奶牛行為信息智能監(jiān)測系統(tǒng)研究

摘要：發(fā)情鑒定是奶牛生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，針對國內(nèi)發(fā)情鑒定方法和研發(fā)設(shè)備自身的不足，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感技術(shù)的奶牛行為信息智能監(jiān)測系統(tǒng)，對其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及相對優(yōu)勢進(jìn)行了介紹。結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅可以準(zhǔn)確判斷奶牛發(fā)情期，經(jīng)適當(dāng)改進(jìn)后還可以實(shí)現(xiàn)對更多動物的體征進(jìn)行監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：奶牛；發(fā)情；無線傳感；智能監(jiān)測

中圖分類號：TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）06-1499-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.06.056

Abstract： Monitoring oestrus of cow is very important during the cow production. In terms of deficient methods and equipment developed to monitor oestrus of cow at present， a system based on wireless sensing technology was proposed. It was able to intelligently monitor the behavior information of cow. The structure， function and relative dominance of system was introduced completely. The system can be used to judge the cow oestrus and monitor more animal physical sign reliably after being appropriately improved.

Key words： cow； oestrus； wireless sensing； intelligent monitor

產(chǎn)奶量充足可使養(yǎng)殖奶牛獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，而發(fā)情鑒定是奶牛生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-4]。目前我國絕大多數(shù)養(yǎng)殖場仍以人工觀察、經(jīng)驗(yàn)判斷的方式進(jìn)行奶牛發(fā)情識別，但其不僅費(fèi)時費(fèi)力，還易發(fā)生誤判與漏檢情況。一些大型養(yǎng)殖企業(yè)引入部分國外先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)，但受其管理模式落后、技術(shù)改進(jìn)困難、售后服務(wù)價格高昂等因素影響，不適合在中小型奶牛養(yǎng)殖企業(yè)中普及。近幾年，研究者圍繞奶牛發(fā)情期監(jiān)測方法進(jìn)行研究，但研發(fā)的監(jiān)測器普遍存在功耗高、重量偏大等不足[5-9]。因此，本研究綜合計(jì)算機(jī)、通信、測控等技術(shù)，設(shè)計(jì)了奶牛行為智能監(jiān)測系統(tǒng)，可準(zhǔn)確采集、記錄、顯示和分析現(xiàn)場奶牛個體的身體物理參數(shù)，為后期及時、準(zhǔn)確判斷奶牛的發(fā)情期等提供科學(xué)依據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

發(fā)情期的奶牛常表現(xiàn)為運(yùn)動步數(shù)增加、體溫上升等[3，6]，結(jié)合相關(guān)參數(shù)的日常變化規(guī)律可提高奶牛發(fā)情判斷的準(zhǔn)確性。此外，系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境為養(yǎng)殖場，使用對象是奶牛，因此在設(shè)計(jì)中考慮到以下幾點(diǎn)：①采用無線傳感技術(shù)，解決養(yǎng)殖場不易布線問題，并且不干擾奶牛正常生活；②選用微處理器內(nèi)核與射頻收發(fā)器緊密集成的芯片，建立了周期性睡眠與喚醒循環(huán)機(jī)制，用于解決以往系統(tǒng)功耗高及重量大等不足；③融合體溫采集模塊與活動量監(jiān)測模塊獲取的信息，實(shí)現(xiàn)奶牛活動狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。

整體系統(tǒng)主要由監(jiān)測儀（下位機(jī)）、數(shù)據(jù)集中器和PC服務(wù)器（上位機(jī)）組成（圖1）。其中，監(jiān)測儀負(fù)責(zé)奶牛個體的識別和個體數(shù)據(jù)的采集與存儲，通過無線射頻方式與數(shù)據(jù)集中器實(shí)現(xiàn)通信；數(shù)據(jù)集中器通過RS232/USB串口與后臺服務(wù)器連接，整個系統(tǒng)采用主從多機(jī)通信方式；用戶通過PC服務(wù)平臺的簡單操作實(shí)現(xiàn)對奶牛個體信息的查詢、瀏覽和分析。

2 智能監(jiān)測系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 監(jiān)測儀的組成

監(jiān)測儀采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由微控制器、活動狀態(tài)采集模塊、體溫采集模塊、電池低電量監(jiān)測模塊和電源模塊組成。監(jiān)測儀原理組成框圖如圖2所示，實(shí)際電路板如圖3所示。

2.1.1 微控制器 選用TI（美國德州儀器公司）公司生產(chǎn)的CC430F5135型芯片作為控制核心，其集成了微處理器內(nèi)核、外設(shè)、軟件和射頻收發(fā)器緊密，大大簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可使用1 GHz以下頻段，具有高靈敏度、低電流消耗、高傳輸速率、功耗超低等特性。其外圍電路如圖4所示，充分利用了I/O接口，使用MOSFET控制方案定時檢測電池電壓，有效地降低了損耗，提高了可靠性。

2.1.2 體溫采集模塊 選用一線式數(shù)字輸出溫度傳感器DS18B20（美國Dallas公司）[10]，其管芯內(nèi)集成了溫敏元件、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片、存儲器芯片和計(jì)算機(jī)接口芯片等多功能模塊，可直接輸出二進(jìn)制溫敏信號。該傳感器與微控制器僅需要一條總線連接，采用外部電源供電模式簡化了軟件操作，提高了供電的驅(qū)動能力。

微控制器經(jīng)單線接口訪問DS18B20的工作流程為：對DS18B20進(jìn)行初始化，發(fā)出ROM操作指令，存儲器（包括RAM和E2RAM）操作指令、處理數(shù)據(jù)。主CPU對ROM操作完畢，即發(fā)出控制指令，使DS18B20完成溫度測量，并將結(jié)果存入高速暫存器中，最后讀取結(jié)果。

2.1.3 活動狀態(tài)采集模塊 將奶牛運(yùn)動的加速度作為判斷其活動狀態(tài)的依據(jù)。選用飛思卡爾半導(dǎo)體生產(chǎn)的MMA7660FC，它是一個三軸數(shù)字輸出I2C的加速度計(jì)，功耗超低。通過配置相應(yīng)的寄存器可使其工作于3種不同模式：方向檢測、振動檢測和敲擊檢測。該系統(tǒng)選用敲擊檢測模式進(jìn)行大動作檢測，并通過連續(xù)兩次判斷動作是否超過設(shè)定閾值，減少誤判，提高可靠性。為了估計(jì)奶牛位姿，增加了方向檢測、記錄身體方位的功能；為了降低工作能耗，使用了自動喚醒/自動睡眠模式。

2.1.4 電源模塊 為了提高微控制器、溫度傳感器、三軸加速度計(jì)的工作穩(wěn)定性，選用了TI公司生產(chǎn)的低壓差線性穩(wěn)壓器TPS79333，具有超低噪聲、快啟動、高穩(wěn)定等特點(diǎn)，外部連接只需3個電容。

2.2 數(shù)據(jù)集中器的設(shè)計(jì)

采用與監(jiān)測儀的微控制器功能基本相同的CC430F5137芯片，因其具有8 kb的FLASH存儲容量，便于存儲更多數(shù)據(jù)。集中器與上位機(jī)之間采用異步串行通信方式，通過SIPEX公司生產(chǎn)的SP3220芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，有效地降低了系統(tǒng)功耗。串口的有線通信均采用中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)，便于多任務(wù)處理。

2.3 無線通信功能的實(shí)現(xiàn)

監(jiān)測儀采集的數(shù)據(jù)通過無線通信方式匯聚到集中器，信息收發(fā)模塊采用了CC430內(nèi)部集成的CC1101，其優(yōu)勢在于使系統(tǒng)的外圍元件更少、節(jié)點(diǎn)體積進(jìn)一步減小、工作于免費(fèi)頻段、調(diào)制格式與當(dāng)前的射頻終端相兼容等。

為了使系統(tǒng)具有更高的發(fā)射功率和接收靈敏度，參數(shù)符合要求的天線是必不可少的。目前433 MHz頻段的天線主要有PCB天線、芯片天線和鞭狀天線3種。綜合考慮多方面因素，在集中器上使用鞭狀天線，以增強(qiáng)通信性能；在監(jiān)測儀上采用PCB天線，以降低成本及重量。經(jīng)過實(shí)際測試，可靠通信距離達(dá)150 m，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

針對中小型奶牛場，采用了由單一集中器和多個監(jiān)測儀布設(shè)的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。各監(jiān)測儀的程序?qū)懛ㄍ耆嗤?，通過Wake-on-radio喚醒模式以監(jiān)視集中器發(fā)來的指令，當(dāng)收到集中器發(fā)送的同步信號時，立刻產(chǎn)生一個與本身ID號相關(guān)聯(lián)的延時函數(shù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸出去。此時，集中器處于接收狀態(tài)，會自動掃描空氣中的信號，并間隔一定時間后進(jìn)行一次同步信號的發(fā)送。一旦發(fā)現(xiàn)有符合協(xié)議的數(shù)據(jù)包，就會進(jìn)行自動的接收，從而實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)（集中器）對多點(diǎn)（監(jiān)測儀）的可靠無線數(shù)據(jù)通信。為了防止數(shù)據(jù)在傳輸中因相互碰撞產(chǎn)生數(shù)據(jù)包丟失或混亂現(xiàn)象，設(shè)計(jì)中采用了時分復(fù)用（TDMA）技術(shù)。

2.4 服務(wù)平臺功能

服務(wù)平臺主要由數(shù)據(jù)錄入、奶牛信息查詢、數(shù)據(jù)顯示、奶牛發(fā)情分析和報表打印等模塊構(gòu)成。其中，數(shù)據(jù)錄入模塊主要是將奶牛場生產(chǎn)中相關(guān)的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，記錄包括：奶牛的出生日期、性別、體型、體況、發(fā)情、配種、胎次等情況；奶牛信息查詢模塊包括個體資料和產(chǎn)奶量兩類，可通過單一限定條件查詢模塊，也可通過多條件復(fù)合查詢；數(shù)據(jù)顯示模塊用以實(shí)時顯示接收到的奶牛體溫及活動量參數(shù)數(shù)據(jù)；奶牛發(fā)情分析模塊通過設(shè)定的閾值結(jié)合接收的數(shù)據(jù)，綜合多種因素分析，做出是否發(fā)情的判斷；報表打印模塊為用戶提供各類歷史數(shù)據(jù)的輸出。

3 小結(jié)

本研究設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感技術(shù)的奶牛行為信息智能監(jiān)測系統(tǒng)。發(fā)情監(jiān)測儀選用功耗低和性能先進(jìn)的傳感器，有效記錄并保存了奶牛的體溫和活動量；采用微處理器內(nèi)核與射頻收發(fā)器集成的芯片，通信過程采用周期喚醒/睡眠循環(huán)模式，進(jìn)一步降低了總體能耗；設(shè)計(jì)出合理的天線，保證了可靠通信距離的同時，大大降低了成本和重量。該系統(tǒng)中采用了三軸加速度計(jì)，可對奶牛位姿進(jìn)行實(shí)時檢測，進(jìn)而判斷奶牛的舒適度。整體系統(tǒng)經(jīng)適當(dāng)改進(jìn)，也可應(yīng)用于人體的活動監(jiān)測和跌倒報警等。

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