基于三軸加速度傳感器個體運動行為無線采集節(jié)點的設計

閆麗 邵慶

摘要：利用三軸加速度傳感器MMA7361與無線發(fā)射模塊CC2430設計了1個運動信號的采集節(jié)點，并將其應用于母豬行為監(jiān)測。結果表明，該節(jié)點可實時記錄家畜個體的日常行為數(shù)據(jù)，為進一步數(shù)據(jù)的傳輸和行為模式分析提供基礎數(shù)據(jù)保障。

關鍵詞：三軸加速度傳感器；行為監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡

中圖分類號：TP274+.2 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）07-0434-03

動物行為能一定程度反映動物機體對環(huán)境的適應情況，是動物福利評價的重要指標，因此定量測量動物的行為具有重要意義，將以加速度傳感器為主的采集節(jié)點的設計用于運動行為監(jiān)測方面具有一定應用價值。

三軸加速度傳感器在人體運動行為、能量消耗等方面的應用研究開展比較早[1]，常將傳感器節(jié)點做成穿戴式[2]，戴在手腕上[3]、腰部或是內(nèi)嵌到特制的衣服、鞋里面[4]，同時測量x、y、z 3個軸的加速度值，來判斷人體的手臂和走步姿態(tài)及用于檢測老人的跌倒行為[5-6]。但在動物行為監(jiān)測方面的應用相對較少。2010年，Cornou等開始利用布帶把三軸加速度傳感器和藍牙模塊固定在母豬頸部，將采集到的運動信息傳輸給PC機進行行為分類[7]。國內(nèi)華南農(nóng)業(yè)大學尹令等以牛作為研究對象，基于三軸加速度傳感器開發(fā)了無線傳感器網(wǎng)絡進行奶牛行為特征監(jiān)測，用于判斷奶牛發(fā)情和疾病狀況[8]。南京農(nóng)業(yè)大學劉龍申開展了母豬產(chǎn)前行為監(jiān)測的研究，通過站臥姿態(tài)變化次數(shù)和筑窩行為來預測母豬的分娩時間[9]。

本研究利用三軸加速度傳感器MMA7361與無線發(fā)射模塊CC2430設計了1個運動信號的采集節(jié)點，實現(xiàn)對動物個體日?；顒拥臄?shù)據(jù)記錄，為進一步數(shù)據(jù)的傳輸和行為模式分析提供基礎數(shù)據(jù)保障。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

個體行為的無線監(jiān)測網(wǎng)絡由無線傳感器網(wǎng)絡、GPRS/3G網(wǎng)絡和監(jiān)測中心組成（圖1）。傳感器節(jié)點作為無線傳感器網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)源，節(jié)點上配有MMA7361，可布置在監(jiān)測個體身體的任意位置，便于用布帶固定在動物頸部或腳踝處，實現(xiàn)對個體運動參數(shù)的采集。網(wǎng)關節(jié)點匯聚來自傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并通過GPRS/3G網(wǎng)絡發(fā)送給監(jiān)測中心的服務器進行進一步行為分析。

2 模塊的選擇和確定

2.1 加速度傳感器

基于運動行為監(jiān)測系統(tǒng)的設計需要，加速度傳感器要采集各監(jiān)測對象的實時加速度值。根據(jù)加速度傳感器靈敏度及功耗的需要，在無線加速度傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計中需要選擇一款體積小、質(zhì)量輕、低功耗、便于佩戴的高靈敏度加速度

傳感器。經(jīng)過對同類傳感器各方面的比較，本研究選用了MMA7361三軸加速度傳感器。

MMA7361L[10]是飛思卡爾公司（Freescale）推出的一款超低功耗、小型電容式的微機械加速度傳感器，可提供模擬電壓輸出的x、y和z三軸加速度傳感器。該傳感器可以采用 15 g 或6 g靈敏度重力選擇模式，具有信號調(diào)理、一階低通濾波、溫度補償、自檢、帶有線性自由落體檢測和零重力檢測等功能。工作電壓為2.2～3.6 V，工作電流為400 μA，設置為睡眠模式時工作電路僅為3 μA。通過MMA7361L可以測量出任意時刻3個方向的加速度分量。

2.2 ZigBee模塊

CC2430[11]是一顆真正的系統(tǒng)芯片（SoC）CMOS 解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM 波段應用對低成本、低功耗的要求。它結合1個高性能2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)器核心和1顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器。

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位MCU（8051），具有32/64/128 kB 可編程閃存和 8 kB 的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、幾個定時器（timer）、AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時器（watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定時器、上電復位電路（Power On Reset）、掉電檢測電路（brown out detection）以及21 個可編程I/O 引腳。

CC2430芯片采用0.18 μm CMOS 工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27、25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。

3 加速度傳感器節(jié)點硬件設計

考慮到加速度傳感器節(jié)點的通用性，采用模塊化設計思想設計硬件，節(jié)點的結構框如圖2所示。由此可見，整個節(jié)點的設計由4部分組成，該平臺利用RF射頻芯片和CC2430處理芯片，工作在2.4 GHz，支持低功耗無線通信協(xié)議IEEE 802.15.4，采用8位低功耗微處理器，通過A/D接口采集MMA7361三軸加速度數(shù)據(jù)，并即時發(fā)送給網(wǎng)關節(jié)點。數(shù)據(jù)采集速率為40 Hz，無線數(shù)據(jù)收發(fā)速率為250 kbps。

如圖3所示，三軸加速度傳感器的輸出信號為0～3.3 V的模擬電壓信號，通過外接幾個去耦電容以及濾波電容后直接接入無線單片機CC2430的模擬輸入端口P0_5、P0_6、P0_7進行3個方向的加速度值的采集；為了調(diào)試、測試階段的方

便，在無線傳感器節(jié)點系統(tǒng)中設計了相應的電源指示燈D1、電源報警燈D2以及節(jié)點建網(wǎng)/入網(wǎng)指示燈D3；此外，在實驗室設計階段整個無線傳感器節(jié)點的電源由5 V的可充電鋰電池組成的電源模塊提供。

4 節(jié)點軟件設計

無線加速度傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的軟件設計主要是用戶根據(jù)項目的實際需要在協(xié)議棧的應用層開發(fā)自己的用戶程序。為了滿足運動行為監(jiān)測系統(tǒng)實際運行的需要，根據(jù)監(jiān)測對象的距離，在被測對象身上布置無線加速度傳感器節(jié)點，在動物畜舍內(nèi)布置網(wǎng)關節(jié)點。無線加速度傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的具體軟件功能是：網(wǎng)關節(jié)點建立1個局域無線加速度傳感器網(wǎng)絡，網(wǎng)內(nèi)短地址固定為0x0000，主要負責數(shù)據(jù)包的路由以及間接消息的轉(zhuǎn)發(fā)；加速度傳感器節(jié)點加入相應的無線加速度傳感器網(wǎng)絡，終端節(jié)點在接收到網(wǎng)關節(jié)點發(fā)送的采集數(shù)據(jù)命令后，定期向網(wǎng)關節(jié)點發(fā)送自己采集的3個方向的加速度值。為了減小系統(tǒng)功耗，網(wǎng)關節(jié)點在定時時間未到時處于低功耗狀態(tài)（睡眠狀態(tài)），加速度節(jié)點在未收到采集加速度傳感器數(shù)值命令時也處于低功耗狀態(tài)（睡眠狀態(tài)）。

5 試驗和結果分析

2013年12月12日到19日在江蘇省金壇市永康農(nóng)牧科技有限公司進行現(xiàn)場試驗，選用12頭長白母豬為試驗對象，實物如圖4所示，將傳感器節(jié)點利用松緊帶固定在母豬頸部下方進行24 h監(jiān)測，母豬佩戴節(jié)點后無異常反應。實時采集到的數(shù)據(jù)以圖5方式顯示。

試驗結果表明，加速度傳感器節(jié)點能夠不間斷采集三軸加速度的數(shù)值，在特定時間內(nèi)，母豬的行為模式和運動量趨于穩(wěn)定，當活動量加劇或減少及異常行為出現(xiàn)時，可作為妊娠、分娩、疾病等情況的識別特征，該節(jié)點也可用其他牛、羊等大家畜的行為、位移、步數(shù)等數(shù)據(jù)量記錄。

6 結論

本研究以三軸加速度傳感器MMA7361和無線射頻模塊CC2430為核心，通過移植協(xié)議棧設計了1款新型的無線加速度傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，可以方便組建低成本、低傳輸速率、高效率的無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)對各個對象動作的實時監(jiān)測。在永康豬場配對測試發(fā)現(xiàn)，無線加速度傳感器節(jié)點以及無線傳感器網(wǎng)絡性能穩(wěn)定，具有較低的丟包率以及較低的成本，可以廣泛應用于家畜（豬、牛、羊）行為監(jiān)測和運動能量的前期數(shù)據(jù)采集。

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