依托省级实验教学示范中心——洛阳理工学院物联网工程实验教学中心和洛阳市农牧智能传感网络系统重点实验室，洛阳理工学院计算机与信息工程学院研发了牧场智能化虚拟仿真实验。本仿真实验以洛阳莱普生信息科技有限公司的智能牧场解决方案为原型，借助3D模型、2D动画和虚拟现实等虚拟仿真技术，通过RFID标签选型及参数配置、微控制器选型和中断控制及程序设计、无线传感器参数设置和网络布设和节点优化、RFID信息读写和网络信息传输、突发异常情况处理等仿真交互操作，高度还原了牧场智能化的牲畜信息感知装置设计、入栏自动化计数系统设计、自动分栏控制器设计和无线传感器网络布设等工作过程中的技术参数配置、程序设计与控制、工作原理和故障诊断处理等核心要素。

牧场智能化虚拟仿真实验共分为4个核心工作过程，对应14个知识点，各个工作过程和知识点关系结构如图1所示。

以下是牧场智能化4个核心工作过程的具体实验原理和知识点说明。

一、基于RFID技术的牲畜信息感知装置设计

基于RFID技术的牲畜信息感知装置的工作原理如图2所示，主要涉及RFID标签类别、频率及通信协议选择、信息写入等3个知识点。

1、RFID标签类别知识点

无线射频识别技术（RFID）是一种非接触的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，在智能牧场中主要用于存储牲畜信息和标识牲畜身份信息。RFID标签有无源和有源两种类型的，其中有源标签有电源，覆盖范围长（最长可达100米左右）；无源标签没有内置电源/电池，覆盖范围小。所以当来进行牲畜分栏控制时，需要选择无源标签、降低干扰，这样不仅不会造成误读，而且适合无电源实际需求。

2、RFID标签频率及通信协议选择和搭建相应的RFID感知识别系统知识点

RFID的可以分为低频（LF）、高频（HF）和超高频（UHF）三个频段，其中低频段对应于频率范围100-500KHz，高频段对应于频率范围10-15MHz，超高频段对应于频率范围850-950MHz。射频标签的通信标准是标签芯片设计的依据，目前国际上与RFID相关的通信标准主要有:ISO/IEC 18000标准（包括7个部分，涉及125KHz, 13.56MHz, 433MHz, 860－960MHz, 2.45GHz等频段），ISO11785（低频），ISO/IEC 14443标准（13.56MHz），ISO/IEC 15693标准（13.56MHz），EPC标准（包括Class0, Class1和GEN2等三种协议,涉及HF和UHF两种频段）,DSRC标准（欧洲ETC标准，含5.8GHz）。其中，ISO/IEC 14443近耦合IC卡，最大的读取距离为10cm；ISO/IEC 15693 疏耦合IC卡，最大的读取距离为1m。

RFID网络感知系统核心要素是频段和通信标准选择，如果选择不当会导致无法通信和识别读写失败，从而造成牲畜漏识别或错误识别。

3、RFID标签存储信息写入和佩戴知识点

RFID标签系统由一个询问器(或阅读器)和很多应答器(或标签)组成。智能牧场中的牲畜的生物信息和身份信息等需要借助读写正确装置写入到RFID标签中，并配到牲畜的耳朵等身体部位，否则RFID感知识别系统无法正确读取和识别。

二、入栏自动化计数系统设计

船闸主要由闸室、闸首和引航道等三个基本部分及相应的设备所组成。船闸可以分为内河船闸和海船闸、单线船闸与多线船闸及单级船闸与多级船闸。

1、微处理器选择知识点

目前，微处理器主要有51系列单片机和STM32处理器两大类。51系列单片机被应用最多的就是89C51和89C52单片机，主要优点是：从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统；能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算；片内RAM区间特别开辟了一个双重功能的地址区间，使用较为灵活。51系列单片机的缺点为：EEPROM等功能需要靠扩展，增加了硬件和软件负担；虽然I/O脚使用简单，但高电平时无输出能力；运行速度过慢，特别是双数据指针。因此，51系列单片机无法满足智能牧场的多任务、实时性要求高、I/O接口繁多等实际工况。相比之下，STM32处理器基于ARM Cortex-M内核，支持串行调试（SWD）和JTAG接口两种调试模式，具备2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压，具有低功耗特性，可以满足智能牧场高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用场景。

2、中断系统技术知识点

中断技术是一种使CPU中止正在执行的程序而转去处理特殊事件的操作,可以使微处理器支持多个外设同时工作，从而可以提高微处理器的利用率，提升数据输入、输出的速度。同时，中断功能可以使微处理器及时处理各种软硬件故障，并根据中断系统的设置自行处理相关故障。在智能牧场入栏装置工作过程中，需要使用步进电机、信息读写装置、传感器控制等多种外设和信息源，对系统的实时性要求较高，是否使用中断技术以及使用硬件中断、软件中断只管重要。通过中断选择和程序设计仿真操作，不仅可以帮助学生理解中断的工作原理，而且可以帮助他们掌握中断程序设计。

3、操作系统选择知识点

STM32处理器需要使用嵌入式操作系统（Embedded Operating System，EOS）。EOS有嵌入式实时操作系统（包括µC/OS-II，嵌入式Linux，Windows Embedded和VxWorks等）以及应用在智能手机和平板电脑的Android、iOS等。EOS具有、需配置相应的开发工具和环境等优点，被广泛应用于工业领域。根据应用场景不同，用户需要选择不同的EOS，例如本次实验应采用系统内核小、专用性强、系统精简、高实时性、多任务的µC/OS-II实时操作系统，保证入栏自动计数装置的实时响应和多任务特征需要。

三、无线传感器网络布设

无线传感器网络主要由传感节点和汇聚节点（Sink节点）组成（见图3）。传感节点具有感知和通信功能的节点，在传感器网络中负责监控目标区域并获取数据，以及完成与其他传感器节点的通信，能够对数据进行简单的处理。汇聚节点，又称为基站节点，负责汇总由传感器节点发送过来的数据，并作进一步数据融合以及其他操作，最终把处理好的数据通过网关上传至互联网。无线传感器网络中各感知节点的位置随机分布，并具有自组织特性。因此，无线传感器网络拓扑结构、协议栈设计、节点电路设计、网关配置、节点布设优化等核心要素直接制约着无线传感器网络的数据集采集和通信质量。

1、无线传感器网络组成与网络拓扑知识点

无线传感器网络的三种常见拓扑结构为星型拓扑、网状拓扑和树状拓扑，如图2-4所示。星形拓扑结构组网时，电池的使用寿命较长、覆盖范围小;网状拓扑具有组网可靠性高、覆盖范围大的优点，但电池使用寿命短、管理复杂;树状拓扑具有星形和网状拓扑的一些特点，既保证了网络覆盖范围大，同时又不至于电池使用寿命过短。因此，从牧场智能化对组网简单、成本低以、使用寿命及网络覆盖范围的工程需要，本实验应选择星形拓扑结构。

2、无线传感器网络覆盖度和节点优化知识点

为了保证无线传感器网络监测的有效性，通常要求监测范围内的每一点都至少处于一个无线传感器节点的监测范围以内；为使无线传感器能够完成对给定区域进行特定的监测任务，必须要进行覆盖控制。牧场智能化过程中，传感器节点分布的覆盖度低至关重要。覆盖度太低会造成无线传感器信息丢失，覆盖度过高不仅经济成本高，而且信息冗余会增加无线传感器系统的稳定性和复杂度。无线传感网络节点仿真的通信能耗模型:

E_Tx( L, d ) = ( E_elec + ε_amp × dⁿ ) × L

E_Rx( L ) = E_elec × L

E_Tx( L, d ) 表示将长度为 比特的数据包发送 距离的能耗；

E_Rx( L ) 表示节点接收长度为 比特的数据包能耗；

E_elec 发送和接收电路能耗系数相同均为；

ε_amp 表示功率放大系数；

d 为传输距离；

dⁿ 为路径损耗；

n 为路径损耗因子（ 2 < n < 5，一般取 n = 2 ）。

3、协议栈与网关配置知识点

无线传感网络的网关负责连接ZigBee网络和Internet网络，处于ZigBee无线传感器网络与Internet网络之间的通道位置， 它在ZigBee网络和互联网之间搭建一条传输数据的通道，实现了 Zigbee 协议数据包和 TCP/IP 协议数据包的相互转换和数据的双向传输，是牧场智能化各装置互联互通的关键。因此，无线传感器网络协议栈搭建和网关配置是理解牧场智能化装置互联互通的核心要素。在仿真实验过程中，用户需要按照图2-5所示，搭建正确的线传感器网络协议栈并正确配置网关参数，否则无法通过动画模拟演示观看网络的拓扑状态。

4、网络通信参数配置知识点

网络通信技术是指通过计算机和网络通信设备对图形和文字等形式的资料进行采集、存储、处理和传输等,使信息资源达到充分共享的技术，可以分为WiFi、Zigbee、485总线和CAN(Controller Area Network)总线等四种：1)Wi-Fi是一种允许电子设备连接到一个无线局域网（WLAN）的技术，通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM 射频频段；2)ZigBee技术主要用于无线个域网（WPAN），是基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的；3)485总线技术采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰和抗噪声干扰的能力；4)CAN总线采用数据块编码的方式，数据块根据帧的类型，能够让挂载在总线上的不同节点接收到相同的数据，再根据每个节点的配置对信息进行选择性处理（处理or丢弃）, 具备错误检测功能、错误通知功能、错误恢复功能等能力。

通信技术选择和参数配置对无线传感器网络的信息采集、存储、处理和传输十分重要。在牧场智能化仿真实验过程中，只有正确选择了Zigbee技术且正确配置汇聚节点网关各项参数，用户才能通过动画看到感知层传感器信息在网络中传输到远端的过程演示，并在远程云平台监控中心看到牲畜棚的环境信息。

四、自动分栏控制器设计

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。根据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。牧场智能化虚拟仿真实验自动分栏控制设计环节，通过模拟传感器和测量对象、环境、精度、稳定性、灵敏度、线性范围等要素选择，借助牲畜三维分栏动画演示，100%实现了传感器选型知识点学习和考核。