曾立华1，冯 娟1，高 昉2，赵秋霞1
（1．河北农业大学机电工程学院，河北 保定 071001；2．保定广播电视大学，河北 保定 071051）
摘要：发情鉴定是奶牛生产的关键环节，针对国内发情鉴定方法和研发设备自身的不足，设计了一种基于无线传感技术的奶牛行为信息智能监测系统，对其系统结构、功能及相对优势进行了介绍。结果表明，该系统不仅可以准确判断奶牛发情期，经适当改进后还可以实现对更多动物的体征进行监测。
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关键词 ：奶牛；发情；无线传感；智能监测
中图分类号：TP273＋．5 文献标识码：A 文章编号：0439－8114（2015）06－1499-03
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.06.056
Intelligent Monitoring System of Cow Behavior Information
ZENG Li－hua1， FENG Juan1， GAO Fang2， ZHAO Qiu－xia1
（1． College of Mechanical and Electrical Engineering， Agricultural University of Hebei， Baoding 071001， Hebei， China；
2． Baoding Radio ＆ Television University， Baoding 071051， Hebei， China）
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
收稿日期：2014－12－09
基金项目：国家自然科学基金项目（31371532）；河北省科技厅资助项目（12220405D）；河北省保定市科学研究与发展计划项目（12ZG012）
作者简介：曾立华（1981－），男，河北平乡人，讲师，主要从事农业信息化与智能检测方面的研究，（电话）0312－7526473（电子信箱）
yurenmatou1011@163．com。
产奶量充足可使养殖奶牛获得最大的经济效益，而发情鉴定是奶牛生产的关键环节［1－4］。目前我国绝大多数养殖场仍以人工观察、经验判断的方式进行奶牛发情识别，但其不仅费时费力，还易发生误判与漏检情况。一些大型养殖企业引入部分国外先进的监测技术，但受其管理模式落后、技术改进困难、售后服务价格高昂等因素影响，不适合在中小型奶牛养殖企业中普及。近几年，研究者围绕奶牛发情期监测方法进行研究，但研发的监测器普遍存在功耗高、重量偏大等不足［5－9］。因此，本研究综合计算机、通信、测控等技术，设计了奶牛行为智能监测系统，可准确采集、记录、显示和分析现场奶牛个体的身体物理参数，为后期及时、准确判断奶牛的发情期等提供科学依据。
1 系统设计方案
发情期的奶牛常表现为运动步数增加、体温上升等［3，6］，结合相关参数的日常变化规律可提高奶牛发情判断的准确性。此外，系统的应用环境为养殖场，使用对象是奶牛，因此在设计中考虑到以下几点：①采用无线传感技术，解决养殖场不易布线问题，并且不干扰奶牛正常生活；②选用微处理器内核与射频收发器紧密集成的芯片，建立了周期性睡眠与唤醒循环机制，用于解决以往系统功耗高及重量大等不足；③融合体温采集模块与活动量监测模块获取的信息，实现奶牛活动状态的准确判断。
整体系统主要由监测仪（下位机）、数据集中器和PC服务器（上位机）组成（图1）。其中，监测仪负责奶牛个体的识别和个体数据的采集与存储，通过无线射频方式与数据集中器实现通信；数据集中器通过RS232/USB串口与后台服务器连接，整个系统采用主从多机通信方式；用户通过PC服务平台的简单操作实现对奶牛个体信息的查询、浏览和分析。
2 智能监测系统功能的实现
2．1 监测仪的组成
监测仪采用模块化设计，主要由微控制器、活动状态采集模块、体温采集模块、电池低电量监测模块和电源模块组成。监测仪原理组成框图如图2所示，实际电路板如图3所示。
2．1．1 微控制器 选用TI（美国德州仪器公司）公司生产的CC430F5135型芯片作为控制核心，其集成了微处理器内核、外设、软件和射频收发器紧密，大大简化了系统的设计，可使用1 GHz以下频段，具有高灵敏度、低电流消耗、高传输速率、功耗超低等特性。其外围电路如图4所示，充分利用了I/O接口，使用MOSFET控制方案定时检测电池电压，有效地降低了损耗，提高了可靠性。
2．1．2 体温采集模块 选用一线式数字输出温度传感器DS18B20（美国Dallas公司）［10］，其管芯内集成了温敏元件、数据转换芯片、存储器芯片和计算机接口芯片等多功能模块，可直接输出二进制温敏信号。该传感器与微控制器仅需要一条总线连接，采用外部电源供电模式简化了软件操作，提高了供电的驱动能力。
微控制器经单线接口访问DS18B20的工作流程为：对DS18B20进行初始化，发出ROM操作指令，存储器（包括RAM和E2RAM）操作指令、处理数据。主CPU对ROM操作完毕，即发出控制指令，使DS18B20完成温度测量，并将结果存入高速暂存器中，最后读取结果。
2．1．3 活动状态采集模块 将奶牛运动的加速度作为判断其活动状态的依据。选用飞思卡尔半导体生产的MMA7660FC，它是一个三轴数字输出I2C的加速度计，功耗超低。通过配置相应的寄存器可使其工作于3种不同模式：方向检测、振动检测和敲击检测。该系统选用敲击检测模式进行大动作检测，并通过连续两次判断动作是否超过设定阈值，减少误判，提高可靠性。为了估计奶牛位姿，增加了方向检测、记录身体方位的功能；为了降低工作能耗，使用了自动唤醒/自动睡眠模式。
2．1．4 电源模块 为了提高微控制器、温度传感器、三轴加速度计的工作稳定性，选用了TI公司生产的低压差线性稳压器TPS79333，具有超低噪声、快启动、高稳定等特点，外部连接只需3个电容。
2．2 数据集中器的设计
采用与监测仪的微控制器功能基本相同的CC430F5137芯片，因其具有8 kb的flash存储容量，便于存储更多数据。集中器与上位机之间采用异步串行通信方式，通过SIPEX公司生产的SP3220芯片进行电平转换，有效地降低了系统功耗。串口的有线通信均采用中断机制实现，便于多任务处理。
2．3 无线通信功能的实现
监测仪采集的数据通过无线通信方式汇聚到集中器，信息收发模块采用了CC430内部集成的CC1101，其优势在于使系统的外围元件更少、节点体积进一步减小、工作于免费频段、调制格式与当前的射频终端相兼容等。
为了使系统具有更高的发射功率和接收灵敏度，参数符合要求的天线是必不可少的。目前433 MHz频段的天线主要有PCB天线、芯片天线和鞭状天线3种。综合考虑多方面因素，在集中器上使用鞭状天线，以增强通信性能；在监测仪上采用PCB天线，以降低成本及重量。经过实际测试，可靠通信距离达150 m，满足系统设计要求。
针对中小型奶牛场，采用了由单一集中器和多个监测仪布设的星型网络结构。各监测仪的程序写法完全相同，通过Wake－on－radio唤醒模式以监视集中器发来的指令，当收到集中器发送的同步信号时，立刻产生一个与本身ID号相关联的延时函数，然后将数据传输出去。此时，集中器处于接收状态，会自动扫描空气中的信号，并间隔一定时间后进行一次同步信号的发送。一旦发现有符合协议的数据包，就会进行自动的接收，从而实现一点（集中器）对多点（监测仪）的可靠无线数据通信。为了防止数据在传输中因相互碰撞产生数据包丢失或混乱现象，设计中采用了时分复用（TDMA）技术。
2．4 服务平台功能
服务平台主要由数据录入、奶牛信息查询、数据显示、奶牛发情分析和报表打印等模块构成。其中，数据录入模块主要是将奶牛场生产中相关的数据保存到数据库中，记录包括：奶牛的出生日期、性别、体型、体况、发情、配种、胎次等情况；奶牛信息查询模块包括个体资料和产奶量两类，可通过单一限定条件查询模块，也可通过多条件复合查询；数据显示模块用以实时显示接收到的奶牛体温及活动量参数数据；奶牛发情分析模块通过设定的阈值结合接收的数据，综合多种因素分析，做出是否发情的判断；报表打印模块为用户提供各类历史数据的输出。
3 小结
本研究设计了一种基于无线传感技术的奶牛行为信息智能监测系统。发情监测仪选用功耗低和性能先进的传感器，有效记录并保存了奶牛的体温和活动量；采用微处理器内核与射频收发器集成的芯片，通信过程采用周期唤醒/睡眠循环模式，进一步降低了总体能耗；设计出合理的天线，保证了可靠通信距离的同时，大大降低了成本和重量。该系统中采用了三轴加速度计，可对奶牛位姿进行实时检测，进而判断奶牛的舒适度。整体系统经适当改进，也可应用于人体的活动监测和跌倒报警等。
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