群養母豬飲水行為監測無線傳感器網絡節點設計*

陳林鋒，沈明霞，陸明洲，楊曉靜，路順濤，鄭鶴成

(1.南京農業大學 工學院 江蘇省智能化農業裝備重點實驗室，江蘇 南京210031;2.南京農業大學 動物醫學院 農業部動物生理生化重點實驗室，江蘇 南京210095)

0 引 言

限位欄是我國目前主要采用的母豬養殖方式，這種方式限制母豬的自由活動空間，不符合動物福利要求［1］。針對國際貿易中可能出現的動物福利壁壘［2］，母豬群養這種福利化養殖方式受到廣泛關注。

水是母豬生長過程中必不可少的營養物質，飲水行為是判斷母豬健康與否的重要依據［3，4］。目前，國內對牲畜行為監測主要采用人工觀察方式［5］，這種方式不但耗費大量時間和精力、監測到的數據主觀性強，而且也不利于準確、連續、穩定地記錄。國外對豬的飲水行為自動化監測起步較早［6，7］，但已有的研究都是對產床母豬個體的飲水量監測，或是對群養仔豬總飲水量的監測，監測群養母豬個體飲水量的自動監測裝置尚未出現文獻報道。

本文綜合了射頻識別(RFID)技術、傳感器技術、無線通信、網絡通信以及嵌入式技術，設計了用于監測群養母豬個體飲水行為的無線傳感器網絡節點，節點通過自組網的形式將采集的母豬個體飲水信息發送至遠程監控中心，實現對飲水母豬的識別，飲水量的采集以及飲水時間的記錄。

1 硬件系統

節點由STM32 微控制器、RFID 讀寫器模快、傳感器模塊、電源模塊、存儲卡模塊、實時時鐘模塊、CC1101 無線射頻模塊組成，如圖1 所示。

圖1 節點框圖Fig 1 Block diagram of node

為了兼顧處理能力和功耗兩方面的要求，微控制器選用了意法半導體公司的STM32f103RE，對比普通單片機而言，其代碼執行效率高，具有1.25 DMIPS/MHz 的運算能力。搭配32.768 kHz 的外部晶振，可以準確記錄母豬飲水時間;通過SDIO 接口與存儲卡相連，能夠將采集到的數據實時保存至存儲卡中和發送數據時從存儲卡中讀取。

母豬飲水用的鴨舌式飲水器流速為2 ～3 L/min，選用渦輪式流量計實現對水流量的測量，由于其輸出信號為4 ～20 mA 的電流信號，需外接負載電阻器將電流信號轉換為電壓信號，STM32 微控制器通過內部AD 模塊測量電壓信號，并通過電壓值計算得到母豬的飲水量。

為了實現對母豬個體的識別，在每頭母豬右耳上打上電子耳標;相應的RFID 讀寫器模塊選用成都慧訊科技公司的VUM9000，采用EPC GEN2 空中接口協議實現對電子耳標內部數據讀取和ID 號的寫入;通過TTL 串口與STM32微控制器相連，采用讀寫器控制協議與微控制器通信。

無線射頻通信模塊采用低功耗、低成本的CC1101 模塊，其支持不同的調制格式抗干擾能力強，能夠很好地抑制噪聲環境對系統的影響，CC1101 模塊設定在433 MHz 頻段，模塊通過SPI 接口與微控制器相連。

2 軟件設計

2.1 母豬個體飲水信息采集

母豬個體飲水信息采集包括母豬個體的識別、飲水量的采集以及數據存儲。軟件流程如圖2 所示。

2.1.1 母豬個體識別

RFID 讀寫模塊與STM32 微控制器之間采用讀寫器控制協議(reader control protocol，RCP)進行通信，通信數據包格式如圖3 所示，RCP 包采用的是 Big－endian，即高位在前、低位在后。

電子耳標固定到豬耳朵之前，依次寫入01，02 等序號實現對母豬的編號。處于節能考慮，飲水監測節點一般情況處于休眠狀態，當有母豬飲水，流量計產生一個上升沿電平跳變喚醒節點，此時微控制器將給RFID 讀寫器發送讀標簽ID(多次)命令，獲得對應飲水母豬的ID 號。

圖2 數據采集流程圖Fig 2 Flow chart of data acquisition

圖3 數據包格式Fig 3 Data packet format

2.1.2 飲水數據獲取

流量計只能監測水流的速度，經過換算能得到水流量。流速與采樣電壓的換算公式如下

式中 u 為電壓，V;y 為流速，L/h。

當獲得正在飲水的母豬ID 后，以1 Hz 頻率對流量計輸出進行采樣，得到 y1，y2，…，yn，直到母豬離開，將采樣值y1，y2，…，yn累加，得到母豬此次的飲水量 Y。

2.1.3 幀數據存儲

節點采用MicroSD 卡存儲數據，使用前將MicroSD 卡格式化成FAT32 格式，將獲取到的母豬個體ID 號、單次飲水量以及時間屬性數值轉換為字符封裝成一幀數據，調用存儲模塊將一幀數據存儲于MicroSD 卡中。數據幀格式如圖4所示。

圖4 數據幀格式Fig 4 Data frame format

2.2 數據發送

節點采集母豬個體飲水信息后通過自組網方式發送至網關，網關由STM32 微控制器、CC1101 無線射頻模塊和以太網控制器組成，匯聚網絡中所有節點采集的數據，并轉發至遠程監控中心，軟件流程如圖5 所示。

圖5 數據發送流程圖Fig 5 Flow chart of data sending

2.3 通信協議

節點間的通信基于TI 的SimpliciTI 協議，實現協議在STM32 +CC1101 架構上的移植。在移植的基礎上，改進了SimpliciTI 協議，解決了當AP 數據中心節點單方面重啟后已有的網絡中的ED 終端節點將不能與重啟后的AP 數據中心節點建立網路連接的問題。

3 實驗與結果分析

RFID 模塊與標簽的物理距離和節點的識別率密切相關，物理距離越近，則識別率越高。現場測試節點的有效識別率，RFID 模塊輸出功率設定為 0 dBm，頻率設定在914 MHz頻段，工作電壓為3.3 V，軟件設定周期性發送讀標簽(多次)命令，查看返回的標簽信息，用卷尺測量標簽與RFID 模塊之間的直線距離，記錄此距離下的識別率;隨后增加距離，再記錄下該距離的識別率，直到無返回標簽信息為止。識別率以百分數計算，即RFID 閱讀器發送100 次盤存命令，計算標簽的響應次數。測試結果如圖6 所示。

圖6 節點識別率Fig 6 Recognition rate of note

由圖6 可知，在20 cm 以內，節點的識別率可達到80%以上，同時為了避免被母豬拱到，實驗選擇在母豬身高以上20 cm 處放置RFID 讀寫器模塊天線。

節點在金壇永康農牧科技有限公司的一棟群養母豬舍進行測試，選了4 個圈，每個圈飼養4 頭母豬，每頭母豬右耳上都打上電子標簽，標簽編號為01 ～16，平均體重為190 kg，平均妊娠時間為90 d，每圈日給料量為9 kg，每個圈放置一個節點，組成一個簡單的星型網絡，采集2012.04.05～2012.04.11 這個時間段的母豬飲水數據。鑒于篇幅所限，選擇耳標號為01 的母豬提取其在4 月5 號的飲水信息如表1 所示。

表1 飲水信息Tab 1 Drinking information

選擇4 個圈的所有母豬，計算其從4 月5 號～4 月11 號這7 天的平均日飲水量如圖7 所示。

圖7 母豬平均日飲水量Fig 7 Average drinking amount on a day

從表1 中可以看到測得的母豬平均日飲水量在10 ～11L 之間，這與文獻針對妊娠期母豬日飲水量記錄保持一致，在本次實驗過程中，對母豬體溫每天進行測量，結果無發燒個體出現，母豬基本健康。圖中的基本平穩的曲線說明健康母豬其每天的飲水量基本保持平穩，基于這一點，可以通過觀察母豬的日飲水量是否發生異常變化來判斷母豬是否發生健康異常。

需要說明的是文獻中提到不同的母豬個體其飲水量存在差異，因此，后期的工作需要針對不同的母豬個體實時監測飲水行為數據，以建立相應飲水模型，這樣才能起到飲水行為數據在母豬健康異常預警中的作用。

4 結 論

本文綜合了傳感器技術、RFID 技術、無線通信技術以及嵌入式技術設計了母豬飲水行為監測節點，通過自組網方式將監測數據發送至監控中心，解決了群養母豬飲水行為難以自動監測的問題。通過實驗得知，節點能實時、準確地記錄母豬的飲水量，并與已有文獻記錄保持一致。

同時，實驗中也發現母豬飲水過程中存在戲水現象，而節點監測的飲水量是包括戲水消耗的水量和母豬實際的飲水量。因此，后期的工作中要重點解決母豬戲水量的判斷，以實現母豬實際飲水數據的精確記錄。

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