn)行檢索和查詢，并以指定形式展示 給查詢用戶。

　　圖 1 溯源系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

　　1.2 溯源信息采集與傳輸流程

　　基于 RFID與 WSN相結(jié)合的奶牛養(yǎng)殖信息溯源方 案，其信息采集與傳輸流程如圖 2所示。在奶牛入場(chǎng)檢 驗(yàn)合格后為其制作電子耳標(biāo)，射頻寫入編號(hào)、品種、出生日期等信息建立養(yǎng)殖檔案。

　　日常飼養(yǎng)過(guò)程用手持讀寫 器采集飼喂、病疫、繁殖等數(shù)據(jù)信息，通過(guò)基于 Zigbee的 WSN網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)剿菰磾?shù)據(jù)中心。用戶追溯通過(guò)奶牛編 號(hào)檢索養(yǎng)殖環(huán)節(jié)所有信息，若某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，如飼喂環(huán)節(jié)便可溯源到當(dāng)值飼養(yǎng)員、飼料品牌、產(chǎn)地來(lái)源等 信息，從而完成養(yǎng)殖信息采集、傳輸與追溯的整個(gè)流程。

　　圖 2 RFID 與 WSN 結(jié)合的溯源信息采集與傳輸流程

　　該方案通過(guò)手持讀寫器高效快捷的采集養(yǎng)殖信息， 數(shù)據(jù)被無(wú)縫隙傳輸至數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)溯源記錄的實(shí)時(shí)動(dòng) 態(tài)更新，能夠很好解決數(shù)據(jù)采集與傳輸分離問(wèn)題。利用 實(shí)時(shí)在線的 WSN網(wǎng)絡(luò)，飼養(yǎng)員可利用讀寫器查詢奶牛繁殖、檢驗(yàn)、免疫等信息，實(shí)現(xiàn)智能提醒功能。

　　2 RFID 與 WSN 結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)分析

　　將RFID 與 WSN 結(jié)合實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖數(shù)據(jù)的采集與傳輸，需要解決網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)和通信協(xié)議轉(zhuǎn)換 2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

　　2.1 網(wǎng)絡(luò)體系設(shè)計(jì)

　　2.1.1 網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

　　RFID 是一種利用射頻信號(hào)或空間耦合傳輸特性實(shí)現(xiàn)對(duì)物體非接觸的自動(dòng)標(biāo)識(shí)技術(shù)。射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由電子標(biāo)簽、讀寫器和應(yīng)用系統(tǒng)組成，讀寫器射頻讀取 RFID標(biāo)簽信息并傳輸?shù)綉?yīng)用系統(tǒng)。目前應(yīng)用廣泛的多為無(wú)源RFID 標(biāo)簽，其通信距離較短，信號(hào)覆蓋范圍有限。

　　WSN 是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，它能夠協(xié)同地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò) 覆蓋區(qū)域中監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，數(shù)據(jù)處理后以無(wú)線自組多 跳的方式傳送到應(yīng)用系統(tǒng)。WSN具有可大規(guī)模布置、 無(wú)需人工值守、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，有效傳輸半徑高達(dá)100m，將 RFID 與 WSN 結(jié)合便可形成一個(gè)覆蓋整個(gè)奶牛場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)。

　　WSN 和 RFID 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)具有互補(bǔ)性，要形成一個(gè)功能強(qiáng)大的傳輸網(wǎng)絡(luò)，需要設(shè)計(jì)一種合適的網(wǎng)絡(luò)體系架 構(gòu)。基于 Zigbee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有星型網(wǎng)、簇樹狀網(wǎng) 和網(wǎng)狀網(wǎng) 3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　星型網(wǎng)是一個(gè)輻射狀網(wǎng)絡(luò)， 中心節(jié)點(diǎn)為全功能節(jié)點(diǎn)(FFD)，其他節(jié)點(diǎn)為簡(jiǎn)化功能節(jié) 點(diǎn)(RFD)，數(shù)據(jù)和指令均通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)傳輸;簇樹狀網(wǎng)是多個(gè)星型拓?fù)涞募希寐酚善鬟M(jìn)行連接擴(kuò)充和數(shù) 據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)，易于實(shí)現(xiàn)和管理，但網(wǎng)絡(luò)鏈路可靠性低; 網(wǎng)狀網(wǎng)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間都存在通信路徑且不唯一，每 個(gè)節(jié)點(diǎn)都是FFD節(jié)點(diǎn)，具有自動(dòng)組網(wǎng)與動(dòng)態(tài)路由功能， 一條路由出現(xiàn)故障，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)尋找其他路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳 輸，網(wǎng)絡(luò)健壯性、抗毀性較好，能夠很好地適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境要求。

　　在分析對(duì)比 WSN網(wǎng)絡(luò) 3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)后，結(jié)合奶 牛養(yǎng)殖溯源系統(tǒng)應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了如圖3所示星型網(wǎng)與 網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)合的射頻傳感網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。

　　圖 3 網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

　　2.1.2 射頻傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

　　在網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中包含 5類節(jié)點(diǎn)：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路 由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)、讀寫器節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器與 路由器為 FFD節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)為 RFD節(jié)點(diǎn)。

　　1)協(xié)調(diào)器及路由節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中協(xié)調(diào)器也是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)

　　組建和維護(hù)。Zigbee協(xié)調(diào)器建立新網(wǎng)絡(luò)，首先執(zhí)行能量 檢測(cè)掃描確定可用信道，然后選擇PAN標(biāo)識(shí)符來(lái)標(biāo)注此 信道，并為協(xié)調(diào)器分配一個(gè) 16位網(wǎng)絡(luò)地址，同時(shí)設(shè)置

　　MAC 層MacShortAddress PIB 參數(shù)等于該網(wǎng)絡(luò)地址。新網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建成功后，則允許其他節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)成功后節(jié)點(diǎn)間利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

　　路由節(jié)點(diǎn)加入到 WSN網(wǎng)絡(luò)后，提供數(shù)據(jù)幀的路由轉(zhuǎn) 發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)與路由修復(fù)等功能，路由算法 的好壞直接影響到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能，考慮到降低成本、節(jié) 能和使用方便，本文采用AODV改進(jìn)的 AODVjr路由算 法。在 Zigbee路由算法中，AODVjr的許多優(yōu)點(diǎn)使得路 由協(xié)議簡(jiǎn)單化且實(shí)現(xiàn) AODV的基本路由功能。

　　2)讀寫器節(jié)點(diǎn)

　　基于 ARM9平臺(tái)的嵌入式 Linux讀寫器，是 RFID與 WSN技術(shù)結(jié)合的體現(xiàn)。讀寫器設(shè)計(jì)為手持便攜式裝有小型信息采集系統(tǒng)，射頻讀取牛只耳標(biāo)獲取身份信息后， 結(jié)合鍵盤與觸摸屏輸入養(yǎng)殖記錄到信息采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù) 編碼處理后由 WSN網(wǎng)絡(luò)送至網(wǎng)關(guān)上傳溯源中心，供用戶 查詢追溯，還可為飼養(yǎng)員提供繁殖、免疫信息等智能提醒功能。

　　3)終端及標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)路由節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)組成星型拓?fù)洌K端節(jié)點(diǎn)彼此間不能直接通信。

　　終端節(jié)點(diǎn)佩戴于奶牛頸部，以 CC2430模塊為核心，連接有溫度傳感器和振動(dòng)傳感器，定時(shí)采 集奶牛的體溫、運(yùn)動(dòng)量等體征數(shù)據(jù)，通過(guò) WSN網(wǎng)絡(luò)無(wú)線 發(fā)送到管理中心，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)奶牛的健康狀況。RFID標(biāo)簽 節(jié)點(diǎn)在奶牛身份識(shí)別與系統(tǒng)溯源中具有不可替代的作 用，以耳標(biāo)形式設(shè)計(jì)存儲(chǔ)奶牛數(shù)據(jù)信息。

　　2.2 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換

　　RFID 與 Zigbee 的通信協(xié)議規(guī)范、數(shù)據(jù)單元格式和內(nèi)容互不相同，二者間無(wú)法直接通信，需要進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn) 換后才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)縫隙傳輸。ISO/IEC15693-2標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定的讀寫器與標(biāo)簽通信協(xié)議物理層接口由S6700芯 片來(lái)實(shí)現(xiàn)，讀寫器節(jié)點(diǎn)射頻發(fā)出的指令必須符合ASIC通信協(xié)議和 ISO/IEC15693-3規(guī)范格式，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽讀寫操作。本文設(shè)計(jì)的 RFID與 Zigbee協(xié)議轉(zhuǎn)換過(guò)程 如圖 4所示。

　　通信協(xié)議轉(zhuǎn)換過(guò)程主要是對(duì)數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。讀寫器發(fā)出讀取指令后，標(biāo)簽返回響應(yīng)數(shù)據(jù)是 ASIC標(biāo)準(zhǔn) 的數(shù)據(jù)幀，首先取其數(shù)據(jù)域內(nèi)容為 ISO/IEC15693-3標(biāo)準(zhǔn) 的數(shù)據(jù)幀，然后取出 ISO/IEC15693-3標(biāo)準(zhǔn)幀包含的數(shù)據(jù) 域信息，再經(jīng)過(guò) Zigbee協(xié)議棧從應(yīng)用層到物理層逐層打 包，封裝成 Zigbee協(xié)議格式數(shù)據(jù)幀由 WSN網(wǎng)絡(luò)送至數(shù) 據(jù)中心。

　　圖 4 協(xié)議轉(zhuǎn)換過(guò)程

　　3 RFID 與 WSN 結(jié)合的讀寫器節(jié)點(diǎn)

　　讀寫器節(jié)點(diǎn)是奶牛養(yǎng)殖溯源信息采集與傳輸?shù)年P(guān)鍵 設(shè)備，是 RFID與 WSN技術(shù)結(jié)合的交匯點(diǎn)。軟件與硬件設(shè)計(jì)在所有節(jié)點(diǎn)中最為復(fù)雜，其余節(jié)點(diǎn)軟硬件均可在此 節(jié)點(diǎn)上修改實(shí)現(xiàn)，本文重點(diǎn)闡述手持讀寫器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn)。

　　3.1 讀寫器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　讀寫器節(jié)點(diǎn)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，RFID射頻通信模 塊、Zigbee無(wú)線通信模塊、S3C2440核心模塊，共同構(gòu) 成硬件基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)射頻采集與無(wú)線傳輸功能。還包括LCD模塊、USB模塊、鍵盤模塊、調(diào)試模塊、存儲(chǔ)模塊和電源模塊等。

　　3.1.1 RFID射頻通信模塊

　　S6700 是 TI 公司生產(chǎn)的 13.56 MHz 多協(xié)議射頻收發(fā)器芯片，支持 ISO/IEC15693、ISO/IEC14443等多種通信 協(xié)議，通信接口為 SCK、DIN、DOUT和 M_ERR 4條線， 其中 SCK為時(shí)鐘線，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)由 S3C2440控制，接 收數(shù)據(jù)時(shí)由 S6700控制;DIN為數(shù)據(jù)輸入線，S6700通過(guò) DIN 線接收命令和數(shù)據(jù);DOUT 為數(shù)據(jù)輸出線，S6700通過(guò) DOUT線將響應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送給 S3C2440;M_ERR線用 來(lái)檢測(cè)多標(biāo)簽讀取沖突情況。S3C2440微處理器與 S6700 構(gòu)成射頻通信模塊，硬件結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。

　　圖 5 射頻通信模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

　　3.1.2 Zigbee無(wú)線通信模塊

　　S3C2440 處理器是三星公司生產(chǎn)的 ARM920T 嵌入式微處理器，主頻高達(dá) 400 MHz，片上資源豐富，集成 有多種外設(shè)接口，非常適合于嵌入式設(shè)備開發(fā)。CC2430是 TI公司生產(chǎn)的符合 Zigbee技術(shù)的 2.4 GHz無(wú)線收發(fā)器， 支持高達(dá) 250 kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。CC2430無(wú)線模塊通過(guò) RXD與 TXD引腳與 S3C2440微處理器連接通信，兩者 結(jié)合組成 Zigbee無(wú)線通信模塊，硬件結(jié)構(gòu)如圖 6所示。

　　圖 6 無(wú)線通信模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

　　3.2 讀寫器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信以及人機(jī)交互功能，主要包括模塊驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)，數(shù)據(jù)通信 程序開發(fā)和數(shù)據(jù)采集軟件開發(fā) 3部分內(nèi)容。

　　1)嵌入式 Linux 系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核的重要組成部分，在內(nèi)核與硬件設(shè)備之間建立了標(biāo) 準(zhǔn)的抽象接口，使得用戶可以像處理普通文件一樣，對(duì) 設(shè)備進(jìn)行打開、關(guān)閉和讀寫操作。

　　讀寫器驅(qū)動(dòng)程序編寫主要包括 RFID射頻驅(qū)動(dòng)、Zigbee串口驅(qū)動(dòng)和行列掃描鍵 盤驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)程序以模塊方式動(dòng)態(tài)加載到Linux內(nèi)核。 LCD 驅(qū)動(dòng)與 USB 驅(qū)動(dòng)已集成內(nèi)核，參數(shù)修改后重新編譯內(nèi)核，系統(tǒng)啟動(dòng)后直接調(diào)用。

　　2)讀寫器通信編程分為射頻通信與 Zigbee 通信兩部分。讀寫器與 RFID標(biāo)簽通信的 S6700收發(fā)系統(tǒng)是一個(gè)時(shí) 序識(shí)別系統(tǒng)，讀寫器的高頻場(chǎng)依時(shí)序發(fā)射出去，為射頻 標(biāo)簽提供能量并向其發(fā)出指令，在讀寫器發(fā)送的停頓期間，RFID標(biāo)簽將數(shù)據(jù)返回。

　　在 Zigbee協(xié)議棧中加入無(wú)線 通信的應(yīng)用程序，添加任務(wù)到 OSAL任務(wù)列表，編寫處 理函數(shù)實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的接收發(fā)送。編寫完畢后使用 IAREW8051 工具將協(xié)議棧燒寫到 CC2430 模塊，配合 Zigbee串口驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)通信。讀寫器數(shù)據(jù)采集流程如圖 7所示。

　　圖 7 讀寫器數(shù)據(jù)采集流程圖

　　3)養(yǎng)殖信息采集采用 QT 開發(fā)了基于 SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)的奶牛溯源移動(dòng)智能系統(tǒng)，包括牛只管理、飼喂管理、病疫管理、繁殖管理、智能提醒、系統(tǒng)設(shè)置等模塊，實(shí) 現(xiàn)圖形化操作的養(yǎng)殖數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸與存儲(chǔ)功能。

　　4 性能試驗(yàn)與測(cè)評(píng)

　　4.1 測(cè)試條件及方案

　　測(cè)試條件：在戶外場(chǎng)地參照牛舍信息，長(zhǎng)100 m，寬 50 m 范圍內(nèi)，放置 1 個(gè)中心節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)關(guān)，4 個(gè)距中心節(jié)點(diǎn) 25m的路由節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成頂點(diǎn)朝上的正方形分布。10個(gè) RFID 標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，10 個(gè)終端節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，1 個(gè)手持讀寫器用來(lái)采集數(shù)據(jù)，1臺(tái) PC機(jī)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接作為數(shù)據(jù)中心。

　　測(cè)試內(nèi)容及方法： 1)射頻讀寫測(cè)試。利用讀寫器將奶牛信息編碼寫入RFID 標(biāo)簽。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入識(shí)別范圍內(nèi)時(shí)，按掃描鍵射頻讀寫 RFID標(biāo)簽，并記錄其讀寫距離、讀寫正確率和防沖突 識(shí)別標(biāo)簽數(shù)量。測(cè)試共計(jì) 4個(gè)批次，每批次進(jìn)行 50次的 讀寫試驗(yàn)。

　　2)網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試。WSN 網(wǎng)絡(luò)架設(shè)好后，用普通卷尺測(cè)定 Zigbee節(jié)點(diǎn)有效傳輸距離;用秒表測(cè)定系統(tǒng)組網(wǎng)和故障修復(fù)能力;用主動(dòng)測(cè)量方式測(cè)算網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲， 延遲測(cè)試設(shè)定為 2級(jí)路由的 3跳網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)每隔500ms 發(fā)送一個(gè)時(shí)戳數(shù)據(jù)包到終端節(jié)點(diǎn)。

　　終端節(jié)點(diǎn)收到后加入新時(shí)戳，并將數(shù)據(jù)包返回至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)再次記錄時(shí)戳信息，每次發(fā)送 100個(gè)數(shù)據(jù)包，連續(xù)測(cè)試10次。鏈路的時(shí) 延差為取多次測(cè)試的平均值，通過(guò)算法處理后獲得端到端鏈路的單向時(shí)延。

　　3)數(shù)據(jù)采集傳輸測(cè)試。設(shè)定網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為固定起點(diǎn)，每隔 10 m取 1個(gè)測(cè)試點(diǎn)直至 100 m為止。用讀寫器采集 養(yǎng)殖數(shù)據(jù)，選定其中 100條記錄分別編碼為大小 50 Byte的數(shù)據(jù)包，設(shè)定程序每隔 500 ms發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，連續(xù) 發(fā)送 100次進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)試，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試 10次取平 均值，對(duì)丟包率 PLR(packet loss rate)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。 丟包率定義為丟失數(shù)據(jù)包數(shù)與總發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)之比。

　　4.2 測(cè)試結(jié)果及分析

　　射頻讀寫測(cè)試結(jié)果如表 1所示。手持讀寫器在 8 cm以內(nèi)時(shí)，射頻讀寫正確率到達(dá) 100%，但是隨著距離增加 讀寫正確率均大幅下降。試驗(yàn)還表明，讀寫距離受標(biāo)簽 與讀寫器的角度和方向影響很大，通過(guò)增加功率放大模 塊和天線增益可以進(jìn)一步提升射頻讀寫性能。防沖突機(jī)制采用二進(jìn)制搜索算法正確識(shí)讀 4張射頻標(biāo)簽耗時(shí)約為 500 ms，基本滿足多牛只射頻采集養(yǎng)殖信息的需要。

　　表 1 讀寫器數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果

　　性能測(cè)試結(jié)果表明，CC2430 2個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信距離在空曠場(chǎng)地有效傳輸可達(dá) 75 m以上，在有障礙的室內(nèi)傳輸距離降至 35 m。WSN系統(tǒng)啟動(dòng)后 1 min內(nèi)完成節(jié)點(diǎn) 綁定，形成自組網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)拓?fù)浞€(wěn)定后，關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，該路徑孤點(diǎn)拓?fù)浼尤刖W(wǎng)絡(luò)在 3 s內(nèi)完成，具 有較好的自我修復(fù)能力。終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，經(jīng)過(guò)2級(jí)路由的 3跳網(wǎng)絡(luò)到達(dá)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)單向延遲約為 30 ms，延遲時(shí)間隨路由復(fù)雜度而變化。

　　數(shù)據(jù)采集與傳輸測(cè)試，分別在有障礙的室內(nèi)與空曠 場(chǎng)地的戶外不同背景下進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果如圖 8所示。

　　圖 8 室內(nèi)外測(cè)試數(shù)據(jù)丟包率

　　測(cè)試結(jié)果表明，通信距離和背景環(huán)境對(duì)丟包率影響 很大，為了得到良好的通信效果，應(yīng)盡量縮短通信距離 和保持通信范圍的空曠。多次測(cè)試還表明，丟包率大小 與數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度、發(fā)送頻率有關(guān)，連續(xù)采集與傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度控制在 100 Byte內(nèi)，發(fā)送頻率控制在 500 ms左右較為適宜。讀寫器養(yǎng)殖數(shù)據(jù)采集與傳輸如圖 9所示。

　　圖 9 奶牛免疫信息采集與傳輸

　　5 結(jié) 論

　　1)本文提出基于RFID 與WSN 的溯源信息采集與傳輸方法，對(duì)其系統(tǒng)方案、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換等方面進(jìn)行了研究，其構(gòu)建的射頻傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)間直接 通信距離牛舍內(nèi)部為 35m范圍內(nèi)，牛舍間為 75m范圍內(nèi)， 現(xiàn)場(chǎng)采集的養(yǎng)殖數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送，其傳輸丟包率在 5%以內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)、可靠，數(shù)據(jù)信息能夠?qū)崟r(shí)、高效的 發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，以便用戶查詢追溯。

　　2)讀寫器節(jié)點(diǎn)通過(guò)基于 Zigbee 的 WSN 網(wǎng)絡(luò)接入到溯源數(shù)據(jù)中心，既可以在線查詢每頭奶牛的養(yǎng)殖記錄， 又可從數(shù)據(jù)中心獲取奶牛繁殖、免疫保健等信息，為飼 養(yǎng)人員提供智能提醒功能，具有很好的實(shí)用價(jià)值。