基于物聯網和云端的奶牛發情體征監測系統設計

劉忠超， 范偉強， 董亞朋， 何東健

(1.南陽理工學院電子與電氣工程學院，河南南陽 473004； 2.西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西楊凌 712100；3.中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院，北京 100083)

奶牛作為人類食物供應鏈的重要來源之一，養殖成本高，技術復雜。“十五”以來，我國奶牛養殖業發展迅速，奶牛養殖規模化進程日益加速，安全、高產、高效成為奶牛養殖的目標，這必然對牧場科學生產和高效管理等方面提出更高要求。在逐步向現代精準養殖生產方式轉變過程中，奶牛的發情狀況倍受關注，發情監測在牛群繁殖管理中具有重要地位，及時發現奶牛發情有利于奶牛的及時受孕、產犢并提高泌乳期[1]。

奶牛發情狀態通常會由各項生理參數反映，其中最具有代表性的生理體征參數是體溫和運動量。在我國大部分奶牛場，奶牛發情是靠奶牛飼養管理員觀察發現，再依靠經驗進行判斷。單靠管理人員觀察及時發現奶牛發情非常困難，這種判斷方法僅適用于小規模的奶牛養殖，不適合較大規模、集約化的奶牛場[2]。因此把信息技術引入奶牛養殖，用電子傳感器監測奶牛的發情體征，采集、記錄現場奶牛個體的發情體征(體溫、活動量)，準確判斷奶牛發情時間，充分發揮良種奶牛的繁殖潛力，已經成為提升我國奶業綜合生產能力、提高牛奶質量安全水平的重要手段[3]。本研究基于ZigBee技術、無線傳感器網絡(WSN)和嵌入式技術，構建基于物聯網和云端的低成本奶牛發情體征監測系統，旨在為幫助養殖人員及時掌握奶牛的發情和健康狀況提供依據。

1 系統結構與功能

奶牛發情監測系統結構如圖1所示。該系統主要由發情體征采集部分、STM32主控中心、數據傳輸部分、上位機PC監測系統和云服務器平臺構成。發情體征采集部分主要由ZigBee無線傳感器網絡構成，該無線傳感器網絡由帶ZigBee路由器的終端節點和協調器節點組成[4]。其中終端節點由非接觸式溫度傳感器、三軸加速度計和ZigBee無線模塊組成，主要實現奶牛發情體征數據的采集，采集好的數據通過無線網絡傳送給協調器節點，協調器節點再將收到的多頭奶牛發送來的數據整理后傳送至STM32主控中心。主控中心主要實現對協調器傳送來的數據進行初步處理封裝，最終通過RS-485總線傳輸到上位機PC監測系統。同時在上位機PC監測系統將發情體征數據傳輸至云服務器平臺，可以通過網絡隨時隨地實時監測奶牛發情體征參數。

2 系統硬件設計

2.1 發情體征采集節點硬件設計

奶牛發情體征采集節點硬件主要由奶牛體溫采集、奶牛運動量采集、2.4 G無線發送和采集節點供電4個部分組成，其硬件結構如圖2所示。

2.1.1 無線模塊 ZigBee是基于IEEE 802.15.4通信協議的局域無線網絡通信技術，功耗和成本較低，數據傳輸速率為0～250 kB/s。CC2530F256芯片是TI公司基于2.4 G無線局域網絡收發的ZigBee產品。CC2530F256芯片完全兼容IEEE 802.15.4無線通信協議，內置IR發生電路，有超低功耗的特點，內置增強型MCS-8051內核[5]。選用CC2530F256作為ZigBee網絡節點的核心處理器，可以提高系統的可靠性并降低節點功耗。

2.1.2 體溫采集模塊 非接觸式測溫通過監測物體表面發射的能量測定物體溫度。與奶牛傳統直腸測溫相比，紅外非接觸式測溫技術具有速度快、測溫范圍寬、不受時間限制等優勢[6-7]。采用MLX90614ESF非接觸式溫度傳感器來采集奶牛體溫，不需要直接接觸奶牛，通過該溫度傳感器可以得到與奶牛體溫正相關的電壓信號，經過量程轉換，得到實際溫度值。對外兼容兩線制SMBus數字接口和客戶自行定制的10位PWM數據連續讀取接口。因為CC2530不支持硬件SMBus總線，所以采用CC2530的P1_0和P1_2普通I/O口通過軟件模擬SMBus總線協議，實現ZigBee讀取溫度傳感器采集的溫度值。溫度傳感器與ZigBee接線如圖3所示。

2.1.3 運動量采集模塊 ADXL345三軸加速度計傳感器內置測量范圍高達±16g的高精度運動傳感器、數字濾波器、分辨率高達13 bit的ADC模塊、32位FIFO等片上資源。ADXL345三軸加速度計采用SPI總線或者I2C總線接口與外界設備通信，以16位二進制補碼的格式輸出數據[8]。在DATA_FORMAT寄存器(地址0x31)中配置選用I2C總線或SPI總線。ADXL345三軸加速度計采用I2C總線與CC2530芯片通信，ADXL345三軸加速度計的CS引腳拉高至供電電壓，ADXL345處于I2C通信模式，使用采集節點CC2530的 P0_0、P0_2模擬I2C總線讀取加速度數據。加速度計與ZigBee接線如圖4所示。

2.1.4 采集節點電源 采集節點模塊安裝在奶牛身上來獲取奶牛的體溫和運動量，選用容量大、體積小、安全性好、輸出電壓穩定的3.7 V/300 mAh鋰電池對采集節點供電。同時因為ZigBee、MLX90614ESF紅外溫度傳感器和ADXL345三軸加速度計等高速數字器件，需要穩定的3.3 V直流電源供電，所以采用壓差低、線性度好、輸出電流大的MIC5219-3.3線性穩壓芯片。將電池輸出電壓穩定到3.3 V為采集節點供電，如圖5所示。

2.2 發情數據接收終端硬件

奶牛發情體征數據的接收終端由協調器和STM32單片機組成，通過協調器控制每個采集節點啟動和數據發送。協調器還作為數據的接收端，接收各節點的無線信號，通過識別設備地址分辨每頭牛的信息。最后協調器通過串口把數據傳輸到STM32單片機中，單片機接收到的數據分別是奶牛體溫、運動量，對數據進行初步處理，并通過RS-485總線將奶牛發情體征參數上傳至上位機。接收終端主要由發情體征數據協調器無線接收、STM32數據處理、RS-485傳輸總線以及終端電源這4個部分組成。

2.2.1 STM32控制器 STM32是由ST公司研制的基于ARM的Contex-M3內核的32 bit微控制器，采用主流的馮·諾依曼硬件結構，有豐富的片上資源[9]。采用STM32F1系列單片機中的STM32F103RCT6型號作為協調器接收數據的控制處理核心。

2.2.2 RS-485現場總線 奶牛養殖區距離監測室較遠，采用TTL電平或RS-232通信，極易造成數據丟失、通信失敗、鏈接中斷等問題，所以采用MAX3485芯片將STM32單片機UART1發送的TTL信號數據轉為負邏輯電平的485信號數據，可以實現1 200 m的遠距離數據傳送[10]。RS-485電平轉換電路如圖6所示。

2.2.3 數據接收終端電源 由于多個采集節點向協調器發送數據的時間是隨機的，使協調器需要時刻保持等待接收數據的狀態。另外，協調器是固定在奶牛養殖棚頂的非移動式設備，所以協調器可以選用市電供電。采用輸出DC5V/1 A的開關電源作為主電源。同時因為STM32、ZigBee、MAX485芯片需要穩定的3.3 V直流電源，所以采用MIC5219-3.3低壓差線性穩壓芯片將開關電源輸出的帶有開關頻率的5 V不穩定電壓，轉換為3.3 V穩定線性電壓為協調器供電。

3 系統軟件設計

3.1 下位機采集系統軟件設計

下位機采集系統軟件主要由發情體征采集節點程序和協調器程序組成。采集節點用CC2530控制MLX9014ESF非接觸式紅外溫度傳感器和ADXL345三軸加速度計。通過初始化傳感器配置傳感器的基本模式，進行操作系統初始化和任務登記，測量溫度為任務1，測量運動量為任務2，無線發送溫度值、計步數據和奶牛編號為任務3，然后進行任務輪詢，當有任務觸發任務中斷時，處理任務，同時無線發送任務為最優先級任務，計步任務優先級次之，溫度采集任務優先級最低[11-12]。體征采集節點程序流程如圖7所示。

協調器模塊采用CC2530接收奶牛體溫和運動量數據，通過CC2530初始化任務并做任務登記，然后輪詢任務，有任務觸發中斷時，判斷發送方式為點播、組播或廣播方式發送，接收數據。通過串口發送給STM32單片機初步濾波處理，STM32單片機初始化串口UART0、UART1，等待UART0接收中斷，當有中斷觸發時，接收并進行校驗數據，校驗通過保存數據，再通過五點滑動濾波算法對數據初步濾波，通過UART1和外接的RS-485現場總線發送給上位PC機。

3.2 上位機發情體征監測軟件設計

上位機采用的方案是用C#語言在Visual Studio 2013軟件的編程環境中開發奶牛發情監測系統。上位機通過RS-485 轉USB接口與采集終端的STM32F103單片機連接并進行通信。把奶牛體溫和運動量數據顯示到實時曲線上的同時，還要把采集到的數據保存到文本文檔，以便查看數據的歷史記錄。系統不僅可以在上位機上監測發情體征數據，還可以通過HTTP協議中的POST方法把數據上傳到Yeelink云服務器平臺，并可在手機客戶端和網頁上進行實時監測[13]。上位機程序流程如圖8所示。

4 系統測試

為了測試奶牛發情體征監測系統，2017年5月在河南省南陽市某奶牛場進行了設備采集試驗。選擇編號為1的奶牛進行測試，其體溫和步數的監測歷史曲線如圖9所示。

PC端監測平臺還可以通過HTTP協議把奶牛發情體征數據上傳到Yeelink云端，PC客戶端會給出回應，識別客戶端狀態碼，判斷是否上傳成功，若文本框狀態如圖10所示，則上傳數據成功。

通過移動平臺和PC機接入Yeelink云端監測的奶牛體征步數曲線如圖11所示。

5 結論

本研究提出并設計了基于物聯網和云端的奶牛發情體征監測系統，該監測系統支持無線網絡傳輸和云端平臺遠程實時監測，簡單實用，是奶牛養殖戶監測奶牛發情狀態快捷有效的方法；設計了非接觸式、低功耗的奶牛發情體征監測模塊，實現了奶牛體溫和步數的無線傳輸；開發了奶牛發情體征監測系統，實現了發情體征移動平臺實時遠程監測、查詢以及云端數據上傳。在本研究基礎上，后續可以在發情體征數據獲取之后加入決策系統，以便奶牛飼養人員全面掌控奶牛的發情狀況，實現智能化的奶牛發情監控。