引 言

　　奶牛養殖業是畜牧業和現代農業的重要組成部分。自“十五”以來，中國奶牛養殖業發展迅速，奶業發展 出現高速增長，規模化、集約化、標準化已成為奶牛養殖現代化發展的必然趨勢。

　　近年來，瘋牛病、口蹄疫、 奶牛“兩病”等傳染性疾病的流行給中國奶牛養殖業發展帶來很大影響。加強奶牛養殖的現代化管理，積極進行疫情防控，建立奶牛養殖溯源系統，對保障乳制品質量安全及疾病防控具有重要意義。

　　計算機與通信技術的發展，為奶牛養殖現代化提供了技術基礎。在國外，無線傳感器網絡技術(wirelesssensor network，WSN)與射頻識別技術(radiofrequency identification，RFID)在動物健康監測與食品質量監督等方面都進行了深入的研究。Ivan Andonovic等采用無線傳 感器網絡監測牛群活動，在牛頸部佩戴無線傳感器節點 對牛的行為特征實時監測以及時發現重大疫情。

　　SteveWarre 通過安裝在牛身上的心電圖儀測量牛的心跳頻率來監測其健康狀態。澳大利亞則建立了畜牧標示與追溯系統，其養殖業廣泛采用 RFID技術對動物識別和牛羊肉制品追蹤監管。

　　中國養殖業近幾年發展迅速，各種先進的技術手段被應用到養殖管理中來，耿麗微等利用射頻識別技術建立了奶牛養殖身份識別系統;康瑞娟等提出利用 PDA采集養殖信息串口通信傳輸到管理系統進行養殖追溯; 尹令通過無線傳感器網絡采集奶牛的體溫、運動、呼吸 等體征參數，建立了奶牛健康狀況實時監測系統。

　　在上述研究中，數據采集與傳輸方式主要有2種， 一種是射頻識別與有線通信結合的方式，另一種是使用 無線傳感器網絡進行數據采集與傳輸的方式。若將 2種 技術結合，充分發揮 RFID與 WSN 2種無線通信技術各 自的優勢，手持讀寫器通過無線網絡與電腦連接，可解 決手動有線連接的傳輸效率低、實時性差等問題，實現RFID 采集與 WSN 傳輸的無縫隙銜接，養殖數據可以實時傳送到溯源系統。

　　本文提出一種將RFID與 WSN結合 的奶牛養殖信息采集與傳輸方法，并對養殖溯源方案、 網絡體系架構、通信協議轉換等主要內容進行研究，以實現奶牛溯源信息采集與實時傳輸管理。

　　1 RFID 與 WSN 結合的養殖信息溯源方案

　　1.1 溯源數據結構設計

　　奶牛養殖溯源是在信息系統支持下，準確、快速查 詢和監控奶牛養殖生命周期內活動的有效機制。依據農 業部第 67號文件《畜禽標識和養殖檔案管理辦法》中對畜禽養殖檔案的記載要求，設計了奶牛養殖溯源系統數 據結構如圖 1所示。

　　養殖數據傳輸到溯源中心以記錄的 形式存入數據庫，溯源數據結構主要包括 5個追溯單元 模塊，提供從奶牛入場、日常飼喂、病疫及用藥，直到離場整個養殖環節記錄的追溯查詢。模塊設計成表格形 式存儲在數據庫，表中記錄反映牛只不同時期的養殖狀 況。數據提交模塊實現采集數據的校驗和初步處理功能， 最終以記錄形式存入對應模塊表。信息記錄顯示模塊可以對奶牛養殖記錄進行檢索和查詢，并以指定形式展示 給查詢用戶。

　　圖 1 溯源系統數據結構圖

　　1.2 溯源信息采集與傳輸流程

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

　　日常飼養過程用手持讀寫 器采集飼喂、病疫、繁殖等數據信息，通過基于 Zigbee的 WSN網絡傳輸到溯源數據中心。用戶追溯通過奶牛編 號檢索養殖環節所有信息，若某一環節出現問題，如飼喂環節便可溯源到當值飼養員、飼料品牌、產地來源等 信息，從而完成養殖信息采集、傳輸與追溯的整個流程。

　　圖 2 RFID 與 WSN 結合的溯源信息采集與傳輸流程

　　該方案通過手持讀寫器高效快捷的采集養殖信息， 數據被無縫隙傳輸至數據中心，實現溯源記錄的實時動 態更新，能夠很好解決數據采集與傳輸分離問題。利用 實時在線的 WSN網絡，飼養員可利用讀寫器查詢奶牛繁殖、檢驗、免疫等信息，實現智能提醒功能。

　　2 RFID 與 WSN 結合的關鍵技術分析

　　將RFID 與 WSN 結合實現養殖數據的采集與傳輸，需要解決網絡體系架構和通信協議轉換 2個關鍵技術。

　　2.1 網絡體系設計

　　2.1.1 網絡體系架構

　　RFID 是一種利用射頻信號或空間耦合傳輸特性實現對物體非接觸的自動標識技術。射頻識別系統一般由電子標簽、讀寫器和應用系統組成，讀寫器射頻讀取 RFID標簽信息并傳輸到應用系統。目前應用廣泛的多為無源RFID 標簽，其通信距離較短，信號覆蓋范圍有限。

　　WSN 是由大量傳感器節點通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡，它能夠協同地實時監測、感知和采集網絡 覆蓋區域中監測對象的信息，數據處理后以無線自組多 跳的方式傳送到應用系統。WSN具有可大規模布置、 無需人工值守、傳輸距離遠的特點，有效傳輸半徑高達100m，將 RFID 與 WSN 結合便可形成一個覆蓋整個奶牛場的網絡。

　　WSN 和 RFID 的技術優勢具有互補性，要形成一個功能強大的傳輸網絡，需要設計一種合適的網絡體系架 構。基于 Zigbee的無線傳感器網絡有星型網、簇樹狀網 和網狀網 3種網絡拓撲結構。

　　星型網是一個輻射狀網絡， 中心節點為全功能節點(FFD)，其他節點為簡化功能節 點(RFD)，數據和指令均通過中心節點傳輸;簇樹狀網是多個星型拓撲的集合，用路由器進行連接擴充和數 據的路由轉發，易于實現和管理，但網絡鏈路可靠性低; 網狀網中任意兩個節點間都存在通信路徑且不唯一，每 個節點都是FFD節點，具有自動組網與動態路由功能， 一條路由出現故障，節點自動尋找其他路由進行數據傳 輸，網絡健壯性、抗毀性較好，能夠很好地適應復雜環境要求。

　　在分析對比 WSN網絡 3種拓撲結構特點后，結合奶 牛養殖溯源系統應用需求，設計了如圖3所示星型網與 網狀網結合的射頻傳感網絡體系架構。

　　圖 3 網絡體系架構

　　2.1.2 射頻傳感網絡節點

　　在網絡體系架構中包含 5類節點：協調器節點、路 由節點、終端節點、讀寫器節點和標簽節點。協調器與 路由器為 FFD節點，終端節點為 RFD節點。

　　1)協調器及路由節點在網絡體系架構中協調器也是網關節點，負責網絡

　　組建和維護。Zigbee協調器建立新網絡，首先執行能量 檢測掃描確定可用信道，然后選擇PAN標識符來標注此 信道，并為協調器分配一個 16位網絡地址，同時設置

　　MAC 層MacShortAddress PIB 參數等于該網絡地址。新網絡創建成功后，則允許其他節點申請加入網絡，入網成功后節點間利用網絡進行通信。

　　路由節點加入到 WSN網絡后，提供數據幀的路由轉 發、路由發現、路由維護與路由修復等功能，路由算法 的好壞直接影響到網絡系統性能，考慮到降低成本、節 能和使用方便，本文采用AODV改進的 AODVjr路由算 法。在 Zigbee路由算法中，AODVjr的許多優點使得路 由協議簡單化且實現 AODV的基本路由功能。

　　2)讀寫器節點

　　基于 ARM9平臺的嵌入式 Linux讀寫器，是 RFID與 WSN技術結合的體現。讀寫器設計為手持便攜式裝有小型信息采集系統，射頻讀取牛只耳標獲取身份信息后， 結合鍵盤與觸摸屏輸入養殖記錄到信息采集系統。數據 編碼處理后由 WSN網絡送至網關上傳溯源中心，供用戶 查詢追溯，還可為飼養員提供繁殖、免疫信息等智能提醒功能。

　　3)終端及標簽節點路由節點與終端節點組成星型拓撲，終端節點彼此間不能直接通信。

　　終端節點佩戴于奶牛頸部，以 CC2430模塊為核心，連接有溫度傳感器和振動傳感器，定時采 集奶牛的體溫、運動量等體征數據，通過 WSN網絡無線 發送到管理中心，實時監測奶牛的健康狀況。RFID標簽 節點在奶牛身份識別與系統溯源中具有不可替代的作 用，以耳標形式設計存儲奶牛數據信息。

　　2.2 通信協議轉換

　　RFID 與 Zigbee 的通信協議規范、數據單元格式和內容互不相同，二者間無法直接通信，需要進行協議轉 換后才能實現數據無縫隙傳輸。ISO/IEC15693-2標準 規定的讀寫器與標簽通信協議物理層接口由S6700芯 片來實現，讀寫器節點射頻發出的指令必須符合ASIC通信協議和 ISO/IEC15693-3規范格式，實現對標簽讀寫操作。本文設計的 RFID與 Zigbee協議轉換過程 如圖 4所示。

　　通信協議轉換過程主要是對數據幀格式進行轉換。讀寫器發出讀取指令后，標簽返回響應數據是 ASIC標準 的數據幀，首先取其數據域內容為 ISO/IEC15693-3標準 的數據幀，然后取出 ISO/IEC15693-3標準幀包含的數據 域信息，再經過 Zigbee協議棧從應用層到物理層逐層打 包，封裝成 Zigbee協議格式數據幀由 WSN網絡送至數 據中心。

　　圖 4 協議轉換過程

　　3 RFID 與 WSN 結合的讀寫器節點

　　讀寫器節點是奶牛養殖溯源信息采集與傳輸的關鍵 設備，是 RFID與 WSN技術結合的交匯點。軟件與硬件設計在所有節點中最為復雜，其余節點軟硬件均可在此 節點上修改實現，本文重點闡述手持讀寫器節點的設計 與實現。

　　3.1 讀寫器節點硬件設計

　　讀寫器節點硬件采用模塊化設計，RFID射頻通信模 塊、Zigbee無線通信模塊、S3C2440核心模塊，共同構 成硬件基礎，實現射頻采集與無線傳輸功能。還包括LCD模塊、USB模塊、鍵盤模塊、調試模塊、存儲模塊和電源模塊等。

　　3.1.1 RFID射頻通信模塊

　　S6700 是 TI 公司生產的 13.56 MHz 多協議射頻收發器芯片，支持 ISO/IEC15693、ISO/IEC14443等多種通信 協議，通信接口為 SCK、DIN、DOUT和 M_ERR 4條線， 其中 SCK為時鐘線，在發送數據時由 S3C2440控制，接 收數據時由 S6700控制;DIN為數據輸入線，S6700通過 DIN 線接收命令和數據;DOUT 為數據輸出線，S6700通過 DOUT線將響應數據發送給 S3C2440;M_ERR線用 來檢測多標簽讀取沖突情況。S3C2440微處理器與 S6700 構成射頻通信模塊，硬件結構如圖 5 所示。

　　圖 5 射頻通信模塊硬件結構圖

　　3.1.2 Zigbee無線通信模塊

　　S3C2440 處理器是三星公司生產的 ARM920T 嵌入式微處理器，主頻高達 400 MHz，片上資源豐富，集成 有多種外設接口，非常適合于嵌入式設備開發。CC2430是 TI公司生產的符合 Zigbee技術的 2.4 GHz無線收發器， 支持高達 250 kbps的數據傳輸速率。CC2430無線模塊通過 RXD與 TXD引腳與 S3C2440微處理器連接通信，兩者 結合組成 Zigbee無線通信模塊，硬件結構如圖 6所示。

　　圖 6 無線通信模塊硬件結構圖

　　3.2 讀寫器節點軟件設計

　　軟件設計實現數據采集、數據處理、數據通信以及人機交互功能，主要包括模塊驅動程序開發，數據通信 程序開發和數據采集軟件開發 3部分內容。

　　1)嵌入式 Linux 系統中，設備驅動程序是操作系統內核的重要組成部分，在內核與硬件設備之間建立了標 準的抽象接口，使得用戶可以像處理普通文件一樣，對 設備進行打開、關閉和讀寫操作。

　　讀寫器驅動程序編寫主要包括 RFID射頻驅動、Zigbee串口驅動和行列掃描鍵 盤驅動，驅動程序以模塊方式動態加載到Linux內核。 LCD 驅動與 USB 驅動已集成內核，參數修改后重新編譯內核，系統啟動后直接調用。

　　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標簽通信的 S6700收發系統是一個時 序識別系統，讀寫器的高頻場依時序發射出去，為射頻 標簽提供能量并向其發出指令，在讀寫器發送的停頓期間，RFID標簽將數據返回。

　　在 Zigbee協議棧中加入無線 通信的應用程序，添加任務到 OSAL任務列表，編寫處 理函數實現采集數據的接收發送。編寫完畢后使用 IAREW8051 工具將協議棧燒寫到 CC2430 模塊，配合 Zigbee串口驅動數據通信。讀寫器數據采集流程如圖 7所示。

　　圖 7 讀寫器數據采集流程圖

　　3)養殖信息采集采用 QT 開發了基于 SQLite 數據庫的奶牛溯源移動智能系統，包括牛只管理、飼喂管理、病疫管理、繁殖管理、智能提醒、系統設置等模塊，實 現圖形化操作的養殖數據采集、處理、傳輸與存儲功能。

　　4 性能試驗與測評

　　4.1 測試條件及方案

　　測試條件：在戶外場地參照牛舍信息，長100 m，寬 50 m 范圍內，放置 1 個中心節點為網關，4 個距中心節點 25m的路由節點，構成頂點朝上的正方形分布。10個 RFID 標簽節點，10 個終端節點隨機分布，1 個手持讀寫器用來采集數據，1臺 PC機與網關節點連接作為數據中心。

　　測試內容及方法： 1)射頻讀寫測試。利用讀寫器將奶牛信息編碼寫入RFID 標簽。當標簽進入識別范圍內時，按掃描鍵射頻讀寫 RFID標簽，并記錄其讀寫距離、讀寫正確率和防沖突 識別標簽數量。測試共計 4個批次，每批次進行 50次的 讀寫試驗。

　　2)網絡性能測試。WSN 網絡架設好后，用普通卷尺測定 Zigbee節點有效傳輸距離;用秒表測定系統組網和故障修復能力;用主動測量方式測算網絡傳輸延遲， 延遲測試設定為 2級路由的 3跳網絡，網關節點每隔500ms 發送一個時戳數據包到終端節點。

　　終端節點收到后加入新時戳，并將數據包返回至網關節點再次記錄時戳信息，每次發送 100個數據包，連續測試10次。鏈路的時 延差為取多次測試的平均值，通過算法處理后獲得端到端鏈路的單向時延。

　　3)數據采集傳輸測試。設定網關節點為固定起點，每隔 10 m取 1個測試點直至 100 m為止。用讀寫器采集 養殖數據，選定其中 100條記錄分別編碼為大小 50 Byte的數據包，設定程序每隔 500 ms發送一個數據包，連續 發送 100次進行點對點測試，每個測試點測試 10次取平 均值，對丟包率 PLR(packet loss rate)進行統計分析。 丟包率定義為丟失數據包數與總發送數據包數之比。

　　4.2 測試結果及分析

　　射頻讀寫測試結果如表 1所示。手持讀寫器在 8 cm以內時，射頻讀寫正確率到達 100%，但是隨著距離增加 讀寫正確率均大幅下降。試驗還表明，讀寫距離受標簽 與讀寫器的角度和方向影響很大，通過增加功率放大模 塊和天線增益可以進一步提升射頻讀寫性能。防沖突機制采用二進制搜索算法正確識讀 4張射頻標簽耗時約為 500 ms，基本滿足多牛只射頻采集養殖信息的需要。

　　表 1 讀寫器數據測試結果

　　性能測試結果表明，CC2430 2個節點的無線通信距離在空曠場地有效傳輸可達 75 m以上，在有障礙的室內傳輸距離降至 35 m。WSN系統啟動后 1 min內完成節點 綁定，形成自組網絡，系統拓撲穩定后，關閉網絡中某個路由節點，該路徑孤點拓撲加入網絡在 3 s內完成，具 有較好的自我修復能力。終端節點發送的數據包，經過2級路由的 3跳網絡到達網關節點單向延遲約為 30 ms，延遲時間隨路由復雜度而變化。

　　數據采集與傳輸測試，分別在有障礙的室內與空曠 場地的戶外不同背景下進行，測試結果如圖 8所示。

　　圖 8 室內外測試數據丟包率

　　測試結果表明，通信距離和背景環境對丟包率影響 很大，為了得到良好的通信效果，應盡量縮短通信距離 和保持通信范圍的空曠。多次測試還表明，丟包率大小 與數據包的長度、發送頻率有關，連續采集與傳輸大量數據時，數據包長度控制在 100 Byte內，發送頻率控制在 500 ms左右較為適宜。讀寫器養殖數據采集與傳輸如圖 9所示。

　　圖 9 奶牛免疫信息采集與傳輸

　　5 結 論

　　1)本文提出基于RFID 與WSN 的溯源信息采集與傳輸方法，對其系統方案、網絡架構、通信協議轉換等方面進行了研究，其構建的射頻傳感網絡，節點間直接 通信距離牛舍內部為 35m范圍內，牛舍間為 75m范圍內， 現場采集的養殖數據通過網絡傳送，其傳輸丟包率在 5%以內，系統運行穩、可靠，數據信息能夠實時、高效的 發送到數據中心，以便用戶查詢追溯。

　　2)讀寫器節點通過基于 Zigbee 的 WSN 網絡接入到溯源數據中心，既可以在線查詢每頭奶牛的養殖記錄， 又可從數據中心獲取奶牛繁殖、免疫保健等信息，為飼 養人員提供智能提醒功能，具有很好的實用價值。