采用射頻識別和無人機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)畜牧定位系統(tǒng)的應(yīng)用

引 言

由于人口持續(xù)增長、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快及收入增加等因素驅(qū)動，中國養(yǎng)殖產(chǎn)品消費(fèi)量快速增長，中國養(yǎng)殖業(yè)在較長時期內(nèi)一直處于高速發(fā)展時期。養(yǎng)殖業(yè)快速健康發(fā)展有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化、拓展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長新渠道、增加農(nóng)民就業(yè)機(jī)會和提高農(nóng)民收入，并在農(nóng)業(yè)和工業(yè)之間逐步形成良性循環(huán)。畜牧業(yè)在養(yǎng)殖業(yè)中占有較大比重，畜牧業(yè)主要分為圈養(yǎng)和散養(yǎng)，其中散養(yǎng)的牲畜肉質(zhì)好，能夠滿足人們對肉類口感和營養(yǎng)的要求;同時，散養(yǎng)牲畜價格高，能夠更進(jìn)一步提升養(yǎng)殖戶的收入。

但是由于在中國廣大農(nóng)村， 特別是南方地形地貌， 在山區(qū)、丘陵地帶的散養(yǎng)養(yǎng)殖戶會面臨有以下的問題：

1) 牲畜定位難。在空間面積較大、地形錯綜復(fù)雜的區(qū)域， 很難獲取到牲畜的具體位置。

2) 牲畜容易丟。容易被盜或者自己走丟。

3) 牲畜統(tǒng)計(jì)數(shù)量難。養(yǎng)殖人員難以統(tǒng)計(jì)牲畜的具體數(shù)量。本文針對散養(yǎng)牲畜的痛點(diǎn)，重點(diǎn)研究了無人機(jī)的自動巡航

路徑規(guī)劃算法和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、數(shù)據(jù)預(yù)處理算法，設(shè)計(jì)了基于RFID 和無人機(jī)的畜牧定位系統(tǒng)， 使用簡單、適用性好， 能夠減輕散養(yǎng)管理的難度，減少養(yǎng)殖戶的損失。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于 RFID 和無人機(jī)的畜牧定位系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)顯示 3 個功能模塊。系統(tǒng)組合利用了有源RFID 設(shè)備、無人機(jī)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來解決放養(yǎng)牲畜定位過程中要求電池續(xù)航能力強(qiáng)、體積小、成本低的問題。

系統(tǒng)的基本原理是利用 RFID， 在一百多米的范圍之內(nèi)發(fā)射無線射頻信號，帶有 RFID 讀卡器和手機(jī)的無人機(jī)在放養(yǎng)范圍內(nèi)自動巡航， 每當(dāng)掃描到有 RFID 信號時即把 RFID 數(shù)據(jù)、信號強(qiáng)度，通過藍(lán)牙傳輸?shù)揭粋€智能手機(jī)，手機(jī)獲取到此時地理位置，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后再通過移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)射到系統(tǒng)服務(wù)器端。服務(wù)器端對所采集到的位置和 RFID 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。手機(jī)客戶端 App 可以查看到牲畜的最新位置數(shù)據(jù)，方便養(yǎng)殖戶進(jìn)行牲畜管理。

圖1 畜牧定位系統(tǒng)

1.2 與 GPS定位方案對比

養(yǎng)殖戶對放養(yǎng)的牲畜進(jìn)行定位，必須滿足使用方便、成本低的需求，同時牲畜定位對位置精度要求不高。將每個牲畜都綁定一個 GPS設(shè)備來對其進(jìn)行定位對于大規(guī)模的養(yǎng)殖并不適用。首先，GPS定位設(shè)備需要獲取經(jīng)緯度數(shù)據(jù)并且把數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器， 耗電量非常大。一般 GPS 設(shè)備， 每天發(fā)送幾次位置信息， 電池只能續(xù)航一周左右。養(yǎng)殖戶要經(jīng)常更換電池，使用非常麻煩。其次，GPS 體積較大， 防水性能較差，價格較高， 不利于大規(guī)模使用在牲畜定位。第三，由于 GPS 是主動發(fā)送位置信息， 有人偷盜牲畜的情況并不能及時報警， 實(shí)用性不強(qiáng)。

本系統(tǒng)使用的有源 RFID 電池續(xù)航能力很長， 長達(dá)兩三年，體積較小，有非常好的防水性能。同時，價格成本低。以500只牲畜的規(guī)模計(jì)算，GPS 方案總共需要50000 元 (每個 GPS100 元)，本系統(tǒng)只需要20000元 (每個RFID30元，無人機(jī)和讀卡器5000 元)， 成本減少60% 。并且本系統(tǒng)在實(shí)際中還有以下應(yīng)用：

1) 安裝 RFID 讀卡器和手機(jī)于牲畜棚， 就可以實(shí)現(xiàn)對返回到牲畜棚的牲畜進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)。

2)RFID 讀卡器和手機(jī)放置在主要公路路邊， 一旦有人偷盜牲畜，經(jīng)過公路時，能實(shí)現(xiàn)報警功能。

3) 用戶攜帶配套的 RFID 讀卡器和手機(jī)， 通過手機(jī) App能查看附近的 RFID 卡，也能發(fā)現(xiàn)附近的牲畜。

相比每個牲畜都綁定一個 GPS 進(jìn)行定位的方案， 此方案使用比較方便、實(shí)用性強(qiáng)、價格較低，可以進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

1)RFID 電子標(biāo)簽。系統(tǒng)采用433 MHz的有源 RFID 電子標(biāo)簽，讀寫距離遠(yuǎn)、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)。

2)RFID 閱讀器。系統(tǒng)采用433 MHzRFID 配套的帶有藍(lán)牙模塊的全向讀卡器，具有覆蓋角度廣的優(yōu)點(diǎn)，方便把讀卡數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)等其他設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。

3) 手機(jī)設(shè)備。系統(tǒng)使用一般的安卓智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。手機(jī)藍(lán)牙，讀取 RFID 讀卡器的數(shù)據(jù); 手機(jī)的計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的初步處理， 經(jīng) GPRS/3G/4G 再傳輸?shù)椒?wù)器，減輕服務(wù)器的計(jì)算負(fù)擔(dān)。

4) 無人機(jī)設(shè)備?；谖墨I(xiàn)， 系統(tǒng)采用 Ardupilot帶有自動巡航功能的小型無人機(jī)。Ardupilot無人機(jī)飛控系統(tǒng)支持對無人機(jī)進(jìn)行固定飛行軌跡的模式和固定飛行高度飛行模式的設(shè)定。由于實(shí)際使用場景下， 畜牧場所多是高低不平的山區(qū)。為使無人機(jī)在山區(qū)相對地面保持固定的高度，系統(tǒng)對無 人機(jī)的地面探測設(shè)備進(jìn)行了改裝，將氣壓傳感器替換成激光測距傳感器。

2.2 飛行軌跡規(guī)劃

對無人機(jī)的飛行軌跡規(guī)劃一般分為在線規(guī)劃和離線規(guī)劃兩類。參考文獻(xiàn)， 針對本系統(tǒng)應(yīng)用場景的特點(diǎn)和離線路徑規(guī)劃相比在線規(guī)劃簡單、可行性較高的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用子區(qū)域劃分和螺旋收縮式覆蓋的離線路徑規(guī)劃算法。

子區(qū)域分割的螺旋式掃描方法步驟為：

1)外輪廓較為復(fù)雜時，可以把整個區(qū)域劃分為若干個子區(qū) 域。子區(qū)域的劃分采用雙線掃法， 如圖2。用水平和垂直兩個直線，水平直線自上而下，垂直直線從左往右， 兩根直線會在輪廓邊緣相交或者相切，由此可以劃分出幾個獨(dú)立的子區(qū)域。

圖2 雙線掃法劃分子區(qū)域

2)子區(qū)域內(nèi)采用 “螺旋收縮式”進(jìn)行全覆蓋。相比 “往返前進(jìn)式”的覆蓋方法，前者比后者留下較小的未覆蓋面積， 前者在終點(diǎn)的位置比較固定，一般位于區(qū)域重心附近，如圖3。

圖3 螺旋式覆蓋和往返前進(jìn)式覆蓋

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理算法

無人機(jī)在養(yǎng)殖范圍內(nèi)自動巡航，RFID 讀卡器每隔一定時間間隔 T (默認(rèn)1秒) 掃描區(qū)域內(nèi)的 RFID 標(biāo)簽， 同一時間可能掃描到有多個 RFID 標(biāo)簽和多個信號強(qiáng)度， 組成 RFID 標(biāo)簽集合。RFID 標(biāo)簽集合和當(dāng)前手機(jī)通過 GPS定位獲取到的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，組成原始數(shù)據(jù)，格式如表1。

由于采集時間周期短，原始的數(shù)據(jù)量一般非常大，直接發(fā)送到服務(wù)器，則不利于數(shù)據(jù)分析。利用智能手機(jī)對此原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，可以大大減少發(fā)送數(shù)據(jù)量和減小服務(wù)端數(shù)據(jù)處理和分析的難度。如表2，其中t1和t2有重復(fù)的 RFID， 可以將其合并。

在同一時間內(nèi)能掃描到的 RFID 卡設(shè)備比較多， 需要對搜集到的 RFID 卡數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)去重和融合。讀卡器掃描到的 RFID 原始數(shù)據(jù)是時間點(diǎn)為元數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)序列，即 Data={time，longitude，latitude， [{id1，rssi1｝， {id2，rssi2｝……]｝， 原始數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)序列 data1、data2、data3… …。從 RFID 讀卡器讀取數(shù)據(jù)間隔時間較短 (1 秒)， 每秒采集到的數(shù)據(jù)量比較大。可以把采集的時間間隔延長，把1秒時間間隔增 加為5妙。增加時間周期的方法為：

1) 以5秒時間周期內(nèi)的第一秒數(shù)據(jù)為初始的融合數(shù)據(jù)。

2) 添加其余每秒的數(shù)據(jù)到初始數(shù)據(jù)。合并方法是： 遍歷新數(shù)據(jù)中每個 RFID 數(shù)據(jù)， 若該 RFID 不存在融合數(shù)據(jù)中， 則把該 RFID 數(shù)據(jù)增加到 RFID 列表中。若該 RFID 數(shù)據(jù)已經(jīng)存在 RFID 列表中，并且把rssi值最大的元數(shù)據(jù)的當(dāng)前位置設(shè)置為融合數(shù)據(jù)的位置和rssi值。

算法偽代碼為：

經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，從手機(jī)端發(fā)送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)如表3所示。

3 數(shù)據(jù)處理模塊

3.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

將以按時間劃分的元數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為以 RFID 進(jìn)行劃分的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊采集到的元數(shù)據(jù)格式 Data1= {t1，long1， lati1，{{rfid1，rssi1｝， {rfid2，rssi2｝。｝｝。由于每項(xiàng)數(shù)據(jù)是以時間為主鍵進(jìn)行的劃分，不便于后期的數(shù)據(jù)分析處理，需要把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以 RFID 號為主鍵的劃分。轉(zhuǎn)化方法為遍歷每個rssi和經(jīng) 緯度數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換后格式為 Data= {rfid1， {rssi1，{long1，lati1｝，{rssi2，{long2，lati2｝，… …｝｝｝。

3.2 根據(jù)信號強(qiáng)度修正地理位置

裝載于無人機(jī)上的 RFID 讀卡器在一百多米的范圍內(nèi)掃描

RFID 卡，掃描范圍R，掃描距離在地面的投影距離 L 和飛行高度高度 H 的關(guān)系是：

(1)

假設(shè)無人機(jī)的飛行高度為 30 米， 讀卡器的讀卡范圍是

150米，計(jì)算得到地面上的覆蓋高度是146米。

由于 RFID 讀卡器讀卡距離過長， 定位精度不高。若采用縮短 RFID 讀卡器讀卡距離的方法提高精度， 則需要無人機(jī)在同一區(qū)域內(nèi)掃描的路徑更為密集。本系統(tǒng)使用信號強(qiáng)度 (RS- SI) 修正目標(biāo)位置范圍的方法來提高位置精度。

根據(jù) RSSI和距離的公式：

(2)

則

(3)

其中：n 代表信號傳播常量，d 代表距發(fā)射器間的距離; A 代表距離 1 m 時的接收信號強(qiáng)度。RSSI值會隨著距離的增加按如式 (2) 遞減。即RSSI的值越高，采集的位置數(shù)據(jù)越精確。于是對地理位置的作如下糾正：

1) 在每個 RFID 對應(yīng)的所有經(jīng)緯度數(shù)據(jù)中選擇 RSSI值最大的經(jīng)緯度作為采集經(jīng)緯度。

2) 根據(jù)公式 (3)，使用RSSI值計(jì)算真實(shí)經(jīng)緯度與采集經(jīng)緯度的偏移距離。

牲畜定位位置為經(jīng)緯度加偏移距離。即牲畜位于以經(jīng)緯度位置點(diǎn)為圓心，以偏移距離為半徑的圓范圍內(nèi)。

4 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊包括移動 App 客戶端和服務(wù)器系統(tǒng)。App客戶端除了使用本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊提供的牲畜地理位置數(shù)據(jù) 外，還使用了谷歌的離線數(shù)字地圖。如圖4， 用戶可以在地圖上查看到放養(yǎng)牲畜的地理位置點(diǎn)。利用地理位置數(shù)據(jù)等信息， 可以有效提高養(yǎng)殖戶對牲畜的日常管理效率。

App客戶端提供的功能包括：

1) 每個牲畜最新位置展示。

App提供的基本功能是請求保存在服務(wù)器端的牲畜位置數(shù)據(jù)。

2) 牲畜位置導(dǎo)航。

App配合藍(lán)牙讀卡器對牲畜進(jìn)行精確定位。養(yǎng)殖人員攜帶手機(jī) App和 RFID 閱讀器，RFID 閱讀器接收到附近的 RFID 標(biāo)簽信號，通過藍(lán)牙在手機(jī) APP 上顯示， 從而提示使用者該RFID 的距離遠(yuǎn)近，使用者可以根據(jù)此提示方便找到目標(biāo)位置。

圖4 牧畜管理APP客戶端

3) 基于位置數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析和查詢服務(wù)。

提供每個牲畜和 RFID 設(shè)備間的綁定和解除綁定， 能夠添加對應(yīng)牲畜的種類、性別、生日等基本數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

5.1 實(shí)驗(yàn)方法

利用本系統(tǒng)對安徽省合肥市肥西縣一大型養(yǎng)殖場散養(yǎng)的其中五十頭羊進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)。假定使用 GPS 測量的地理位置為實(shí)際位置。采用多次無人機(jī)巡航測量得到測量位置和 GPS 設(shè)備測量的位置作對比， 并分別求出誤差值， 最終得出平均誤差。

5.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1) 把 RFID 讀卡器、一個安卓手機(jī)綁在無人機(jī)上， 并設(shè)置好手機(jī)通過藍(lán)牙可以連接 RFID 讀卡器。

2)把每個 RFID 設(shè)備系在選定的羊的脖子上。

3) 把 GPS 設(shè)備同時系在帶有 RFID 設(shè)備的那幾只羊脖 子上;

把幾只帶有 RFID 的羊放回到羊群， 開啟無人機(jī)執(zhí)行預(yù)定軌道的巡航，無人機(jī)上的讀卡器掃描到 RFID 設(shè)備， 通過藍(lán)牙傳輸?shù)綗o人機(jī)上的手機(jī)，手機(jī)通過4G 移動網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器。

4) 無人機(jī)巡航幾次求得當(dāng)次待測羊群的測量位置值。

5) 把之前帶測量的羊群設(shè)備換到另外一批羊群上， 重復(fù)做無人機(jī)巡航測量。

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

以下為無人機(jī)飛行一次測量值和實(shí)際值，數(shù)據(jù)全部使用東經(jīng)和北緯。

通過5論測試之后， 得到通過本論文方法的測量誤差為8.24 M。此誤差對于放養(yǎng)牛羊等牲畜的定位， 具有實(shí)際使用價值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的基于RFID 和無人機(jī)的畜牧定位系統(tǒng)所采集到的養(yǎng)只位置數(shù)據(jù)在理論位置估計(jì)范圍內(nèi)， 定位有較高的可靠性和精確度。

6 結(jié) 語

本文針對大規(guī)模放養(yǎng)牲畜的需求， 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于 RFID和無人機(jī)的畜牧定位系統(tǒng)。重點(diǎn)研究了移動機(jī)器人的全覆蓋路徑規(guī)劃和基于 RSSI的地理位置修正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該定位系統(tǒng)能以較低的成本價格解決養(yǎng)殖戶在牲畜放養(yǎng)情況下出現(xiàn)的難以統(tǒng)計(jì)和容易走丟等問題，并且使用方便。