奶牛行為特征識別系統(tǒng)的研究與設(shè)計

侯云濤，吳澤全，蔡曉華，郭 洋

（黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150081）

奶牛行為特征識別系統(tǒng)的研究與設(shè)計

侯云濤，吳澤全，蔡曉華，郭 洋

（黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150081）

按照奶牛行為特征的特性，研究設(shè)計了奶牛行為特征識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)以8位超低功耗單片機STM8L152 C6T6、三軸加速度傳感器LIS3DH和ZigBee組網(wǎng)模塊為硬件核心，進(jìn)行了硬件電路和軟件程序的開發(fā)設(shè)計。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不復(fù)雜、對奶牛行為的區(qū)分度較高。經(jīng)過實驗，系統(tǒng)能夠監(jiān)測并識別奶牛的活動行為，為奶牛的發(fā)病判斷和發(fā)情期預(yù)測提供了科學(xué)依據(jù)。

奶牛行為特征識別；低功耗；單片機；加速度傳感器；ZigBee

奶牛養(yǎng)殖業(yè)是畜牧業(yè)的重要組成，近年來，國家也對奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)加大了扶持力度，發(fā)展奶牛養(yǎng)殖業(yè)，不僅是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的需要，同時對改善人民生活，增強人民體質(zhì)也具有十分重要的意義。目前我國大部分的奶牛養(yǎng)殖場由于飼養(yǎng)方式較為原始，現(xiàn)代化的飼養(yǎng)方式和手段較為缺乏，從而導(dǎo)致奶牛的生產(chǎn)潛力無法得到有效發(fā)揮，奶牛養(yǎng)殖業(yè)的經(jīng)濟收益不能達(dá)到最大化。研究如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立高效的監(jiān)控和預(yù)測體系，建立奶牛行為特征的實時分類識別系統(tǒng)，不僅有助于及早發(fā)現(xiàn)和精確治療奶牛疾病，快速、精確地從牛群中定位問題奶牛，同時也對如何準(zhǔn)確判斷奶牛發(fā)情期，保證產(chǎn)奶量的穩(wěn)定提升，促進(jìn)奶業(yè)健康、快速發(fā)展具有著重要的意義。

行為特征是判斷奶牛發(fā)情與否和是否健康的體征參數(shù)之一。奶牛處于發(fā)情階段時會非常興奮，躁動不安，遠(yuǎn)遠(yuǎn)異于平時的安靜狀態(tài)；奶牛生病時，奶牛精神萎靡，活動量明顯減少，垂耳低頭，眼睛半閉，行動遲緩。因此，可以通過研究奶牛的行為特征數(shù)據(jù)判斷奶牛個體的身體狀態(tài)，及早對非健康的奶牛進(jìn)行診治；同時也能夠及時發(fā)現(xiàn)奶牛是否處于發(fā)情狀態(tài)，有利于確保奶牛能夠順利受孕，延長泌乳期，從而提高奶牛的產(chǎn)奶量，促進(jìn)奶牛養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。

文章設(shè)計的奶牛行為特征識別系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集與處理裝置（采用項圈的形式，佩戴在牛頸上）、ZigBee自組網(wǎng)（無線物聯(lián)網(wǎng)）和行為分類判斷系統(tǒng)（上位機）組成。能夠精確采集、傳輸、分析、顯示和存儲養(yǎng)殖場奶牛個體的運動行為，具體的運動行為包括：靜止（站立、躺臥）、慢走、快走、爬跨、慢跑和快跑六種行為。通過該系統(tǒng)，奶牛飼養(yǎng)員能實時獲得奶牛的運動行為狀態(tài)，為后期及時、準(zhǔn)確判斷奶牛的發(fā)情期及健康狀態(tài)等提供科學(xué)依據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

奶牛行為特征識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由數(shù)據(jù)采集與處理裝置、ZigBee自組網(wǎng)和行為分類判斷系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集與處理裝置佩戴在奶牛個體的頸部，散布在奶牛養(yǎng)殖區(qū)域，其中ZigBee自組網(wǎng)中的終端節(jié)點是裝置的一個組成部分，負(fù)責(zé)將處理過的奶牛運動加速度數(shù)據(jù)以多跳方式通過區(qū)域路由節(jié)點或直接匯聚到協(xié)調(diào)節(jié)點，協(xié)調(diào)節(jié)點通過 RS－232總線將匯聚的數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫袨榉诸惻袛嘞到y(tǒng)（上位機）。運行在上位機的行為分類判斷系統(tǒng)對奶牛運動數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、顯示、分析和存儲。

圖1 奶牛行為特征識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理裝置的硬件設(shè)計

采集與處理裝置的硬件部分硬件由電源、單片機、三軸加速度傳感器和ZigBee終端節(jié)點等部分組成。加速度傳感器將采集得到的奶牛運動加速度數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機，單片機將加速度數(shù)據(jù)按照相應(yīng)的算法處理后，通過ZigBee終端節(jié)點發(fā)送給路由節(jié)點或者協(xié)調(diào)節(jié)點。

（1）單片機選型。綜合考慮了目前比較流行的各系列單片機在功率損耗、性價比、外部接口電路和數(shù)據(jù)處理速度等方面的不同優(yōu)點，本設(shè)計最終選用了意法公司的8位超低功耗單片機STM8L152C6T6。該類型單片機具有32KB的Flash和1KB的Data EEPROM，無需要外部擴充ROM和RAM。具有超低工作電壓（1.65V-3.6V），超低功耗模式下，電流可低至270nA并能同時保持SRAM內(nèi)容。同時該單片機具有非常豐富的外設(shè)，如AD采樣，IIC通訊、串口通訊等接口，從而使系統(tǒng)的設(shè)計得到大大簡化。

由于STM8L152C6T6單片機具有FLASH型的Data EEPROM，因此對其的開發(fā)設(shè)計只需要1臺PC機和1個STLINK編程器即可。通過STLINK編程器可以實現(xiàn)程序代碼的下載、仿真運行與查錯修改。STM8L系列單片機的軟件開發(fā)可采用C語言和匯編語言，匯編語言的編程量過大，本系統(tǒng)使用C語言作為開發(fā)語言，開發(fā)軟件為IAR平臺。

（2）加速度傳感器的選型。系統(tǒng)的加速度傳感器選擇了ST公司的三軸加速度傳感器LIS3DH，對比其他同類產(chǎn)品，該產(chǎn)品的的功耗極小，同時減小了體積，提升了芯片的運算能力。加速度數(shù)據(jù)通過雙字節(jié)，16位數(shù)字量的通訊方式串行輸出。輸出方式采用IIC和SPI兩種通訊總線結(jié)構(gòu)，可任選其中一種進(jìn)行通訊。本設(shè)計選用IIC通訊總線結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)只需要兩根數(shù)據(jù)線，并具有自動尋址、多主機時鐘同步和仲裁等功能，傳輸速度快，抗干擾能力強，并且可有效節(jié)省單片機的IO資源、大量的引線和邏輯電路。LIS3DH的量程范圍非常寬廣，有±2g/±4g/±8g/±16g供選擇。量程范圍內(nèi)，可輸出非常精確的測量數(shù)據(jù)，在額定溫度下的長時間工作狀態(tài)，仍能保持卓越的穩(wěn)定性。傳感器的最小工作電流為2μA，最適合運動感應(yīng)功能、空間和功耗均受限的應(yīng)用設(shè)計，如手機、遙控器以及游戲機等。本設(shè)計的應(yīng)用場合也屬于上述情況。

（3）Zigbee終端節(jié)點設(shè)計。本設(shè)計選用一款Zigbee串口透傳模塊作為終端節(jié)點。該模塊基于TI高性能低功耗的2.4G射頻收發(fā)芯片CC2530，內(nèi)置ZigBee組網(wǎng)協(xié)議，可實現(xiàn)協(xié)議透明、運行穩(wěn)定、工作功耗低、傳送距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)規(guī)模大的Zigbee自組傳感網(wǎng)絡(luò)。

單片機通過串口即可以與終端節(jié)點通訊，發(fā)送數(shù)據(jù)及更改模塊配置等，通過終端節(jié)點將數(shù)據(jù)上傳至ZigBee網(wǎng)絡(luò)，最終傳送至上位PC機。終端節(jié)點模塊的外圍電路原理圖如圖2所示，其中C1和C2兩個電容為濾波電容；P1.6管腳連接單片機的41管腳，P1.7連接單片機的42管腳，作為串口通訊線；RST管腳連接單片機，單片機可通過IO的高/低電平使終端節(jié)點處于工作狀態(tài)或者休眠狀態(tài)。單片機發(fā)送數(shù)據(jù)時，喚醒節(jié)點，使節(jié)點工作;單片機未發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點處于休眠狀態(tài)，達(dá)到降低耗電，延長設(shè)備使用時間的作用。

圖2 終端節(jié)點模塊及其外圍電路原理圖

2.2 ZigBee路由節(jié)點的設(shè)計

路由節(jié)點在ZigBee自組網(wǎng)中的作用是接收終端數(shù)據(jù)、信息交互、通過節(jié)點互聯(lián)來擴大通訊網(wǎng)的覆蓋面積等。文章中，路由節(jié)點安裝在牛舍的頂棚橫梁，布置時通過測算節(jié)點間的距離，達(dá)到每個節(jié)點都處于ZigBee自組網(wǎng)的通訊信號范圍內(nèi)。

為了擴大自組網(wǎng)覆蓋面積,實現(xiàn)整個養(yǎng)殖場范圍的信息交互，本設(shè)計選擇了發(fā)射功率強的ZigBee路由節(jié)點模塊。該模塊的硬件電路在終端節(jié)點的基礎(chǔ)上增加了大功率低噪聲射頻前端芯片CC2591。該款芯片是一款性價比很高的無線發(fā)射前端，集成了可將發(fā)射功率增強的功率放大電路及可將接收將靈敏度增強的低噪聲放大電路，可使節(jié)點之間的通信距離達(dá)到1km里的范圍，從而能夠明顯擴大自組網(wǎng)的涵蓋面積。在模塊的外圍接口電路設(shè)計上，與終端節(jié)點的接口電路并無太大區(qū)別，只是增加了5V轉(zhuǎn)3.3V供電電路,5V電壓由電源適配器轉(zhuǎn)換220V市電獲得。供電電路原理圖如圖3所示。

圖3 供電電路原理圖

2.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點設(shè)計

協(xié)調(diào)節(jié)點的作用是建立新的ZigBee自組網(wǎng)、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、管理網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點以及將終端節(jié)點上傳的信息輸入上位機等。協(xié)調(diào)節(jié)點固定安裝在監(jiān)控上位機附近，通過串口轉(zhuǎn)USB接口電路將接受到的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控上位機，同時可接收上位機的命令，改變ZigBee網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。

同樣為了實現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，本設(shè)計選擇了大功率的CC2530+CC2591帶功率放大芯片的ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點模塊。對比前面提到的路由節(jié)點外圍接口電路，增加了串口轉(zhuǎn)USB電路，本設(shè)計選擇了PL2303作為接口轉(zhuǎn)換器。PL2303是由Prolific公司生產(chǎn)的一種集成度較高的RS232-USB互轉(zhuǎn)的通訊轉(zhuǎn)換器件。該器件內(nèi)部設(shè)置有USB功能控制器、USB數(shù)據(jù)收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號的UART，使用者只要在器件外部連接幾只電容，就可實現(xiàn)USB信號與RS232信號的相互轉(zhuǎn)換。該元件作為USB/RS232通訊的雙向轉(zhuǎn)換器，一方面能夠接收PC機發(fā)送的USB數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為RS232格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給外設(shè)；另一方面能夠?qū)耐獠吭O(shè)備接收到的RS232格式信息轉(zhuǎn)換為USB格式返回PC機。這些轉(zhuǎn)換過程全部由PL2303自動進(jìn)行，在軟件和硬件上不需要再做額外的設(shè)計工作。

3 軟件設(shè)計

奶牛行為特征識別系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主要包括加速度數(shù)據(jù)采集和處理軟件、ZigBee自組網(wǎng)中各種功能節(jié)點軟件和監(jiān)控中心的檢測軟件由于本設(shè)計選擇Zigbee串口透傳模塊作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的功能節(jié)點，模塊內(nèi)置通訊協(xié)議，所以無需開發(fā)相關(guān)的ZigBee組網(wǎng)軟件，只需開發(fā)終端節(jié)點與STM8單片機的串口通訊程序，這部分的應(yīng)用程序包含在加速度數(shù)據(jù)采集和處理軟件中。

（1）加速度數(shù)據(jù)采集和處理軟件設(shè)計。數(shù)據(jù)采集和處理裝置的主要功能是負(fù)責(zé)奶牛運動三軸加速度的采集、處理和發(fā)送。由于裝置是電池供電，在設(shè)計時要充分考慮到能量消耗問題,除在硬件設(shè)計時要盡量減少能量消耗,最為主要的是在軟件設(shè)計也要減少能耗，不能讓ZigBee終端結(jié)節(jié)一直處在發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)，實測ZigBee終端節(jié)點在發(fā)射狀態(tài)時的電流可達(dá)30ma以上，遠(yuǎn)大于單片機和加速度傳感器工作電流（uA級）、終端節(jié)點處于休眠狀態(tài)時的電流（uA級）。因此本設(shè)計在軟件算法做出了相應(yīng)的處理：第1步，通過計算采樣點之間的距離，將加速度時序數(shù)據(jù)劃分成子序列段的集合，計算得到的子序列段的特征向量數(shù)據(jù)；第2步，累計得到20個子序列段的特征向量數(shù)據(jù)，或采樣時間已經(jīng)滿2min，但仍未獲得20個子序列，喚醒終端節(jié)點，上傳數(shù)據(jù)；第3步，使終端節(jié)點恢復(fù)到休眠狀態(tài)。以上三步，周而復(fù)始。這樣，終端節(jié)點被喚醒發(fā)送數(shù)據(jù)后，會立即睡眠,可以達(dá)到節(jié)省功耗的目的。

（2）行為特征判定系統(tǒng)軟件的設(shè)計。協(xié)調(diào)節(jié)點匯聚來自終端節(jié)點或路由節(jié)點的三軸加速度信息，并把加速度信息通過RS232接口傳輸至監(jiān)控端的行為特征判定系統(tǒng),系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)對相關(guān)信息的分析、判斷、顯示、查詢、存儲。

本設(shè)計采用了支持向量機分類對奶牛行為特征進(jìn)行識別、判定。由MATLAB設(shè)計的系統(tǒng)軟件界面如圖4所示,軟件的操作流程如下：①建立分類判定模型。選取支持向量機多類分類算法和核函數(shù)，明確懲罰因數(shù)C及核函數(shù)參數(shù)的具體數(shù)值；裝載接收到的奶牛行為特征數(shù)據(jù)集（裝載數(shù)據(jù)），依次點“訓(xùn)練SVM”按鈕、“計算SV”按鈕、“決策邊界”按鈕；得到分類判定模型，“訓(xùn)練結(jié)果注釋”窗口可以顯示：選擇的訓(xùn)練算法、核函數(shù)，以及訓(xùn)練所費時間、得到的支持向量機個數(shù)，分類錯誤率。②在線識別奶牛行為特征。點擊“分類結(jié)果”按鈕，系統(tǒng)會裝載實時得到的奶牛三軸加速度時間序列數(shù)據(jù)，識別判定結(jié)果顯示在按鈕旁的注釋窗口，由圖中可看出，此次識別的結(jié)果：佩戴ID0036號數(shù)據(jù)采集與分析裝置的奶牛的行為特征為“快走”。③數(shù)據(jù)存儲及分析。將每個ID對應(yīng)的奶牛個體的行為特征數(shù)據(jù)存貯在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，每隔1h進(jìn)行一次各類行為（靜止、慢走、慢跑、快走、快跑、爬跨）出現(xiàn)頻率的統(tǒng)計，通過分析各類行為出現(xiàn)的頻率，即可了解和掌握每頭奶牛目前的身體狀況。

圖4 行為特征識別系統(tǒng)界面

監(jiān)測奶牛行為特征是判斷奶牛發(fā)情和身體異常的一個有效手段。本研究設(shè)計的奶牛行為特征識別系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程交互和行為的精確識別，系統(tǒng)選用了高性能、低成本的元器件，外圍接口電路相對易于實現(xiàn)，且充分發(fā)掘了各芯片的低功耗特性，有效地減小了系統(tǒng)的功率損耗，在實際中的應(yīng)用效用較好，具有一定的實際使用價值。

［1］柳平增，丁為民，汪小旵，等.奶牛發(fā)情期自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計［J］.測控技術(shù)，2006，25（11）：48-51.

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［8］陳敏，王擘，李軍華.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與實踐［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

The Research and Design for the Identification System of Cow Behavior

HOU Yun-tao，WU Ze-quan，CAI Xiao-hua，GUO Yang
（Scientific Research Institute of AgriculturalMechanical Engineering in Heilongjiang，Haerbin，Heilongjiang 150081，China）

According tobehavior characteristicsof cows，the cow behavior recognition system is designed.The design ofhardware circuitand software program isbased on 8 ultra-low-power single-chipmicrocomputer STM8L152C6T6，three-axisacceleration sensor LIS3DH and ZigBee networkmodule.The system structure is not complicated，and the classification judgmentof the characteristicsofcow behavior ishigher.Through theexperiment，the system canmonitorand judge thebehaviorof the cow，which providesscientific basis for the diagnosisand prediction of the cow.

identify thebehaviorof the cow；low power consumption；single chipmicrocomputer；acceleration sensors；ZigBee

TP274

A

2095-980X（2017）05-0093-03

2017-04-25

侯云濤（1984-），男，黑龍江牡丹江人，碩士，工程師，主要研究方向：農(nóng)業(yè)信息化、農(nóng)業(yè)裝備智能化。