奶牛陰道植入式電阻傳感器與無線監(jiān)測系統(tǒng)研究

劉忠超 何東健

(1.西北農林科技大學機械與電子工程學院， 陜西楊凌 712100； 2.南陽理工學院電子與電氣工程學院， 南陽 473000；3.農業(yè)農村部農業(yè)物聯(lián)網重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

近年來，我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)在國家產業(yè)政策支持下得到了快速發(fā)展，2018年100頭以上規(guī)模的奶牛養(yǎng)殖存欄量已達到500萬頭，根據國家奶牛養(yǎng)殖業(yè)規(guī)劃，“十三五”末期100頭以上奶牛規(guī)?；B(yǎng)殖將達到70%[1]。隨著規(guī)模化、集約化養(yǎng)殖的推進，對奶牛的飼養(yǎng)和管理方式提出了更高的要求，必須依靠信息技術實現(xiàn)奶牛的精準養(yǎng)殖，從而降低人工成本，提高奶牛養(yǎng)殖的科學管理水平和生產效率。奶牛養(yǎng)殖中的繁殖管理是奶牛生產的重要環(huán)節(jié)[2-3]，及時有效的發(fā)情鑒定是成功進行奶牛人工授精及受孕的基礎[4-5]。

傳統(tǒng)奶牛發(fā)情監(jiān)測主要依靠飼養(yǎng)人員觀察奶牛的外部表現(xiàn)和精神狀態(tài)，該方式不僅對飼養(yǎng)人員水平要求較高，而且檢出效率低、費時費力，導致奶牛發(fā)情期受胎率只有40%～50%[6-7]，無法滿足規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖要求。為了實現(xiàn)奶牛發(fā)情的自動監(jiān)測，國內外諸多學者基于奶牛發(fā)情時的活動量[8-14]、體溫[15-16]、聲音[17-18]和爬跨行為[19-22]等特征變化，通過慣性傳感器、溫度傳感器、聲音傳感器和視頻監(jiān)控技術實現(xiàn)體征參數(shù)和發(fā)情爬跨行為的自動采集、傳輸和分析，進而判斷奶牛是否處于發(fā)情期。傳感器和計算機視覺技術的應用使奶牛發(fā)情監(jiān)測自動化水平顯著提高，但目前基于活動量的自動化發(fā)情鑒定檢出率僅為70.23%，并且在使用中尚存在以下一些問題：①接觸式傳感器安裝在奶牛的不同部位，對奶牛的日常行為產生影響，且部分奶牛存在“假發(fā)情”，通過活動量的發(fā)情監(jiān)測不能精確判斷排卵和輸精時間，從而錯過受孕的最佳時機。②視頻監(jiān)控具有非接觸、實時性的特點，但是養(yǎng)殖場環(huán)境復雜、光照變化較大，導致視頻監(jiān)控技術不能有效識別群居性奶牛中的發(fā)情個體，以及無法識別沒有明顯發(fā)情行為特征的奶牛個體。③奶牛夜間發(fā)情占比較高，據統(tǒng)計，夜間(19:00—07:00)安靜發(fā)情(無發(fā)情外在表現(xiàn))奶牛約占全部發(fā)情奶牛的65%[23]，產后3個月的奶牛也容易發(fā)生安靜發(fā)情，因此僅靠活動量和視頻監(jiān)控無法實現(xiàn)奶牛的安靜發(fā)情預警，造成生產上的損失。④一些年老體衰的奶牛發(fā)情時，外部行為特征表現(xiàn)不明顯，常規(guī)的外部行為鑒定法容易造成發(fā)情漏查。

奶牛內在生理體征的變化可以準確、有效地用于發(fā)情鑒定，如奶牛子宮頸和陰道粘液的pH值、電阻性和陰道粘膜細胞形態(tài)等[24-25]。發(fā)情奶牛陰道粘液電阻呈現(xiàn)規(guī)律性變化，主要為黃體期電阻最高，卵泡發(fā)育期電阻較低，在排卵前25 h電阻達到最低值[26]。同時，基于奶牛陰道電阻的發(fā)情鑒定具有較高的靈敏性與特異性[27]。因此，根據電阻值表征奶牛發(fā)情體征，能夠確定奶牛發(fā)情最佳輸精時間。文獻[28]用普通萬用表和35～40 cm的聚氯乙烯絕緣鋁線做電極，檢測發(fā)情母牛陰道15～20 cm處電阻變化，確定母牛輸精時機；文獻[29]利用萬用表、絕緣電線和導尿管做成簡易母牛發(fā)情鑒定儀，對奶牛陰道電阻進行測量，根據陰道電阻判斷奶牛發(fā)情，可使奶牛受孕率達86.3%；RORIE等[30]采用由探針、處理器和9 V電池組成的Draminski(德銘斯基)排卵測定儀，測量費時、費力；文獻[31]用Draminski排卵測定儀手動檢測陰道粘液電阻，確定雜交奶牛與小母牛的發(fā)情與授精適宜時間。

陰道分泌物粘液電阻變化與卵泡發(fā)育程度有關，是奶牛發(fā)情體征的最直接、最根本體現(xiàn)。奶牛發(fā)情周期中陰道內電阻變化最大的地方是陰道前庭粘膜，在接近排卵時其陰道前庭粘膜電阻降低到最小值，這是授精的最佳時間。人工測量奶牛陰道電阻時，容易引起交叉感染，且奶牛的移動性造成讀數(shù)不準，同時勞動強度大、生產效率低下，無法實時監(jiān)測。

本文基于奶牛發(fā)情時陰道生理粘液電阻的變化，設計小型化、高精度的奶牛陰道植入式電阻傳感器，并與2.4 GHz的ZigBee網絡無線連接，實現(xiàn)奶牛陰道電阻數(shù)據的無線實時遠程傳輸，為奶牛發(fā)情24 h內自動實時監(jiān)測和精確判斷輸精時間提供生理數(shù)據。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 設計需求

本研究以河南省南陽市育陽奶牛養(yǎng)殖基地為試驗場所，針對目前規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖場奶牛數(shù)量較多，養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境復雜，通過對奶牛場實地考察和咨詢養(yǎng)殖專家，得出奶牛陰道植入式電阻無線監(jiān)測系統(tǒng)主要需求包括：

(1)陰道植入式電阻傳感器體積小、質量輕，外殼材質柔軟且無毒無害，不會對奶牛產生應激反應。

(2)植入式電阻傳感器應在奶牛陰道內固定牢固，安裝方便，并在授精前易于取出。

(3)植入式電阻傳感器無線信號在奶牛體內傳輸衰減小，陰道電阻能實現(xiàn)無線遠程傳輸，可實現(xiàn)自組網，滿足規(guī)?；O(jiān)測的需求。

(4)荷斯坦牛發(fā)情周期最長為24 d，發(fā)情持續(xù)期最短僅6 h，最長可達36 h，因此系統(tǒng)需要能夠在奶牛陰道內長時間工作，最少需要對奶牛陰道電阻進行一個發(fā)情周期的持續(xù)監(jiān)測，以便根據奶牛陰道電阻的變化判斷授精的最佳時機。

1.2 總體設計方案

根據奶牛陰道植入式電阻傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)實際需求，系統(tǒng)總體結構如圖1所示，主要由陰道植入式電阻傳感器、ZigBee終端節(jié)點、ZigBee協(xié)調器和遠程實時監(jiān)控中心4部分組成[32]。

圖1 奶牛陰道電阻無線監(jiān)測系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure diagram of wireless monitoring system for cow’s vaginal resistance

(1)陰道植入式電阻傳感器：該傳感器可植入奶牛陰道內，通過2個電極與陰道粘液充分接觸，將陰道粘液的電阻傳輸給ZigBee終端節(jié)點處理器。

(2)ZigBee終端節(jié)點：終端節(jié)點不僅具有ZigBee路由器功能，而且與植入式電阻傳感器的檢測電極連接，測算兩電極之間的陰道粘液電阻。該設計把電阻的信號處理交給ZigBee終端節(jié)點處理器完成，減少了系統(tǒng)成本和電路復雜度。

(3)ZigBee協(xié)調器：通過2.4 GHz網絡與終端節(jié)點建立通信組網，負責網絡構建和維護，并允許終端節(jié)點加入網絡。同時通過RS485通信把數(shù)據遠距離傳送到監(jiān)控中心個人計算機。

(4)遠程實時監(jiān)控中心：個人計算機通過上位機遠程監(jiān)控軟件對奶牛陰道電阻進行無線實時監(jiān)測并存儲，同時可對相應奶牛的發(fā)情狀態(tài)進行預警。

系統(tǒng)設計方案中，植入式電阻傳感器留置于奶牛陰道內，終端節(jié)點封裝后捆綁固定于奶牛尾根上部，距離奶牛陰道口較近，可以方便地與陰道植入電阻傳感器相連，避免了無線信號在奶?；铙w組織內傳輸時的衰減以及對奶牛陰道組織造成的機理損傷，同時也方便植入式電阻傳感器在檢測到發(fā)情狀態(tài)后及時取出，順利地對奶牛進行人工授精。ZigBee協(xié)調器可安裝于奶牛場屋頂鋼結構上面，通過RS485總線和遠程實時監(jiān)控中心個人計算機進行有線通信，通信距離在奶牛場內可達1 200 m。本設計方案不但充分利用了ZigBee無線自組網的功能，而且彌補了ZigBee通信距離短的弊端。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 植入式電阻傳感器設計

2.1.1電阻測量方案

傳統(tǒng)的萬用表伏安法測量電阻精度低，不能實現(xiàn)自動測量。為了實現(xiàn)奶牛陰道電阻的自動實時監(jiān)測，鑒于555測頻法[33]精度高，故用該方法測量奶牛陰道電阻，能夠滿足對奶牛陰道電阻實時監(jiān)測的需求。

2.1.2電阻測量探頭設計

植入式電阻傳感器主要由電阻檢測電極和支撐探桿構成，圖2為植入式傳感器的結構示意圖。由于電極材料對測量結果的穩(wěn)定性和準確性至關重要，因此植入式電阻傳感器的電極選用導電和導熱性能好、材質便宜、易于加工的黃銅。同時電阻傳感器前端設計兩個圓環(huán)形凹槽，電極設計為圓環(huán)狀并分別裝在兩個圓環(huán)形凹槽內，能夠保證植入奶牛陰道的電阻傳感器電極與陰道穹隆部位小池粘液的充分接觸，使其對宮頸口的陰道粘液沒有阻擋作用，保證測量結果的準確性和可靠性，且不會對奶牛陰道粘膜造成損傷。每個圓形凹槽側面設計一個直徑為3 mm孔洞，將兩個銅環(huán)電極引線通過孔洞由探桿內部連接至ZigBee終端節(jié)點處理器，避免銅環(huán)電極引線裸露在傳感器探桿外部對奶牛陰道組織造成損傷。

圖2 奶牛陰道植入式電阻傳感器結構圖Fig.2 Structure charts of cow’s vaginal implantable resistance sensor1.凸形圓滑前端 2.圓環(huán)形凹槽 3.凹槽側面孔洞 4.探桿 5.防滑凸指 6.尾部拉環(huán) 7.尾部內嵌式孔洞

2.1.3電阻傳感器尺寸及封裝設計

根據植入式電阻傳感器設計方案和裝配兩個銅環(huán)電極的需要，傳感器前端采用分段式結構，以便于固定安裝銅環(huán)電極。為了避免植入式傳感器對奶牛陰道粘膜的損傷并便于放入奶牛陰道，傳感器頂端采用凸形圓滑結構。

具有生育功能的成年奶牛陰道長度為220～280 mm，寬約55 mm，奶牛陰道前庭粘膜電阻在一個發(fā)情周期內變化最大，因此該位置是測量陰道電阻的最佳位置。為了保證傳感器植入奶牛陰道后牢固，防止在奶牛運動時脫落，根據奶牛陰道深處穹隆較大的特點，植入式電阻傳感器尾部設計采用4×2的防滑落8爪式固定。每個防滑落凸指向外傾斜30°，長度為35 mm，且凸指分為2節(jié)，使其在穹腔處形成一個雙層的固定卡位[34]。

如圖2a所示，在傳感器末端設計直徑為20 mm的半圓形拉環(huán)，便于植入式電阻傳感器放入奶牛陰道并于授精前取出。

為了將銅環(huán)電極通過導線引出到終端節(jié)點處理器從而進行電阻的測量計算，探桿內部設計了兩個通道用于引出電極導線，并在末端設計了直徑為2 mm的內嵌式孔洞，如圖2b所示。

由于植入式電阻傳感器要放置于奶牛陰道內，傳感器封裝材質的選擇非常重要，從奶牛健康和保護其陰道組織的角度考慮，選擇無毒、無味、比較柔軟的高密度聚乙烯材料(High density polyethylene，HDPE)來封裝傳感器。傳感器外殼3D打印而成，直徑為20 mm，長度為200 mm，封裝后的陰道植入式電阻傳感器如圖3所示，質量為46 g，不及Draminski發(fā)情電阻檢測儀質量(300 g)的1/6。柔軟的高密度聚乙烯材料封裝避免了文獻[28-29]中人工使用探針電極和導線對奶牛陰道組織造成損傷的問題。

圖3 封裝后的植入式電阻傳感器Fig.3 Assembled implantable resistance sensor

2.1.4電阻傳感器的植入及應激分析

植入式電阻傳感器需要放置于奶牛陰道內，使探頭與陰道前庭穹隆部位粘液進行接觸。根據文獻[35-36]以及調研、咨詢奶牛養(yǎng)殖專家，植入式電阻傳感器放入奶牛陰道前需要將表面擦凈，并用酒精擦拭消毒，待干燥后植入。放置時，奶牛要站姿固定于牛舍內，將尾巴拉于一側，清洗外陰并用酒精進行擦拭消毒，輕輕分開奶牛外陰，將消過毒的植入式電阻傳感器的探棒緩緩地沿陰道背壁插入宮頸口處的陰道前庭，并輕輕移動使其與穹隆部的陰道粘液充分接觸。電阻傳感器植入奶牛陰道后的位置見圖4。

圖4 電阻傳感器植入奶牛陰道示意圖Fig.4 Schematic of resistance sensor implanted in cow’s vagina1.輸卵管 2.卵巢 3.陰道前庭穹隆 4.奶牛直腸 5.陰道 6.植入式電阻傳感器 7.膀胱 8.子宮頸 9.子宮角 10.子宮體

文獻[35-36]采用合成塑料棒探桿和鉑黑電極測試奶牛陰道粘液，其連續(xù)50 d的測量未見明顯陰道刺激和任何異常分泌物，也未見其他不良反應。本文設計的傳感器采用HDPE封裝，HDPE是生物惰性材料，與生物組織的相容性極佳，對生物組織和細胞無毒性反應，無排斥[37-38]，已成為人造器官的重要材料，主要用于制作人工氣管、人工骨、矯形外科修補材料等。因此，采用HDPE材質封裝的傳感器植入奶牛陰道后，不會對奶牛健康帶來不良影響，也不會引起奶牛陰道刺激、損傷、分泌物異常等應激反應。

2.2 ZigBee終端節(jié)點設計

終端節(jié)點設計主要包括系統(tǒng)電源電路、ZigBee最小系統(tǒng)(CC2530微處理器)以及NE555方波輸出電路等模塊，其硬件結構如圖5所示。圖5中陰道植入式傳感器輸出的電阻信號變化引起NE555振蕩電路頻率的變化，通過CC2530微處理器測量NE555振蕩電路頻率可以得到奶牛陰道粘液電阻。

圖5 終端節(jié)點電路硬件結構示意圖Fig.5 Terminal node circuit structure diagram

2.2.1電源電路設計

根據系統(tǒng)需求分析，為了實現(xiàn)終端節(jié)點對奶牛陰道電阻數(shù)據的實時采集和處理，以及對奶牛陰道電阻進行至少一個發(fā)情周期的監(jiān)測，系統(tǒng)選用體積小、供電穩(wěn)定、持續(xù)時間長的7.4 V/6 500 mA·h可充電鋰電池為終端節(jié)點供電。同時系統(tǒng)采用低壓差穩(wěn)壓芯片LM2940將7.4 V電源電壓降為5 V，為工作電壓為5 V的NE555電路供電。采用AMS1117-3.3V穩(wěn)壓芯片將5 V電壓降為3.3 V，為工作電壓為3.3 V的CC2530微處理器供電。

2.2.2NE555方波發(fā)生電路

由NE555芯片和R1、R2、C1組成如圖6所示的多諧方波振蕩輸出電路，電路輸出脈沖頻率由R1、R2、C1確定。

圖6 NE555方波發(fā)生電路圖Fig.6 Circuit diagram of square wave generation for resistance measurement

由圖6電路可知，電路輸出的脈沖頻率為

(1)

式中f——電路輸出脈沖頻率，Hz

R1——與電路輸出脈沖頻率相關的電阻，Ω

R2——待測奶牛陰道電阻，Ω

C1——振蕩電路充放電電容，μF

由式(1)可知，可以通過測量輸出脈沖頻率來計算被測電阻R2，即

(2)

根據奶牛陰道電阻從間情期到發(fā)情期在150～600 Ω之間變化，設計R2測量量程為1～1 000 Ω?？紤]CC2530微控制器可接受的脈沖頻率為0～20 kHz，以及電阻功耗不能太大，選擇R1為500 Ω(精密電阻)，C1為1 μF(獨石電容)。

2.2.3終端節(jié)點控制器

終端節(jié)點主要完成奶牛陰道電阻數(shù)據的采集、處理和發(fā)送。采用TI公司的CC2530F256主控芯片，該芯片是一個具有2.4 GHz頻率和IEEE 802.15.4標準ZigBee功能的片上系統(tǒng)，內置增強型8051CPU，只需少量外圍器件即可組成性能強大的ZigBee節(jié)點。為了降低終端節(jié)點系統(tǒng)的功耗，采用電源休眠技術，工作時喚醒，以滿足終端節(jié)點低功耗要求。

2.3 無線傳輸網絡設計

考慮到規(guī)?；B(yǎng)殖場奶牛數(shù)量較多，需要建立自組網絡實現(xiàn)群體奶牛陰道電阻值的無線傳輸。目前較為成熟的無線技術均工作在免費ISM頻段，如藍牙、WiFi和ZigBee等。藍牙通信距離較短，WiFi通信協(xié)議復雜、成本較高，而ZigBee專用芯片的成本和自身功耗都較低、算法簡單，且具有較高的可靠性和安全性。故選擇基于IEEE 802.15.4標準的ZigBee組網。

奶牛陰道電阻無線監(jiān)測網絡采用星型拓撲結構，由多個終端節(jié)點和一個協(xié)調器節(jié)點組成。終端節(jié)點接收陰道植入式傳感器的電阻信號，實現(xiàn)電阻由奶牛體內到體外的測量傳輸，每個終端節(jié)點通過無線網絡向協(xié)調器傳輸數(shù)據。

協(xié)調器節(jié)點負責整個系統(tǒng)無線網絡的建立及管理，采用CC2530微控制器，具有由休眠模式轉換到主動模式的超短時間的特性，能夠滿足植入式傳感器低功耗的要求。由于ZigBee無線傳輸距離有限，為了降低系統(tǒng)的丟包率，將協(xié)調器布置在奶牛養(yǎng)殖活動區(qū)的中心，有利于數(shù)據的穩(wěn)定傳輸。

為了實現(xiàn)協(xié)調器節(jié)點信號到上位機監(jiān)控中心的遠距離傳輸，將ZigBee協(xié)調器串口發(fā)送出的TTL信號轉換為負邏輯電平的485信號，通過RS485現(xiàn)場總線遠距離傳輸?shù)絺€人計算機實時監(jiān)控中心，其數(shù)據傳輸速率可高達100 Kb/s，且傳輸穩(wěn)定可靠。

2.4 終端節(jié)點和協(xié)調器的封裝

終端節(jié)點和協(xié)調器網關節(jié)點在硬件電路上基本相同，只是協(xié)調器上不需要植入傳感器信號處理電路。采用將ZigBee處理器和系統(tǒng)功能分成上、下兩層板設計，電路板上留有液晶屏接口和系統(tǒng)狀態(tài)指示燈，便于調試和維護。同時對PCB電路板進行合理布局，并采用貼片元器件和集成電路使其電路板達到4 cm×4 cm×2 cm的較小體積。

協(xié)調器節(jié)點固定于牛舍內，對防水和封裝無太多要求，采用6 cm×5 cm×4 cm、透明的ABS材質的防水盒進行封裝。固定裸露于奶牛尾根部的終端節(jié)點，采用防水盒來實現(xiàn)防水。防水盒質量90 g左右，韌性好，防撞、防水、防潮。盒子側面開口安裝有可與植入式傳感器連接的防水接線端子和天線裸露端子。

圖7為終端節(jié)點與協(xié)調器的電路板及封裝實物圖，電池及相應的電路處理部分分別固定封裝在盒子中。為了避免防水盒對天線信號傳輸造成衰減，終端節(jié)點通信天線露置于殼體外部，以實現(xiàn)數(shù)據的無線準確傳輸，如圖7a中紅色圓圈所示。防水盒的接線端子和天線露出位置均采用防水尼龍接口進行處理。

圖7 ZigBee終端節(jié)點和協(xié)調器實物圖Fig.7 Photos of ZigBee terminal node and coordinator1.ZigBee處理器模塊 2.傳感器連接端 3.系統(tǒng)功能底板 4.天線連接端子 5.ABS防水封裝盒子 6.終端處理器模塊 7.電池模塊 8.植入式傳感器接線防水接口 9.裸露天線防水接口 10.協(xié)調器模塊 11.電池模塊 12.ABS塑料封裝盒 13.天線

2.5 終端節(jié)點奶牛尾部固定及應激分析

2.5.1奶牛尾部的固定方法

現(xiàn)有牛只用傳感器主要通過項圈佩戴懸掛于脖頸、捆綁于腿部或固定于奶牛尾部。終端節(jié)點懸掛于脖頸會影響奶牛進食、飲水等活動，由文獻[39-43]可知，奶牛尾部固定傳感器已有實際應用，如用于奶牛體溫測定、奶牛分娩時尾部翹起和移動的重力監(jiān)測等。終端節(jié)點安裝固定于奶牛尾根部可以使節(jié)點盡量避開牛只之間的碰撞，且距離植入式傳感器較近，便于信號的傳輸。故本文采用將終端節(jié)點固定在奶牛尾根部的方案。根據文獻[41-43]以及奶牛的尾部結構形狀，設計奶牛尾夾固定器，如圖8所示，主要由雙環(huán)形緊固扎帶孔、螺釘過孔、防水盒固定支架座組成。

圖8 奶牛尾夾示意圖Fig.8 Schematic of cowtail clip1.雙環(huán)形緊固扎帶 2.螺釘過孔 3.防水盒固定支架座

防水盒固定支架座可采用高密度聚乙烯板或環(huán)氧玻璃纖維板，尺寸為6 cm×6 cm×1 cm，無毒易加工、韌性較好，具有4個螺釘過孔以便與圖7a防水封裝盒連接。通過調整兩端扎帶將防水盒固定于牛尾部。

2.5.2奶牛尾部應激分析

奶牛尾部的功能主要是驅趕蚊蟲、蒼蠅以及撓癢。將封裝后質量僅為210 g的終端節(jié)點固定于奶牛尾根上部，不會影響奶牛尾巴甩動，也不會影響奶牛尾巴驅趕蚊蠅等功能，應激反應小。

3 系統(tǒng)軟件設計

奶牛陰道電阻無線監(jiān)測系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，主要包括電阻采集與處理模塊、無線信號傳輸模塊以及奶牛陰道電阻上位機實時監(jiān)測系統(tǒng)3部分。

3.1 系統(tǒng)工作流程

奶牛陰道電阻至少需要一個發(fā)情周期的連續(xù)監(jiān)測，為了減少整個系統(tǒng)的功耗，根據奶牛的發(fā)情特征(發(fā)情狀態(tài)持續(xù)1～2 d)，系統(tǒng)采用定時喚醒的工作機制，每2 h進行一次數(shù)據采集和傳輸。系統(tǒng)通電后進行終端節(jié)點和協(xié)調器的初始化，完成系統(tǒng)組網。終端節(jié)點處理奶牛陰道內傳感器采集的電阻，通過組建好的星型網絡，將不同奶牛佩戴的終端節(jié)點所采集的陰道電阻發(fā)送至協(xié)調器，協(xié)調器將數(shù)據處理后，通過RS485總線上傳到遠程個人計算機后，上位機遠程監(jiān)控軟件對數(shù)據解碼處理后將電阻實時顯示并記錄保存。系統(tǒng)主程序流程圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.9 Flow charts of system main program

3.2 上位機監(jiān)控界面設計

Visual Basic(VB)軟件具有功能強大、控件豐富、能夠與外部設備實現(xiàn)串口通信等特點，因此選用Microsoft VB 6.0軟件開發(fā)奶牛陰道電阻上位機監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)主要包括：系統(tǒng)登陸、監(jiān)測系統(tǒng)主界面、電阻實時變化曲線、電阻歷史曲線、奶牛發(fā)情狀態(tài)顯示等。

每頭奶牛所佩戴的終端節(jié)點配置不同的數(shù)據幀頭，因此上位機接收到無線傳感網絡發(fā)送來的數(shù)據不同，需要在后臺對接收的數(shù)據進行解碼，實現(xiàn)對不同奶牛陰道電阻與發(fā)情狀態(tài)監(jiān)測。圖10所示為奶牛陰道電阻實時監(jiān)測主界面，該界面主要分為4部分：參數(shù)設置、奶牛陰道電阻信息區(qū)、奶牛發(fā)情狀態(tài)顯示區(qū)以及奶牛陰道電阻實時變化曲線。參數(shù)設置功能用于選擇個人計算機可用串口，設置串口的通信屬性，以及根據實際情況設置發(fā)情期電阻閾值和陰道電阻采樣時間間隔。串口通信參數(shù)設置完成后，選擇奶牛對應的編號，系統(tǒng)即響應和顯示所選奶牛的電阻，并根據設置的發(fā)情期電阻閾值判斷奶牛是否處于發(fā)情期。電阻實時顯示曲線可顯示所監(jiān)測奶牛24 h內陰道電阻變化，方便進行實時監(jiān)測和發(fā)情期預測。系統(tǒng)還具有奶牛陰道電阻數(shù)據保存、歷史電阻曲線查看等功能。

圖10 奶牛陰道電阻實時監(jiān)測主界面Fig.10 Real-time monitoring interface of cow’s vaginal resistance

3.3 發(fā)情預警系統(tǒng)設計

奶牛在一個發(fā)情周期中根據其生理變化分為發(fā)情期和間情期，發(fā)情期電阻最低，間情期電阻最高。根據文獻[27-31]研究結果，奶牛陰道前庭電阻在180～220 Ω時處于發(fā)情期，且為最佳受孕時間；在間情期時電阻較大，可達300～600 Ω。同時越接近發(fā)情排卵期，其陰道電阻呈迅速下降趨勢，排卵期過后電阻又逐漸升高并恢復至間情期水平，且在奶牛陰道電阻降至最低時為奶牛的最佳授精時間。在上位機監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到奶牛陰道電阻后，通過與發(fā)情期電阻閾值進行判別并給出奶牛的發(fā)情狀態(tài)。上位機發(fā)情預警系統(tǒng)設計的奶牛發(fā)情期陰道電阻閾值為220 Ω，還可以根據奶牛陰道電阻的變化曲線來判斷奶牛的發(fā)情狀態(tài)。

4 試驗與結果分析

4.1 電阻測量系統(tǒng)準確性試驗

為了驗證電阻測量系統(tǒng)的準確性，考慮到奶牛陰道電阻在150～600 Ω之間，選用1 kΩ高精度可調電位器(上海天逸電器有限公司，精度±0.25%，電位器、刻度盤和旋鈕一體化)測試系統(tǒng)的準確性。試驗時，為了直觀顯示終端節(jié)點振蕩電路頻率和測量電阻，在終端節(jié)點上安裝3.2寸薄膜晶體管(Thin film transistor，TFT)來實現(xiàn)人機交互。為了驗證測量結果的準確性，利用Tektronix MDO3052型示波器(泰克公司，美國)進行555振蕩電路頻率信號的測量，ZigBee終端節(jié)點將采集的頻率和電阻顯示在TFT屏上。當測試的精密電位器阻值為150 Ω時，終端節(jié)點TFT和示波器顯示結果如圖11所示。

圖11 植入式電阻傳感器準確性測試結果Fig.11 Implanted resistance sensor accuracy test results

為了使測試電阻與奶牛實際陰道電阻范圍相一致，調整電位器的阻值在100～800 Ω范圍內，用普通萬用表和植入式電阻無線監(jiān)測系統(tǒng)進行測試比較，結果如表1所示。

根據精密標準電阻的測試結果，分別對植入式電阻傳感器和普通萬用表測試結果進行線性回歸分析，其擬合關系分別為

表1 電阻測量準確性對比Tab.1 Accuracy comparison of resistance test Ω

Y0=0.998 1x+0.813 7

(3)

Y1=1.002 1x+0.837 0

(4)

式中x——可調電位器真實值，Ω

Y0——植入式電阻傳感器測量值，Ω

Y1——普通萬用表測量值，Ω

由式(3)、(4)可知，測量值與真實值的決定系數(shù)R2分別為0.992 0和0.999 9。表明植入式電阻傳感器的測量結果可以真實地表征奶牛的陰道電阻。從表1可以看出，植入式電阻傳感器系統(tǒng)測量精度穩(wěn)定在±2%，解決了文獻[28-29]中用萬用表和導線探針測量奶牛陰道電阻精度不高、費時費力的問題。

4.2 電阻測量穩(wěn)定性試驗

圖12 植入式電阻傳感器穩(wěn)定性試驗Fig.12 Stability test of implantable resistance sensor1.植入式電阻傳感器1 2.示波器 3.植入式電阻傳感器2 4.終端節(jié)點1 5.協(xié)調器節(jié)點 6.終端節(jié)點2

為了驗證植入式電阻傳感器測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，室溫條件下在2個聚丙烯槽里放置3 L的NaCl溶液，通過添加NaCl來調整濃度，用高精度數(shù)字萬用表(FLUKE 15B)測量其電阻分別為180、220 Ω。奶牛陰道電阻在180～220 Ω時最適宜授精，選取這兩個阻值可以真實地模擬奶牛陰道電阻變化。試驗時選取2個植入式電阻傳感器投入兩個聚丙烯槽內，穩(wěn)定性試驗如圖12所示。

根據奶牛發(fā)情特點以及陰道電阻的變化狀態(tài)，連續(xù)測量觀察24 h，每隔2 h通過終端節(jié)點液晶屏讀取所測電阻，2個傳感器在標準電阻為180 Ω和220 Ω時測得結果如圖13所示。由圖13可以看出，在設定的2個電阻下傳感器測量的電阻穩(wěn)定性較好，連續(xù)24 h內電阻變化不大，最大波動為2 Ω，未發(fā)生明顯的阻值波動異?，F(xiàn)象，傳感器具有較好的穩(wěn)定性，能夠較好地測量奶牛陰道的實時電阻，避免了文獻[28-30]人工操作接觸不良導致測量不穩(wěn)定的問題。

圖13 穩(wěn)定性測試結果Fig.13 Stability test result

4.3 系統(tǒng)可靠性試驗

4.3.1系統(tǒng)網絡傳輸結構

系統(tǒng)的網絡傳輸結構采用ZigBee無線網絡技術與RS485工業(yè)總線相結合，可以實現(xiàn)兩者的優(yōu)勢互補。根據實際調研情況，奶牛陰道電阻采集頻率不用太高，一般2 h或更長時間采集1次，系統(tǒng)的數(shù)據量比較小。為了進一步避免網絡堵塞，系統(tǒng)采用簡單的停止等待應答協(xié)議，協(xié)調器每次發(fā)送1幀數(shù)據后，停止發(fā)送，等待上位機確認應答。在協(xié)調器收到確認反饋幀后則繼續(xù)發(fā)送下一幀數(shù)據，如果在規(guī)定的時間內沒有收到確認反饋幀，則重發(fā)上一幀數(shù)據，從而保證了數(shù)據在協(xié)調器和上位機之間傳輸不丟包。

系統(tǒng)通過采用RS485 “主從式”通信模式和簡單的數(shù)據傳輸停止等待協(xié)議雙重措施，使得485通信線路中不會出現(xiàn)網絡堵塞和數(shù)據的丟包，保證了數(shù)據的正確及時傳輸。整個系統(tǒng)的數(shù)據丟包主要發(fā)生在終端節(jié)點和協(xié)調器之間的無線通信上。

4.3.2系統(tǒng)丟包率測試

奶牛養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境復雜，其傳輸距離、養(yǎng)殖場建筑物遮擋等因素均會導致無線信號傳輸?shù)乃p，導致數(shù)據在終端節(jié)點和協(xié)調器之間發(fā)生丟包現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的可靠性。為了測試系統(tǒng)的通信傳輸距離對數(shù)據丟包率的影響，選擇河南省南陽市育陽奶牛養(yǎng)殖基地的奶牛活動區(qū)進行測試，活動區(qū)面積為30 m×15 m，設置植入式傳感器終端節(jié)點發(fā)射功率為1 dBm的，信道頻率為2.4 GHz，工作電壓為3.3 V。測試場地和協(xié)調器節(jié)點安裝位置如圖14所示，將協(xié)調器節(jié)點(圖中黃色區(qū)域)固定于距離水平地面高度為3 m的養(yǎng)殖場鋼棚橫梁上。

圖14 丟包率測試場地Fig.14 Packet loss rate test site

在奶?；顒訁^(qū)人工移動植入式傳感器終端節(jié)點，并逐漸增加收發(fā)距離，使其與協(xié)調器節(jié)點通信距離分別為5、10、20、40、80、100 m，測試點對點丟包率。測試時同一位置每次發(fā)送1 000個數(shù)據包，采用TI公司的SmartRF Studio7軟件進行測試，測試結果如表2所示。

表2 系統(tǒng)通信距離與丟包率測試結果Tab.2 Test results of system communication distance and packet loss rate test results

由表2可知，由于奶牛養(yǎng)殖場環(huán)境復雜，隨著測試距離的增大，數(shù)據丟包率增大，接收靈敏度不斷變小。在測試距離為20 m時，網絡幾乎沒有丟包現(xiàn)象，數(shù)據包在100 m范圍內，丟包率不高于1.5%，能夠實現(xiàn)自組網和奶牛陰道電阻的無線遠程傳輸。

4.4 終端節(jié)點能量可用性試驗

植入式電阻傳感器的終端節(jié)點采用電池供電，當電池電量低于一定閾值時，終端節(jié)點將不能正常工作。為了驗證終端節(jié)點的連續(xù)工作性，選用7.4 V/6 500 mA·h可充電鋰電池，采用定時喚醒的工作機制，測試時設置終端節(jié)點為每2 h進行一次采樣，每次連續(xù)采樣5個電阻值，且每個電阻值采集間隔1 min。對采集到的5個電阻采用均值濾波處理，作為當前采樣時刻的電阻值，該方法有利于終端節(jié)點以最小能耗傳輸數(shù)據。

在連續(xù)測量的第38天時，終端節(jié)點電池電壓降為6 V，不能滿足CC2530控制器3.3 V正常工作電壓的需要。因此可以在一個發(fā)情周期內對奶牛陰道電阻進行連續(xù)監(jiān)測，當監(jiān)測到電阻降低到220 Ω以下時，表明奶牛處于發(fā)情期，可取出植入式傳感器給終端節(jié)點充電，并對奶牛進行輸精操作。植入式電阻傳感器僅在奶牛1個發(fā)情周期內留置于陰道內，時間較短，可最大程度減小奶牛的應激反應。

5 結論

(1)根據奶牛發(fā)情時陰道粘液電阻變化，設計了一種基于陰道電阻變化的奶牛發(fā)情監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠準確有效地監(jiān)測奶牛陰道電阻的變化，可實現(xiàn)24 h奶牛發(fā)情全覆蓋監(jiān)測，對奶牛的安靜發(fā)情也能較好地進行監(jiān)測。

(2)設計了一種由銅環(huán)電極、8爪防滑裝置構成的奶牛陰道植入式電阻傳感器，完成了終端節(jié)點的防水封裝，設計了一種固定終端節(jié)點的新型奶牛尾夾，實現(xiàn)了基于ZigBee網絡的奶牛陰道電阻遠程無線實時監(jiān)測。

(3)試驗結果表明，奶牛陰道植入式電阻傳感器體積小，質量僅為46 g，測量精度為±2%，連續(xù)24 h內電阻測量值最大波動為2 Ω，穩(wěn)定性好，響應速度快，上位機可實時監(jiān)測奶牛陰道電阻。終端節(jié)點在7.4 V/6 500 mA·h鋰電池供電下，可連續(xù)工作38 d，能夠實現(xiàn)一個發(fā)情周期內對奶牛陰道電阻的連續(xù)檢測。

(4)設計的網絡傳輸結構合理，穿透性強，系統(tǒng)可靠性高，數(shù)據發(fā)送成功率不低于98.5%，能夠方便地實現(xiàn)自組網，為奶牛發(fā)情程度和排卵時間的準確預測提供了一種新的方法。