奶牛體溫植入式傳感器與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

何東健 劉 暢 熊虹婷

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100；3.陜西省農(nóng)業(yè)信息感知與智能服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

我國(guó)奶牛養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，但奶牛養(yǎng)殖生產(chǎn)效率低，奶牛年平均單產(chǎn)量為4 140 kg，而發(fā)達(dá)國(guó)家奶牛年平均單產(chǎn)量已達(dá)8 000～10 000 kg，為我國(guó)的2～3倍[1-2]。其主要原因是良種選育技術(shù)及飼養(yǎng)管理手段落后。因此，利用信息技術(shù)提升養(yǎng)殖科學(xué)管理水平，降低人工成本，實(shí)現(xiàn)奶牛精準(zhǔn)化養(yǎng)殖十分必要。

奶牛的精準(zhǔn)化養(yǎng)殖是通過(guò)對(duì)奶牛體征信息、飼喂量、活動(dòng)量等檢測(cè)，從發(fā)情預(yù)報(bào)到受胎、飼喂過(guò)程飼養(yǎng)環(huán)節(jié)鏈進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，使用戶能及時(shí)做出正確決策[3-4]。體溫是奶牛身體狀況的重要參數(shù)，當(dāng)奶牛在發(fā)情以及出現(xiàn)消化系統(tǒng)、肢蹄疾病等情況時(shí)，奶牛的體溫會(huì)發(fā)生變化，故奶牛體溫?cái)?shù)據(jù)的精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以準(zhǔn)確判斷奶牛發(fā)情時(shí)間[5-6]，以適時(shí)人工授精，提高受精率，降低因受精失敗產(chǎn)生的人力和冷凍精液成本[7-10]。通過(guò)奶牛體溫變化的實(shí)時(shí)檢測(cè)，可準(zhǔn)確判斷懷孕奶牛分娩期，以便人工輔助分娩，降低分娩風(fēng)險(xiǎn)[11-13]，也可檢測(cè)奶牛的健康狀況，以便及時(shí)進(jìn)行疾病防治等[14-15]。因此，奶牛體溫的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，對(duì)奶牛的疾病檢測(cè)防治、適時(shí)配種和人工介入輔助健康分娩等均具有重要意義[16]。

傳統(tǒng)的體溫監(jiān)測(cè)方法主要是依靠人工利用體溫計(jì)測(cè)定奶牛直腸的溫度，不僅效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且易引起交叉感染，不能實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[17-18]。諸多學(xué)者開(kāi)展了奶牛體溫的自動(dòng)測(cè)量方法研究并取得了一些成果。尹令等[19]用K型熱電偶測(cè)量奶牛呼氣時(shí)的溫度，其測(cè)量的平均值接近奶牛的真實(shí)體溫，但熱電偶放入奶牛鼻孔后容易脫落，不易固定；屈東東等[20]將WiFi技術(shù)應(yīng)用于群養(yǎng)奶牛體溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了奶牛體溫的智能化監(jiān)測(cè)，采用DS18B20型溫度傳感器經(jīng)過(guò)平均值算法處理后精度為0.2℃，不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)生理狀態(tài)的變化。楊宇闐奕等[21]利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了體征信息的監(jiān)測(cè)，但只能監(jiān)測(cè)奶牛的體表溫度。唐宇等[22]結(jié)合生物傳感器技術(shù)和嵌入式無(wú)線監(jiān)測(cè)技術(shù)，提出了基于STM32的奶牛生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案，采用非接觸式紅外測(cè)溫方法，測(cè)量結(jié)果易受到風(fēng)速、溫度、濕度等環(huán)境因素影響，可靠性差。

日本遠(yuǎn)洋公司生產(chǎn)的移動(dòng)牛體溫測(cè)量產(chǎn)品測(cè)溫精度為0.2℃，傳感器末端有長(zhǎng)30cm的天線延長(zhǎng)至奶牛體外，使用時(shí)需要將天線固定在奶牛尾部，奶牛的活動(dòng)和排便受到限制。法國(guó)Medria公司[23]生產(chǎn)的陰道產(chǎn)道牛犢檢測(cè)傳感器Vel’Phone，通過(guò)無(wú)線基站以手機(jī)短信方式發(fā)送奶牛體溫信號(hào)，測(cè)量精度為0.1℃，傳感器放入奶牛體內(nèi)后需經(jīng)過(guò)5～10 min將信息傳到用戶手機(jī)上，檢測(cè)效果較好，但價(jià)格昂貴。ANDERSSON等[10]設(shè)計(jì)的可穿戴式傳感器，通過(guò)測(cè)量電阻反映奶牛體溫，使用315M信號(hào)作為無(wú)線通信，穿透效果好，但規(guī)?；木W(wǎng)絡(luò)建設(shè)仍無(wú)法解決。NOGAMI等[24]設(shè)計(jì)的傳感器長(zhǎng)150 mm，傳感器過(guò)長(zhǎng)極易破壞奶牛陰道，造成出血等問(wèn)題。

針對(duì)目前奶牛體溫測(cè)量仍以體外測(cè)溫方式為主，少數(shù)的體內(nèi)溫度測(cè)量精度不高，無(wú)線信號(hào)在奶牛體內(nèi)傳輸受阻，以及傳感器體積過(guò)大易損傷奶牛陰道等問(wèn)題[25]，本研究將433M無(wú)線信號(hào)模塊與ZigBee網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，設(shè)計(jì)小型化、高精度的奶牛植入式體溫傳感器和奶牛實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)以PT1000鉑電阻為測(cè)量探頭的植入式傳感器，以獲得更好的測(cè)量精度并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的奶牛體溫監(jiān)測(cè)，為發(fā)情期預(yù)測(cè)、疾病預(yù)防提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 奶牛體溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)需求分析

奶牛場(chǎng)奶牛數(shù)量眾多，環(huán)境復(fù)雜，因此系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)需適應(yīng)奶牛場(chǎng)環(huán)境和應(yīng)用需求。本研究以楊凌科元克隆股份有限公司所屬奶牛場(chǎng)為實(shí)例，經(jīng)奶牛場(chǎng)實(shí)地考察和咨詢養(yǎng)殖專家，確定系統(tǒng)主要需求有：

(1)奶牛場(chǎng)有2個(gè)活動(dòng)場(chǎng)，單個(gè)牛場(chǎng)長(zhǎng)72 m，寬36 m，牛棚高3 m，為保證信號(hào)的可靠傳輸，系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

(2)考慮到發(fā)情奶牛比正常奶牛體溫僅下降0.5℃左右，為保證監(jiān)測(cè)奶牛發(fā)情信息準(zhǔn)確，故設(shè)計(jì)傳感器精度為0.05℃。

(3)傳感器應(yīng)體積小、質(zhì)量小，外殼材料柔軟無(wú)毒，不會(huì)對(duì)奶牛產(chǎn)生影響。

(4)傳感器節(jié)點(diǎn)可自組網(wǎng)，傳輸性好。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)牛場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中的功能需求，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，主要包括測(cè)溫節(jié)點(diǎn)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心3部分：

(1)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)為植入式溫度傳感器，植入奶牛陰道實(shí)時(shí)采集體溫?cái)?shù)據(jù)，并通過(guò)433M無(wú)線信號(hào)模塊傳輸?shù)巾?xiàng)圈節(jié)點(diǎn)。

(2)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由項(xiàng)圈節(jié)點(diǎn)、ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)、ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)等組成。路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信的路由選擇與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，并允許測(cè)溫節(jié)點(diǎn)通過(guò)它加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和維護(hù)，1個(gè)協(xié)調(diào)器和4個(gè)路由器均架設(shè)在距地面高3 m的牛棚上。

(3)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心：計(jì)算機(jī)和上位機(jī)對(duì)接收的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)。

圖1 奶牛體溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of real-time monitoring system for cow’s temperature

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由植入式溫度傳感器和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)組成。

2.1 植入式溫度傳感器

奶牛體溫以直腸溫度為標(biāo)準(zhǔn)，但因其每天排泄10余次，在直腸安裝傳感器不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)?？紤]到奶牛陰道離直腸最近，二者呈現(xiàn)相同的溫度變化規(guī)律，其相關(guān)系數(shù)達(dá)0.81[26]，陰道溫度能準(zhǔn)確反映奶牛的真實(shí)體溫。故本文設(shè)計(jì)一種植入式溫度傳感器，在奶牛適孕期由獸醫(yī)直接將其放在奶牛陰道內(nèi)實(shí)時(shí)測(cè)量體溫，以實(shí)現(xiàn)發(fā)情和健康狀況的監(jiān)測(cè)。在奶牛分娩時(shí)，傳感器先于牛犢排出體外。

2.1.1植入式溫度傳感器溫度信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

圖2 測(cè)溫傳感器溫度采集模塊硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure sketch of module for temperature acquisition based on temperature sensor

為了能實(shí)時(shí)對(duì)奶牛發(fā)情等進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，植入式溫度傳感器需有較高的測(cè)量精度(0.05℃)。A級(jí)PT1000鉑電阻測(cè)溫范圍為-50～200℃，探頭長(zhǎng)為10 mm，直徑為3 mm，測(cè)溫接觸部分有304不銹鋼圓頭保護(hù)管，抗腐蝕，故選用A級(jí)PT1000鉑電阻作為溫度傳感器。

為了保證植入式溫度傳感器的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性，從硬件選擇和軟件編程兩方面提高傳感器的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。選擇恒流源模塊驅(qū)動(dòng)PT1000鉑電阻，使得流過(guò)鉑電阻的電流恒定不變，減小因電流變化引起的誤差。為克服常規(guī)二線制、三線制測(cè)量方法忽略引線電阻誤差的問(wèn)題，選用四線制電路，嚴(yán)格消除引線誤差。依據(jù)傳感器精度為0.05℃，可計(jì)算出溫度每變化0.05℃鉑電阻阻值變化0.2 Ω，故選擇美國(guó)德州儀器公司的24位ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其利用SPI外部串行接口與MCU微控制單元通信，實(shí)現(xiàn)鉑電阻兩端電壓的采集。利用基準(zhǔn)電壓源提供穩(wěn)定的電源。利用軟件對(duì)采集到的電壓進(jìn)行濾波處理，進(jìn)一步提高其測(cè)量值的精度和穩(wěn)定性。

為減少植入式溫度傳感器的電能消耗、體積和質(zhì)量，并延長(zhǎng)其使用壽命，選擇可在超低功耗模式下工作、耗電少、輻射小的美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的MSP430單片機(jī)作為控制芯片。MSP430單片機(jī)在1 MHz時(shí)鐘條件下，工作電流視工作模式不同在0.1～400 μA范圍變化，工作電壓為1.8～3.6 V?？刂菩酒饕獙?shí)現(xiàn)如下功能：①通過(guò)SPI通信接收模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)。②將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成溫度值。③將溫度值通過(guò)無(wú)線模塊傳輸?shù)侥膛ｍ?xiàng)圈節(jié)點(diǎn)。

本文植入式溫度傳感器節(jié)點(diǎn)安置在奶牛體內(nèi)，無(wú)線信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到奶?；铙w組織的影響，產(chǎn)生衰減，故選擇穿透性能好、集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、發(fā)射功率可調(diào)的433M無(wú)線信號(hào)模塊。該模塊采用CC1101作為主芯片，將SPI接收的信號(hào)發(fā)送給項(xiàng)圈節(jié)點(diǎn)內(nèi)的相同型號(hào)無(wú)線模塊。項(xiàng)圈節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)從差分信號(hào)引腳輸入，經(jīng)過(guò)低噪聲放大器將信號(hào)放大，通過(guò)SPI口發(fā)送到控制芯片，以完成信號(hào)由奶牛體內(nèi)到體外的傳輸。測(cè)溫傳感器溫度采集模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1.2植入式溫度傳感器封裝設(shè)計(jì)

成年母牛陰道長(zhǎng)約350 mm、寬55 mm，故要求植入式溫度傳感器外形尺寸小、不影響奶牛健康，且不易滑脫。設(shè)計(jì)的植入式溫度傳感器外形如圖3所示，外殼由高密度聚乙烯(HDPE)3D打印而成，具有無(wú)毒、無(wú)味、柔軟等特點(diǎn)，對(duì)奶牛健康無(wú)不良影響。外殼封裝后為長(zhǎng)85 mm、直徑30 mm的圓柱體。為防止傳感器在奶牛運(yùn)動(dòng)時(shí)脫落，根據(jù)奶牛陰道深處有較大宆腔的特點(diǎn)，尾部設(shè)計(jì)了有較好彈性的5個(gè)防滑落凸指(90°軟膠)，在宆腔處形成一個(gè)固定卡位。本文設(shè)計(jì)的傳感器長(zhǎng)為85 mm，彌補(bǔ)了文獻(xiàn)[24-25]中傳感器尺寸過(guò)大的缺點(diǎn)，植入式傳感器的無(wú)天線設(shè)計(jì)也避免了日本遠(yuǎn)洋公司產(chǎn)品由于天線導(dǎo)致奶?；顒?dòng)受阻的問(wèn)題。

圖3 測(cè)溫傳感器實(shí)物圖Fig.3 Actual pictures of temperature sensor

2.2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

考慮到奶牛場(chǎng)環(huán)境的特殊性以及植入式傳感器信號(hào)傳輸?shù)目煽啃裕疚脑O(shè)計(jì)奶牛項(xiàng)圈節(jié)點(diǎn)作為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的中繼節(jié)點(diǎn)，達(dá)到穩(wěn)定、可靠的傳輸效果，其實(shí)物如圖4所示。項(xiàng)圈節(jié)點(diǎn)的作用為接收植入式傳感器的溫度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)由體內(nèi)傳輸?shù)襟w外；完成自組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。

圖4 奶牛佩戴項(xiàng)圈節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖Fig.4 Actual pictures of cow collar

奶牛場(chǎng)區(qū)域較大，監(jiān)控設(shè)備多，需要建立自組網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)奶牛場(chǎng)內(nèi)信號(hào)的傳輸。考慮到ZigBee協(xié)議技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，故選擇基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)ZigBee協(xié)議。奶牛項(xiàng)圈節(jié)點(diǎn)接收到植入式傳感器采集到的溫度信號(hào)后，發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)路由器，路由器可實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)，構(gòu)成有效半徑100m的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，滿足需求。

路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)內(nèi)路徑和信息的轉(zhuǎn)發(fā)，并允許項(xiàng)圈節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中；協(xié)調(diào)器采用美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的CC2530芯片作為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的控制芯片，CC2530芯片采用0.18 μm的CMOS生產(chǎn)工藝，具有從休眠模式切換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間特性，滿足本研究功耗低的設(shè)計(jì)要求。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組織配置整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的信號(hào)經(jīng)路由器節(jié)點(diǎn)傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上的嵌入式微處理器(EMPU)，而EMPU通過(guò)傳輸控制協(xié)議(TCP/IP)利用有線網(wǎng)絡(luò)(RS232)將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的基地管理平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議與TCP/IP協(xié)議之間互傳數(shù)據(jù)。每個(gè)牛場(chǎng)活動(dòng)區(qū)域架設(shè)2個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)架設(shè)在兩個(gè)活動(dòng)場(chǎng)中間，路由器和協(xié)調(diào)器架設(shè)在牛棚上，現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖如圖5所示。

圖5 路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)布置示意圖Fig.5 Layout of router and coordinator

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括植入式傳感器單片機(jī)對(duì)溫度信號(hào)的處理、無(wú)線信號(hào)的傳輸以及遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示3部分。

3.1 溫度采集與傳輸

植入式溫度傳感器以MSP430單片機(jī)為核心，以IAR EW430為MSP430的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)應(yīng)用程序。程序設(shè)計(jì)采用單片機(jī)外部串口中斷法，軟件工作流程如圖6所示。

圖6 軟件工作流程圖Fig.6 Flow chart of software system

首先進(jìn)行各個(gè)函數(shù)的初始化及系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置，然后各個(gè)模塊開(kāi)始工作，恒流源模塊驅(qū)動(dòng)PT1000鉑電阻工作，ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集其兩端電壓，根據(jù)電壓計(jì)算溫度。其溫度計(jì)算過(guò)程如下：

PT1000鉑電阻的電阻值與溫度的換算式為

Rt=R0(1+At+Bt2)

(1)

其中A=3.908 31×10-3B=-5.775×10-7

式中t——溫度，℃

Rt——溫度t時(shí)鉑電阻的電阻值，Ω

R0—0℃時(shí)鉑電阻電阻值，為1 000 Ω

A、B——IEC751國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)

根據(jù)AD采集模塊采集到的電壓可得知溫度t時(shí)鉑電阻的電阻值Rt，從而計(jì)算出溫度。因此，采集電壓的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響溫度值，為了減少電壓采集的不穩(wěn)定因素，進(jìn)行電壓濾波處理，MSP430每5 s進(jìn)行一次采樣，共采集1 min，采集到的12個(gè)電壓去掉其中的最大值和最小值，計(jì)算剩余數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，根據(jù)電壓計(jì)算出此時(shí)的溫度，再通過(guò)無(wú)線模塊將溫度傳輸至奶牛體外，此為1次完整的溫度采集過(guò)程。

為減少植入式溫度傳感器的功耗，采用定時(shí)休眠喚醒的工作機(jī)制，每10 min進(jìn)行一次循環(huán)。每頭奶牛的溫度信號(hào)在傳輸時(shí)設(shè)置不同的通信地址，并標(biāo)記該頭奶牛的編號(hào)，奶牛項(xiàng)圈節(jié)點(diǎn)再將溫度信息和奶牛的編號(hào)通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心。上位機(jī)接收到溫度信號(hào)后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判斷是否出現(xiàn)異常，監(jiān)控中心可實(shí)時(shí)顯示每頭奶牛的溫度狀況。

3.2 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

考慮到美國(guó)德州儀器公司開(kāi)發(fā)的LabVIEW軟件功能強(qiáng)大且靈活，適用于監(jiān)控和測(cè)量，故上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件選用LabVIEW，軟件主要實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)通信、溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

上位機(jī)接收并保存無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來(lái)的測(cè)量結(jié)果，接收的數(shù)據(jù)經(jīng)解碼后，在監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示(圖7)。該界面主要包括當(dāng)前溫度顯示區(qū)域、奶牛個(gè)體信息顯示區(qū)域、歷史溫度查看區(qū)域。采集數(shù)據(jù)時(shí)，溫度顯示區(qū)域可顯示奶牛近1 h內(nèi)體溫的變化曲線，方便用戶監(jiān)控；在奶牛個(gè)體信息顯示區(qū)域可查看不同編號(hào)奶牛的當(dāng)前體溫、當(dāng)前時(shí)間以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)路徑；歷史溫度區(qū)域可查看過(guò)去任意時(shí)段奶牛體溫[27]，用戶可通過(guò)對(duì)奶牛體溫信息的查看，分析奶牛的健康狀態(tài)。此外，系統(tǒng)可對(duì)植入式傳感器的運(yùn)行狀態(tài)以及無(wú)線信號(hào)的衰減程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，例如當(dāng)信號(hào)衰減嚴(yán)重時(shí)(接收信號(hào)強(qiáng)度過(guò)低)，可通過(guò)給傳感器指令調(diào)整其發(fā)射功率，在保證無(wú)線通信質(zhì)量同時(shí)，盡可能延長(zhǎng)電池的使用壽命。

圖7 奶牛體溫實(shí)時(shí)顯示界面Fig.7 Real-time display interface of cow temperature

4 試驗(yàn)

為驗(yàn)證傳感器性能，設(shè)計(jì)了5種試驗(yàn)對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試?？紤]奶牛的正常體溫為37.5～39.5℃，設(shè)置測(cè)試范圍為36.5～41.5℃。

4.1 溫度測(cè)定準(zhǔn)確性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證測(cè)溫系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，用恒溫槽溫度值作為溫度驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)值，再選用普通電子溫度計(jì)(精度為0.1℃)做對(duì)比試驗(yàn)。恒溫槽為BD-0506系列(江蘇天翎儀有限公司)，測(cè)溫范圍為-5～100℃，波動(dòng)范圍為0.005～0.01℃，數(shù)顯分辨率為0.001℃，液體介質(zhì)選用純凈水。在36.5～41.5℃范圍內(nèi)，每隔0.1℃做1次測(cè)量，將植入式溫度傳感器和電子溫度計(jì)同時(shí)置于恒溫槽內(nèi)，直到測(cè)量的溫度在10 min內(nèi)不發(fā)生任何變化，將該結(jié)果作為此次的測(cè)量結(jié)果。試驗(yàn)共采集到51個(gè)數(shù)據(jù)，圖8為真實(shí)溫度和測(cè)量溫度間的關(guān)系，植入式溫度傳感器的最大誤差為0.03℃，測(cè)量精度可滿足要求。分別對(duì)植入式溫度傳感器和普通電子溫度計(jì)測(cè)量情況進(jìn)行線性回歸，其擬合方程分別為

Y0=1.000 1x

(2)

Y1=1.001 5x

(3)

式中x——真實(shí)溫度

Y0——植入式溫度傳感器輸出值

Y1——普通電子溫度計(jì)顯示值

圖8 溫度傳感器準(zhǔn)確性試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Accuracy test results of temperature sensor

式(2)和式(3)的決定系數(shù)R2分別為0.999 9和0.999 3。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的植入式溫度傳感器測(cè)量結(jié)果比普通電子溫度計(jì)更加接近真實(shí)值，測(cè)量精度可達(dá)到0.05℃，與日本遠(yuǎn)洋公司的移動(dòng)式奶牛體溫測(cè)量傳感器(精度為0.2℃)相比，測(cè)量精度顯著提高。

4.2 溫度測(cè)定穩(wěn)定性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證植入式溫度傳感器測(cè)溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選定36.5℃和43.0℃ 2個(gè)溫度進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將溫度傳感器置于設(shè)定好溫度的恒溫槽內(nèi)連續(xù)12 h，每隔0.5 h記錄1次溫度傳感器測(cè)量的溫度，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，在連續(xù)12 h內(nèi)，設(shè)定的2個(gè)溫度下，溫度傳感器的最大誤差為0.02℃，克服了文獻(xiàn)[10]中電導(dǎo)率易受環(huán)境影響導(dǎo)致測(cè)溫不穩(wěn)定的問(wèn)題。

圖9 溫度傳感器穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Stability test results of temperature sensor

4.3 反應(yīng)速度試驗(yàn)

當(dāng)奶牛體溫發(fā)生變化時(shí)，溫度傳感器測(cè)量出溫度變化需要一定的穩(wěn)定時(shí)間，為了測(cè)定該階段耗時(shí)(反應(yīng)速度)，模擬傳感器在奶牛體內(nèi)的工作溫度變化。試驗(yàn)于2018年7月15日14：00開(kāi)始，先將植入式溫度傳感器置于陜西省農(nóng)業(yè)信息感知與智能服務(wù)實(shí)驗(yàn)室窗外(38.2℃、無(wú)風(fēng))10 min，直到傳感器測(cè)溫穩(wěn)定，再將其放置在36、37、39、40、41、42℃的恒溫槽中，每5 s讀取1次溫度值，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。在開(kāi)始測(cè)量15 s后，傳感器測(cè)量的溫度值達(dá)到穩(wěn)定，與文獻(xiàn)[20]中使用DS18B20型溫度傳感器的反應(yīng)時(shí)間40 s相比，系統(tǒng)延時(shí)時(shí)間短，反應(yīng)快，可以迅速將奶牛體溫變化通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳，有很好的實(shí)時(shí)性，能夠滿足奶牛體溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要。

圖10 測(cè)量溫度值隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Changing curves of temperature with time

4.4 植入式溫度傳感器傳輸性試驗(yàn)

圖11 不同收發(fā)距離的項(xiàng)圈節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)強(qiáng)度Fig.11 RSSI in different distances and different thicknesses of beef

植入式溫度傳感器發(fā)出的RF無(wú)線信號(hào)應(yīng)能被項(xiàng)圈節(jié)點(diǎn)正確接收。但植入奶牛體內(nèi)的傳感器RF無(wú)線信號(hào)會(huì)受到奶?；铙w組織、骨骼等影響，導(dǎo)致信號(hào)衰減。為了探明活體組織對(duì)無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，進(jìn)行植入式溫度傳感器傳輸性能模擬試驗(yàn)。模擬試驗(yàn)中用不同厚度的牛臀肉包裹植入式傳感器，用Smart RF Studio7測(cè)定不同距離下的接收功率?？紤]到奶牛平均高度為1.35 m、平均體長(zhǎng)1.7 m，脖頸與產(chǎn)道的距離為1.3～1.5 m，故植入式溫度傳感器和項(xiàng)圈節(jié)點(diǎn)分別安裝在距地面高度為1.2 m的支架上，設(shè)置植入式傳感器發(fā)射功率為10 dB，傳輸頻率433 MHz，項(xiàng)圈節(jié)點(diǎn)的接收靈敏度為110 dB。植入式溫度傳感器的四周用牛肉包裹住，牛肉包裹厚度在0～35.1 cm范圍內(nèi)，試驗(yàn)前將牛肉厚度依次遞增5 cm進(jìn)行切割。試驗(yàn)時(shí)，在一定牛肉厚度和收發(fā)節(jié)點(diǎn)距離(0.5～3.5 m)下進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，隨著牛肉厚度的增加，接收功率呈減小趨勢(shì)，未用牛肉包裹與用35.1 cm厚度牛肉包裹相比，接收功率降低約37 dB，這是因?yàn)镽F無(wú)線信號(hào)受奶牛活體組織、骨骼等影響而衰減；隨著收發(fā)距離的增大，相同牛肉厚度下的接收功率呈逐漸降低趨勢(shì)，當(dāng)牛肉厚度為25.3 cm時(shí)，接收距離3.5 m比接收距離0.5 m的接收功率降低約21 dB。由于植入式溫度傳感器與項(xiàng)圈節(jié)點(diǎn)間的距離最大不超過(guò)1.5 m，其接收功率均在-66 dB以上，可將RF無(wú)線信號(hào)穩(wěn)定可靠地傳輸?shù)巾?xiàng)圈節(jié)點(diǎn)。

4.5 系統(tǒng)可靠性測(cè)試

為驗(yàn)證測(cè)溫系統(tǒng)的可靠性，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的丟包率進(jìn)行測(cè)試。

4.5.1傳輸距離對(duì)丟包率的影響

將項(xiàng)圈節(jié)點(diǎn)佩戴在奶牛頸上，接收節(jié)點(diǎn)架設(shè)在可移動(dòng)支架上，通過(guò)移動(dòng)接收節(jié)點(diǎn)的位置改變通信距離，測(cè)試時(shí)同一位置每次發(fā)送100個(gè)數(shù)據(jù)包，共發(fā)送10次，每隔10 s執(zhí)行一次，共1 000個(gè)數(shù)據(jù)包，以10次發(fā)送結(jié)果的平均值計(jì)算不同位置的丟包率和字節(jié)錯(cuò)誤率，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，在40 m以內(nèi)，丟包率較低，當(dāng)距離大于40 m時(shí)，由于協(xié)調(diào)器部署位置的限制，通信路段處于過(guò)渡區(qū)域，導(dǎo)致丟包率增加。但距離為80 m時(shí)丟包率僅為3.8%，字節(jié)錯(cuò)誤率也較低。

表1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)丟包率和字節(jié)錯(cuò)誤率Tab.1 Packet loss rate and byte error rate of monitoring system

4.5.2系統(tǒng)丟包率測(cè)試

按圖5布置路由器和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)丟包率和可靠性進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，將長(zhǎng)72 m、寬36 m的單個(gè)活動(dòng)場(chǎng)分割成網(wǎng)格進(jìn)行測(cè)試，每隔9 m進(jìn)行一次測(cè)試，共45個(gè)點(diǎn)，其測(cè)試位置和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)布置如圖12所示。

測(cè)試結(jié)果如圖13所示。由圖13可知，奶?；顒?dòng)場(chǎng)不同位置丟包率不同，丟包率均低于1.2%。結(jié)果表明，通過(guò)433M無(wú)線信號(hào)模塊和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組合設(shè)計(jì)，以及試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，解決了文獻(xiàn)[10]中由于使用RF射頻信號(hào)不能自組網(wǎng)的問(wèn)題，使得該無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)既可以使得無(wú)線信號(hào)在奶牛體內(nèi)傳輸時(shí)穿透效果好，又可以實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，有利于規(guī)模化網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。

圖12 丟包率測(cè)試節(jié)點(diǎn)布置Fig.12 Layout of packet loss ratetesting positions

圖13 奶牛場(chǎng)各個(gè)位置丟包率Fig.13 Packet loss rate of different positions

5 結(jié)論

(1)提出了一種奶牛體溫植入式傳感器設(shè)計(jì)方案，利用該傳感器實(shí)現(xiàn)了奶牛體溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面實(shí)時(shí)顯示奶牛體溫。

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明，該植入式傳感器體積小，測(cè)量誤差最大為0.05℃，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，可在15 s內(nèi)測(cè)出變化溫度，連續(xù)12 h內(nèi)的溫度波動(dòng)為0.02℃，穩(wěn)定性好。

(3)設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)穿透性好，整個(gè)系統(tǒng)的丟包率低于1.2%，可靠性高，可實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)和規(guī)?；W(wǎng)絡(luò)擴(kuò)建。