基于物联网技术的智能牧场定位系统设计

0 引言

在现代畜牧业中，牧场的管理面临着诸多挑战，如牲畜的丢失、疾病传播、放牧效率低下等问题。传统的牧场管理方式已经难以满足日益增长的生产需求，因此，借助先进的物联网技术，开发一套智能牧场定位系统具有重要的现实意义。通过对牧场牲畜的实时定位和监测，不仅可以提高放牧效率，还能及时发现牲畜的异常情况，为牧场管理者提供科学决策依据，促进智慧牧场的建设和发展。

1 系统技术介绍

1.1 网络技术

LoRa：LoRa 是一种长距离无线通信技术，具有低功耗、远距离、大容量的特点。在牧场环境中，LoRa 网络可以覆盖广阔的区域，尤其适用于移动网络基站信号弱的地点，能够稳定地传输牲畜的定位数据和生物体征信息[1]。

NB-IoT：NB-IoT 是一种窄带物联网技术，具有低功耗、广覆盖、低成本的优势。在室外环境中，NB-IoT 可以实现对牲畜的定位和数据传输，其网络覆盖范围广，能够满足牧场不同区域的通信需求[2]。

RFID：RFID（射频识别）技术是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。在牲畜棚等室内环境中，RFID 技术可以快速准确地识别牲畜的身份信息，实现对牲畜的精准定位和管理。

北斗系统：北斗卫星导航系统是我国自主研发的全球卫星导航系统，具有高精度、高可靠性的特点。在智能牧场定位系统中，北斗卫星可以作为备用通信方式，当其他通信方式出现故障或信号不稳定时，能够及时接替数据传输任务，确保定位信息的连续性和准确性。同时，北斗卫星还可以对 LoRa 接受信号进行传输，进一步提高系统的通信能力。

1.2 定位算法

RSSI：RSSI（接收信号强度指示）是一种基于信号强度的定位算法。通过测量牲畜身上携带的定位设备发出的信号强度，结合已知的信号传播模型，可以估算出牲畜与接收节点之间的距离，从而确定牲畜的位置。RSSI 算法简单易实现，成本较低，但在复杂环境中，信号衰减和多径效应会影响定位精度。

TOA ：TOA（到达时间算法）是一种基于时间的定位算法。通过测量信号从发射端到达接收端的时间，结合信号传播速度，可以精确计算出牲畜与接收节点之间的距离，从而实现高精度的定位。TOA 算法对时间同步要求较高，且需要高精度的时钟设备，成本相对较高，但在开阔的牧场环境中，能够提供更准确的定位结果。

1.3 网关与云平台

网关作为系统的核心设备，负责将不同通信方式的数据进行转换和汇聚，实现感知层设备与云平台之间的数据交互。云平台则是整个系统的大脑，负责存储、处理和分析牧场的定位数据和生物体征信息，为牧场管理者提供可视化的管理界面和决策支持。

2 系统整体方案

2.1 整体方案

综合考虑牧场的不同场景和通信需求，本系统采用 LoRa、NB - IoT、RFID 和北斗卫星四种通信方式相结合的方式，对广袤的不同种类的牧场设计了都适用的定位方案，方案总体分为室内和室外两种场景。

在室外开阔且移动网络覆盖强的区域，采用 NB-IoT 通信方式；在移动网络基站覆盖信号弱的地点，使用 LoRa 进行数据传输；在牲畜棚等室内环境中，利用 RFID 技术实现精准定位；北斗卫星则作为备用通信方式，确保数据传输的稳定性和可靠性。

在牧场的室外区域，根据信号覆盖需求和牲畜活动范围，合理部署 LoRa 与 NB-IoT 网关和终端设备。在部署网关过程中，要注意设备的安装高度和角度，避免信号被遮挡或干扰，同时要确保设备的防水、防尘性能，以适应户外环境。在牲畜身上安装 NB-IoT 终端设备，与 LoRa终端设备协同工作，实现数据的实时传输。NB-IoT 终端设备应具备低功耗、小体积、高可靠性的特点，以便在牲畜身上长期稳定运行。

在牲畜棚内，根据牲畜的活动范围和分布情况，合理部署 RFID 读写器。读写器可以安装在牲畜棚的入口、饲料投放区、饮水区等关键位置，形成三角形或四边形结构，以提高定位精度和准确性。例如，可以在牲畜棚的四个角落分别安装一个读写器，形成一个四边形结构，通过多个读写器的协同工作，实现对牲畜的精准定位。

将 RFID 标签与通信模块设计成可调节的项圈或耳标形式，方便安装在不同体型的牲畜身上。项圈或耳标应采用柔软、舒适的材料制作，避免对牲畜造成不适或伤害。在安装时，要确保标签紧贴牲畜的皮肤或毛发，以提高读取的准确性和稳定性。为每个 RFID 标签分配唯一的编码，该编码将与牲畜的身份信息、品种、年龄等数据关联存储在数据库中，便于系统对牲畜进行识别和管理。同时可在设备中嵌入多种传感器，如温度、湿度、加速度传感器、心率传感器和计步器等，可为牲畜的生活环境、体征以及运动情况检测提供数据。

为了提高定位精度，本系统将 RSSI 和TOA 定位算法进行融[3]。在信号良好的开阔区域，主要采用 TOA 算法进行高精度定位；在复杂环境中，结合 RSSI 算法进行辅助定位，通过算法优化、数据融合以及两者定位结果的加权算法提高系统的定位准确性和稳定性。

2.2 系统分层架构

系统分为三层：感知层、传输层和云平台（应用层）。

感知层：由各种传感器和定位设备组成，如 RFID 标签、LoRa 和 NB - IoT 通信模块、北斗模块、加速度传感器、温度传感器、心率传感器和计步器等，负责采集牲畜的定位信息和生物体征数据。

传输层：采用 LoRa、NB-IoT、RFID 和北斗卫星等多种通信技术，将感知层采集到的数据传输到云平台。传输层的设计需要考虑数据传输的可靠性、实时性和覆盖范围。

云平台（应用层）：对传输层传来的数据进行存储、处理和分析，为牧场管理者提供可视化的管理界面，包括地图展示、数据查询、报警管理、远程控制等功能。用户可以通过手机APP 或网页端随时随地查看牧场牲畜的数量、位置情况和健康状况，进行智慧牧场的远程管理和决策。

2.3 网络信号传输的具体实现

LoRa 信号传输：LoRa 模块通过无线射频信号将数据传输到 LoRa 网关，网关再通过有线网络或无线网络将数据传输到云平台。LoRa 信号的传输距离可达数公里，能够满足牧场广阔区域的数据传输需求。

NB-IoT 信号传输：NB-IoT 模块通过蜂窝网络将数据传输到云平台，信号穿透力强，能够在复杂环境中保持稳定的数据传输。

RFID 信号传输：RFID 读写器通过射频信号与牲畜身上的 RFID 标签进行通信，读取标签中的信息，并通过有线网络或无线网络将数据传输到云平台。RFID 信号的传输距离较短，但定位精度高，能够实现对牲畜的精准定位和身份识别。

北斗卫星信号传输：北斗卫星模块通过卫星通信将数据传输到云平台，覆盖范围广，能够在没有地面网络覆盖的区域实现数据传输，确保定位信息的连续性和准确性，作为紧急时刻的备用通信方式。

3 硬件设计

3.1 硬件选择型号

微控制器 ：选用 STM32F103C8T6 作为系统核心控制单元，它具有高性能、低功耗、丰富的外设接口等优点，能够满足系统对数据采集、处理和传输的控制需求。

LoRa 模块：选用 SX1278 模块，该模块具有远距离传输、低功耗、抗干扰能力强的特点，适合在牧场这种广阔区域使用。

NB-IoT 模块：选用 BC26 模块，支持 NB - IoT 通信标准，能够实现稳定的数据传输，适用于室外区域的牲畜定位数据和生物体征信息的传输。

RFID 模块：选用 RC522 模块，包括 RFID 标签和读写器，用于牲畜的身份识别和精准定位。

北斗卫星模块：选用 BD210L 模块，支持北斗卫星定位系统，可提供定位功能，增强系统的定位能力和可靠性。

3.2 硬件系统连接方案

LoRa 模块：通过 SPI 接口与微控制器连接，微控制器的 MOSI、MISO、SCK 引脚分别连接到 LoRa 模块的对应引脚，实现数据的高速传输。

NB-IoT 模块：通过 UART 接口与微控制器连接，连接方式与 LoRa 模块类似。

RFID 模块：通过 SPI 接口与微控制器连接，微控制器的 MOSI、MISO、SCK 引脚分别连接到 RFID 模块的对应引脚，并配置好相应的片选信号。

北斗卫星模块：通过 UART 接口与 STM32F103C8T6 连接，北斗模块的TX 引脚连接到微控制器的 RX 引脚，RX 引脚连接到微控制器的 TX 引脚，实现数据的双向传输。

4 软件设计

4.1 系统软件架构

系统软件采用分层架构设计，包括数据采集层、数据传输层、数据处理层和应用层。

数据采集层：负责从感知层的传感器和定位模块中采集牲畜的定位数据和生物体征信息，通过通信接口将数据传输到数据传输层。

数据传输层：采用多种通信协议，如 LoRaWAN、CoAP、MQTT 等，将采集到的数据传输到云平台的数据处理层。

数据处理层：对传输过来的数据进行存储、分析和处理。通过数据库管理系统对数据进行存储和管理，利用数据挖掘和机器学习算法对数据进行分析，提取有价值的信息。

应用层：为用户提供可视化的管理界面，包括地图展示、数据查询、报警管理、远程控制等功能模块。用户可以通过手机 APP 或网页端随时随地查看牧场的实时情况，进行远程管理和决策。

4.2 数据采集与传输软件设计

数据采集程序：编写数据采集程序，实现对传感器和定位模块的数据采集。程序采用定时采集和事件触发相结合的方式，根据牧场的实际需求和牲畜的活动规律，合理设置采集周期和触发条件，确保数据的实时性和准确性。

数据传输协议：采用 LoRaWAN、CoAP、MQTT 等轻量级通信协议，实现数据的高效传输。在数据传输过程中，对数据进行封装和加密，确保数据的完整性和安全性。

4.3 数据处理与分析软件设计

数据库设计：设计合理的数据库结构，包括牲畜信息表、定位数据表、生物体征数据表、报警记录表等，对牧场的数据进行存储和管理。采用关系型数据库管理系统，如 MySQL、PostgreSQL 等，确保数据的一致性和可靠性。

数据挖掘与分析算法：运用数据挖掘算法对采集到的数据进行分析和处理。通过分析牲畜的活动轨迹、生物体征变化等信息，发现潜在的规律和问题，为牧场管理者提供决策支持。

4.4 应用层软件设计

地图展示功能：在应用层的界面上集成地图功能，通过地图直观地展示牧场的地理位置和牲畜的实时位置。用户可以放大、缩小地图，查看牲畜的活动轨迹和分布情况。

数据查询与统计功能：提供数据查询和统计功能，用户可以根据时间、牲畜编号、区域等条件查询历史数据，生成各种统计报表，如牲畜活动统计、生物体征变化趋势等，为牧场的生产管理提供数据支持。

报警管理功能：设置报警规则，当牲畜的定位信息异常（如远离群体、长时间静止等）或生物体征数据超出正常范围（如体温过高、心率异常等）时，系统自动触发报警，并通过短信、APP 推送等方式通知牧场管理者，及时采取措施。

远程控制功能：通过应用层软件，牧场管理者可以随时知悉牧场牲畜情况，如室内外牲畜数量比对、异常情况查询等，实现对牧场的智能化管理。

5 结束语

基于物联网技术的智能牧场定位系统的设计，为智慧牧场的发展提供了重要的技术支持。通过综合运用多种网络技术和定位算法，结合硬件设备和软件平台的协同工作，实现了对牧场牲畜的实时定位和生物体征监测等，提高了牧场的管理效率和生产效益，保障了牲畜的安全和健康。在未来的发展中，随着物联网技术的不断进步和应用领域的不断拓展，智能牧场定位系统将不断完善和优化，为推动我国畜牧业的现代化发展做出更大的贡献。

参考文献

[1] 张科星. 物联网关键技术分析[J]. 现代信息科技，2018.2(2):189-191

[2]. 胡连华，徐卓，陈海峰.LoRa 与 NBIoT 通信技术研究现状[J].传感器世界.2021.09:1-

[3].许露，陈曦，丁子璇等. 基于 LoRa 技术融合 RSSI 和 TOA 的户外定位方法[J].测控技术，2020,39(10):41-46

王跃霖 1987– ，男，俄罗斯族，内蒙古呼伦贝尔人 地点硕士研究生 工学院 邮编

校级项目：基于物联网的智慧牧场定位研究项目编号：2022FDYB12