群養(yǎng)母豬飲水行為監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)*

陳林鋒，沈明霞，陸明洲，楊曉靜，路順濤，鄭鶴成

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210031;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物醫(yī)學(xué)院 農(nóng)業(yè)部動(dòng)物生理生化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210095)

0 引 言

限位欄是我國(guó)目前主要采用的母豬養(yǎng)殖方式，這種方式限制母豬的自由活動(dòng)空間，不符合動(dòng)物福利要求［1］。針對(duì)國(guó)際貿(mào)易中可能出現(xiàn)的動(dòng)物福利壁壘［2］，母豬群養(yǎng)這種福利化養(yǎng)殖方式受到廣泛關(guān)注。

水是母豬生長(zhǎng)過(guò)程中必不可少的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，飲水行為是判斷母豬健康與否的重要依據(jù)［3，4］。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)牲畜行為監(jiān)測(cè)主要采用人工觀察方式［5］，這種方式不但耗費(fèi)大量時(shí)間和精力、監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)主觀性強(qiáng)，而且也不利于準(zhǔn)確、連續(xù)、穩(wěn)定地記錄。國(guó)外對(duì)豬的飲水行為自動(dòng)化監(jiān)測(cè)起步較早［6，7］，但已有的研究都是對(duì)產(chǎn)床母豬個(gè)體的飲水量監(jiān)測(cè)，或是對(duì)群養(yǎng)仔豬總飲水量的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)群養(yǎng)母豬個(gè)體飲水量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置尚未出現(xiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

本文綜合了射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)、傳感器技術(shù)、無(wú)線通信、網(wǎng)絡(luò)通信以及嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)了用于監(jiān)測(cè)群養(yǎng)母豬個(gè)體飲水行為的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組網(wǎng)的形式將采集的母豬個(gè)體飲水信息發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)飲水母豬的識(shí)別，飲水量的采集以及飲水時(shí)間的記錄。

1 硬件系統(tǒng)

節(jié)點(diǎn)由STM32 微控制器、RFID 讀寫器模快、傳感器模塊、電源模塊、存儲(chǔ)卡模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、CC1101 無(wú)線射頻模塊組成，如圖1 所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)框圖Fig 1 Block diagram of node

為了兼顧處理能力和功耗兩方面的要求，微控制器選用了意法半導(dǎo)體公司的STM32f103RE，對(duì)比普通單片機(jī)而言，其代碼執(zhí)行效率高，具有1.25 DMIPS/MHz 的運(yùn)算能力。搭配32.768 kHz 的外部晶振，可以準(zhǔn)確記錄母豬飲水時(shí)間;通過(guò)SDIO 接口與存儲(chǔ)卡相連，能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存至存儲(chǔ)卡中和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)從存儲(chǔ)卡中讀取。

母豬飲水用的鴨舌式飲水器流速為2 ～3 L/min，選用渦輪式流量計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)水流量的測(cè)量，由于其輸出信號(hào)為4 ～20 mA 的電流信號(hào)，需外接負(fù)載電阻器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，STM32 微控制器通過(guò)內(nèi)部AD 模塊測(cè)量電壓信號(hào)，并通過(guò)電壓值計(jì)算得到母豬的飲水量。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)母豬個(gè)體的識(shí)別，在每頭母豬右耳上打上電子耳標(biāo);相應(yīng)的RFID 讀寫器模塊選用成都慧訊科技公司的VUM9000，采用EPC GEN2 空中接口協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)電子耳標(biāo)內(nèi)部數(shù)據(jù)讀取和ID 號(hào)的寫入;通過(guò)TTL 串口與STM32微控制器相連，采用讀寫器控制協(xié)議與微控制器通信。

無(wú)線射頻通信模塊采用低功耗、低成本的CC1101 模塊，其支持不同的調(diào)制格式抗干擾能力強(qiáng)，能夠很好地抑制噪聲環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響，CC1101 模塊設(shè)定在433 MHz 頻段，模塊通過(guò)SPI 接口與微控制器相連。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 母豬個(gè)體飲水信息采集

母豬個(gè)體飲水信息采集包括母豬個(gè)體的識(shí)別、飲水量的采集以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。軟件流程如圖2 所示。

2.1.1 母豬個(gè)體識(shí)別

RFID 讀寫模塊與STM32 微控制器之間采用讀寫器控制協(xié)議(reader control protocol，RCP)進(jìn)行通信，通信數(shù)據(jù)包格式如圖3 所示，RCP 包采用的是 Big－endian，即高位在前、低位在后。

電子耳標(biāo)固定到豬耳朵之前，依次寫入01，02 等序號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)母豬的編號(hào)。處于節(jié)能考慮，飲水監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)一般情況處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有母豬飲水，流量計(jì)產(chǎn)生一個(gè)上升沿電平跳變喚醒節(jié)點(diǎn)，此時(shí)微控制器將給RFID 讀寫器發(fā)送讀標(biāo)簽ID(多次)命令，獲得對(duì)應(yīng)飲水母豬的ID 號(hào)。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig 2 Flow chart of data acquisition

圖3 數(shù)據(jù)包格式Fig 3 Data packet format

2.1.2 飲水?dāng)?shù)據(jù)獲取

流量計(jì)只能監(jiān)測(cè)水流的速度，經(jīng)過(guò)換算能得到水流量。流速與采樣電壓的換算公式如下

式中 u 為電壓，V;y 為流速，L/h。

當(dāng)獲得正在飲水的母豬ID 后，以1 Hz 頻率對(duì)流量計(jì)輸出進(jìn)行采樣，得到 y1，y2，…，yn，直到母豬離開，將采樣值y1，y2，…，yn累加，得到母豬此次的飲水量 Y。

2.1.3 幀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

節(jié)點(diǎn)采用MicroSD 卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，使用前將MicroSD 卡格式化成FAT32 格式，將獲取到的母豬個(gè)體ID 號(hào)、單次飲水量以及時(shí)間屬性數(shù)值轉(zhuǎn)換為字符封裝成一幀數(shù)據(jù)，調(diào)用存儲(chǔ)模塊將一幀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于MicroSD 卡中。數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)幀格式Fig 4 Data frame format

2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送

節(jié)點(diǎn)采集母豬個(gè)體飲水信息后通過(guò)自組網(wǎng)方式發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)由STM32 微控制器、CC1101 無(wú)線射頻模塊和以太網(wǎng)控制器組成，匯聚網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，軟件流程如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖Fig 5 Flow chart of data sending

2.3 通信協(xié)議

節(jié)點(diǎn)間的通信基于TI 的SimpliciTI 協(xié)議，實(shí)現(xiàn)協(xié)議在STM32 +CC1101 架構(gòu)上的移植。在移植的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了SimpliciTI 協(xié)議，解決了當(dāng)AP 數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)單方面重啟后已有的網(wǎng)絡(luò)中的ED 終端節(jié)點(diǎn)將不能與重啟后的AP 數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)路連接的問(wèn)題。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

RFID 模塊與標(biāo)簽的物理距離和節(jié)點(diǎn)的識(shí)別率密切相關(guān)，物理距離越近，則識(shí)別率越高?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的有效識(shí)別率，RFID 模塊輸出功率設(shè)定為 0 dBm，頻率設(shè)定在914 MHz頻段，工作電壓為3.3 V，軟件設(shè)定周期性發(fā)送讀標(biāo)簽(多次)命令，查看返回的標(biāo)簽信息，用卷尺測(cè)量標(biāo)簽與RFID 模塊之間的直線距離，記錄此距離下的識(shí)別率;隨后增加距離，再記錄下該距離的識(shí)別率，直到無(wú)返回標(biāo)簽信息為止。識(shí)別率以百分?jǐn)?shù)計(jì)算，即RFID 閱讀器發(fā)送100 次盤存命令，計(jì)算標(biāo)簽的響應(yīng)次數(shù)。測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)識(shí)別率Fig 6 Recognition rate of note

由圖6 可知，在20 cm 以內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的識(shí)別率可達(dá)到80%以上，同時(shí)為了避免被母豬拱到，實(shí)驗(yàn)選擇在母豬身高以上20 cm 處放置RFID 讀寫器模塊天線。

節(jié)點(diǎn)在金壇永康農(nóng)牧科技有限公司的一棟群養(yǎng)母豬舍進(jìn)行測(cè)試，選了4 個(gè)圈，每個(gè)圈飼養(yǎng)4 頭母豬，每頭母豬右耳上都打上電子標(biāo)簽，標(biāo)簽編號(hào)為01 ～16，平均體重為190 kg，平均妊娠時(shí)間為90 d，每圈日給料量為9 kg，每個(gè)圈放置一個(gè)節(jié)點(diǎn)，組成一個(gè)簡(jiǎn)單的星型網(wǎng)絡(luò)，采集2012.04.05～2012.04.11 這個(gè)時(shí)間段的母豬飲水?dāng)?shù)據(jù)。鑒于篇幅所限，選擇耳標(biāo)號(hào)為01 的母豬提取其在4 月5 號(hào)的飲水信息如表1 所示。

表1 飲水信息Tab 1 Drinking information

選擇4 個(gè)圈的所有母豬，計(jì)算其從4 月5 號(hào)～4 月11 號(hào)這7 天的平均日飲水量如圖7 所示。

圖7 母豬平均日飲水量Fig 7 Average drinking amount on a day

從表1 中可以看到測(cè)得的母豬平均日飲水量在10 ～11L 之間，這與文獻(xiàn)針對(duì)妊娠期母豬日飲水量記錄保持一致，在本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)母豬體溫每天進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果無(wú)發(fā)燒個(gè)體出現(xiàn)，母豬基本健康。圖中的基本平穩(wěn)的曲線說(shuō)明健康母豬其每天的飲水量基本保持平穩(wěn)，基于這一點(diǎn)，可以通過(guò)觀察母豬的日飲水量是否發(fā)生異常變化來(lái)判斷母豬是否發(fā)生健康異常。

需要說(shuō)明的是文獻(xiàn)中提到不同的母豬個(gè)體其飲水量存在差異，因此，后期的工作需要針對(duì)不同的母豬個(gè)體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飲水行為數(shù)據(jù)，以建立相應(yīng)飲水模型，這樣才能起到飲水行為數(shù)據(jù)在母豬健康異常預(yù)警中的作用。

4 結(jié) 論

本文綜合了傳感器技術(shù)、RFID 技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)以及嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)了母豬飲水行為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)自組網(wǎng)方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心，解決了群養(yǎng)母豬飲水行為難以自動(dòng)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，節(jié)點(diǎn)能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地記錄母豬的飲水量，并與已有文獻(xiàn)記錄保持一致。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)母豬飲水過(guò)程中存在戲水現(xiàn)象，而節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的飲水量是包括戲水消耗的水量和母豬實(shí)際的飲水量。因此，后期的工作中要重點(diǎn)解決母豬戲水量的判斷，以實(shí)現(xiàn)母豬實(shí)際飲水?dāng)?shù)據(jù)的精確記錄。

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