奶牛行為信息智能監測系統研究

摘要：發情鑒定是奶牛生產的關鍵環節，針對國內發情鑒定方法和研發設備自身的不足，設計了一種基于無線傳感技術的奶牛行為信息智能監測系統，對其系統結構、功能及相對優勢進行了介紹。結果表明，該系統不僅可以準確判斷奶牛發情期，經適當改進后還可以實現對更多動物的體征進行監測。

關鍵詞：奶牛；發情；無線傳感；智能監測

中圖分類號：TP273+.5 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）06-1499-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.06.056

Abstract： Monitoring oestrus of cow is very important during the cow production. In terms of deficient methods and equipment developed to monitor oestrus of cow at present， a system based on wireless sensing technology was proposed. It was able to intelligently monitor the behavior information of cow. The structure， function and relative dominance of system was introduced completely. The system can be used to judge the cow oestrus and monitor more animal physical sign reliably after being appropriately improved.

Key words： cow； oestrus； wireless sensing； intelligent monitor

產奶量充足可使養殖奶牛獲得最大的經濟效益，而發情鑒定是奶牛生產的關鍵環節[1-4]。目前我國絕大多數養殖場仍以人工觀察、經驗判斷的方式進行奶牛發情識別，但其不僅費時費力，還易發生誤判與漏檢情況。一些大型養殖企業引入部分國外先進的監測技術，但受其管理模式落后、技術改進困難、售后服務價格高昂等因素影響，不適合在中小型奶牛養殖企業中普及。近幾年，研究者圍繞奶牛發情期監測方法進行研究，但研發的監測器普遍存在功耗高、重量偏大等不足[5-9]。因此，本研究綜合計算機、通信、測控等技術，設計了奶牛行為智能監測系統，可準確采集、記錄、顯示和分析現場奶牛個體的身體物理參數，為后期及時、準確判斷奶牛的發情期等提供科學依據。

1 系統設計方案

發情期的奶牛常表現為運動步數增加、體溫上升等[3，6]，結合相關參數的日常變化規律可提高奶牛發情判斷的準確性。此外，系統的應用環境為養殖場，使用對象是奶牛，因此在設計中考慮到以下幾點：①采用無線傳感技術，解決養殖場不易布線問題，并且不干擾奶牛正常生活；②選用微處理器內核與射頻收發器緊密集成的芯片，建立了周期性睡眠與喚醒循環機制，用于解決以往系統功耗高及重量大等不足；③融合體溫采集模塊與活動量監測模塊獲取的信息，實現奶牛活動狀態的準確判斷。

整體系統主要由監測儀（下位機）、數據集中器和PC服務器（上位機）組成（圖1）。其中，監測儀負責奶牛個體的識別和個體數據的采集與存儲，通過無線射頻方式與數據集中器實現通信；數據集中器通過RS232/USB串口與后臺服務器連接，整個系統采用主從多機通信方式；用戶通過PC服務平臺的簡單操作實現對奶牛個體信息的查詢、瀏覽和分析。

2 智能監測系統功能的實現

2.1 監測儀的組成

監測儀采用模塊化設計，主要由微控制器、活動狀態采集模塊、體溫采集模塊、電池低電量監測模塊和電源模塊組成。監測儀原理組成框圖如圖2所示，實際電路板如圖3所示。

2.1.1 微控制器 選用TI（美國德州儀器公司）公司生產的CC430F5135型芯片作為控制核心，其集成了微處理器內核、外設、軟件和射頻收發器緊密，大大簡化了系統的設計，可使用1 GHz以下頻段，具有高靈敏度、低電流消耗、高傳輸速率、功耗超低等特性。其外圍電路如圖4所示，充分利用了I/O接口，使用MOSFET控制方案定時檢測電池電壓，有效地降低了損耗，提高了可靠性。

2.1.2 體溫采集模塊 選用一線式數字輸出溫度傳感器DS18B20（美國Dallas公司）[10]，其管芯內集成了溫敏元件、數據轉換芯片、存儲器芯片和計算機接口芯片等多功能模塊，可直接輸出二進制溫敏信號。該傳感器與微控制器僅需要一條總線連接，采用外部電源供電模式簡化了軟件操作，提高了供電的驅動能力。

微控制器經單線接口訪問DS18B20的工作流程為：對DS18B20進行初始化，發出ROM操作指令，存儲器（包括RAM和E2RAM）操作指令、處理數據。主CPU對ROM操作完畢，即發出控制指令，使DS18B20完成溫度測量，并將結果存入高速暫存器中，最后讀取結果。

2.1.3 活動狀態采集模塊 將奶牛運動的加速度作為判斷其活動狀態的依據。選用飛思卡爾半導體生產的MMA7660FC，它是一個三軸數字輸出I2C的加速度計，功耗超低。通過配置相應的寄存器可使其工作于3種不同模式：方向檢測、振動檢測和敲擊檢測。該系統選用敲擊檢測模式進行大動作檢測，并通過連續兩次判斷動作是否超過設定閾值，減少誤判，提高可靠性。為了估計奶牛位姿，增加了方向檢測、記錄身體方位的功能；為了降低工作能耗，使用了自動喚醒/自動睡眠模式。

2.1.4 電源模塊 為了提高微控制器、溫度傳感器、三軸加速度計的工作穩定性，選用了TI公司生產的低壓差線性穩壓器TPS79333，具有超低噪聲、快啟動、高穩定等特點，外部連接只需3個電容。

2.2 數據集中器的設計

采用與監測儀的微控制器功能基本相同的CC430F5137芯片，因其具有8 kb的FLASH存儲容量，便于存儲更多數據。集中器與上位機之間采用異步串行通信方式，通過SIPEX公司生產的SP3220芯片進行電平轉換，有效地降低了系統功耗。串口的有線通信均采用中斷機制實現，便于多任務處理。

2.3 無線通信功能的實現

監測儀采集的數據通過無線通信方式匯聚到集中器，信息收發模塊采用了CC430內部集成的CC1101，其優勢在于使系統的外圍元件更少、節點體積進一步減小、工作于免費頻段、調制格式與當前的射頻終端相兼容等。

為了使系統具有更高的發射功率和接收靈敏度，參數符合要求的天線是必不可少的。目前433 MHz頻段的天線主要有PCB天線、芯片天線和鞭狀天線3種。綜合考慮多方面因素，在集中器上使用鞭狀天線，以增強通信性能；在監測儀上采用PCB天線，以降低成本及重量。經過實際測試，可靠通信距離達150 m，滿足系統設計要求。

針對中小型奶牛場，采用了由單一集中器和多個監測儀布設的星型網絡結構。各監測儀的程序寫法完全相同，通過Wake-on-radio喚醒模式以監視集中器發來的指令，當收到集中器發送的同步信號時，立刻產生一個與本身ID號相關聯的延時函數，然后將數據傳輸出去。此時，集中器處于接收狀態，會自動掃描空氣中的信號，并間隔一定時間后進行一次同步信號的發送。一旦發現有符合協議的數據包，就會進行自動的接收，從而實現一點（集中器）對多點（監測儀）的可靠無線數據通信。為了防止數據在傳輸中因相互碰撞產生數據包丟失或混亂現象，設計中采用了時分復用（TDMA）技術。

2.4 服務平臺功能

服務平臺主要由數據錄入、奶牛信息查詢、數據顯示、奶牛發情分析和報表打印等模塊構成。其中，數據錄入模塊主要是將奶牛場生產中相關的數據保存到數據庫中，記錄包括：奶牛的出生日期、性別、體型、體況、發情、配種、胎次等情況；奶牛信息查詢模塊包括個體資料和產奶量兩類，可通過單一限定條件查詢模塊，也可通過多條件復合查詢；數據顯示模塊用以實時顯示接收到的奶牛體溫及活動量參數數據；奶牛發情分析模塊通過設定的閾值結合接收的數據，綜合多種因素分析，做出是否發情的判斷；報表打印模塊為用戶提供各類歷史數據的輸出。

3 小結

本研究設計了一種基于無線傳感技術的奶牛行為信息智能監測系統。發情監測儀選用功耗低和性能先進的傳感器，有效記錄并保存了奶牛的體溫和活動量；采用微處理器內核與射頻收發器集成的芯片，通信過程采用周期喚醒/睡眠循環模式，進一步降低了總體能耗；設計出合理的天線，保證了可靠通信距離的同時，大大降低了成本和重量。該系統中采用了三軸加速度計，可對奶牛位姿進行實時檢測，進而判斷奶牛的舒適度。整體系統經適當改進，也可應用于人體的活動監測和跌倒報警等。

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