基于無線傳感器網絡的奶牛行為與養殖環境監測的研究

張淋江,崔先雨

（河南牧業經濟學院，河南鄭州,450011）

基于無線傳感器網絡的奶牛行為與養殖環境監測的研究

張淋江,崔先雨

（河南牧業經濟學院，河南鄭州,450011）

本文提出了奶牛養殖企業無線傳感器網絡的多參數實時奶牛行為與養殖環境監測系統的實現方案。無線傳感器安裝在個體奶牛的頸部，獲取奶牛的體溫、呼吸頻率、運動加速度等參數，同時在奶牛場安裝監測養殖環境的傳感器，采集溫濕度、光照度、CO2濃度等環境信息，監控養殖場環境；無線傳感器網絡以CC2530微處理芯片為核心，傳感器采集到的數據經路由匯總至協調器，通過GPRS模塊及時遠傳至監控中心，以此建立的動物行為監測系統能準確區分奶牛靜止、慢走、爬跨等行為特征，從而可以長時間監測奶牛場的環境狀況和個體奶牛的健康狀態；依據奶牛行為指標系統數據，分析個體奶牛的健康狀況，從而制定相應的飼養措施和管理對策。

WSN；奶牛行為；養殖環境；ZigBee

0 引言

隨著互聯網技術的飛速發展，無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Networks)成為國內外關注的熱點。近年來,無線傳感器網絡設備由于體積小方便安裝，還有低功耗、低成本、監測范圍廣等特點，被廣泛應用于現代農業的環境信息檢測。中國奶牛業已進入快速發展時期，奶企越來越重視利用信息化手段管理企業。探討如何利用互聯網技術建立有效的監測機制，提早預防奶牛頻頻發生各種疾病，是奶企非常關注的問題。應用無線傳感器網絡建立奶牛行為特征和環境信息的實時監測系統，有助于預防控制、發現和正確診治奶牛疾病，及時準確發現問題奶牛，同時也保證了產奶量的穩定提高，促進奶業健康發展。

1 奶牛行為分析

1.1 奶牛正常和異常行為

奶牛按照遺傳基因所決定的本能和后天學習所獲得的記憶與經驗，能分析各種感覺器官收集來的信息，作出不同的反應與行為應答。健康的奶牛時常低頭站立、反應靈敏、神態自然。如果奶牛精神不振，表現為垂耳低頭，眼睛半閉，行動遲緩，有時站立時鼻鏡抵到其它物體，或以鼻觸地，對事物的反應非常遲頓，這很有可能生病了，這就需要采取相應的疾病預防和治療措施。

1.2 奶牛行為評價指標

依據國家個體奶牛評價標準，依托河南省奶牛生產性能（DHI）測定中心的河南省奶牛綜合管理平臺，在示范基地河南省鼎元種牛育種有限公司建立個體奶牛行為健康評價體系，依據個體奶牛的各項評價指標，系統分析奶牛個體的行為健康狀況，從而制定相應的管理對策，為今后河南省奶牛生產管理信息服務平臺建設打好基礎。

2 無線傳感器網絡監測技術

在物聯網的大環境下，奶牛養殖企業以信息化手段管理企業，是順應信息化時代的要求。本研究是基于無線傳感器網絡，采用ZigBee技術、GPRS、視頻監控等技術，實現遠程奶牛行為與環境信息監測。

2.1 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡主要包含有節點、網關和軟件。在無線傳感器網絡中，測量節點與傳感器連接，路由器就是一種測量節點，它能延長無線傳感器網絡的傳輸距離，并能增加可靠性。數目巨大的傳感器節點通過隨機或固定布撒的方式，布置在給定的監測區域，每個節點收集監測目標區域的信息，采集到的數據通過多跳的方式傳送到網關節點，稱為匯聚節點（sink節點）。匯聚節點將收集到的數據直接或通過互聯網和衛星上報給任務管理者。使用軟件平臺對數據進行采集、加工、分析和顯示。無線傳感器網絡示意圖如圖1所示。

2.2 ZigBee

本研究所采用的ZigBee技術是一種成本低、功耗低、速率低的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低、傳輸速率要求不高的各種電子設備之間進行數據傳輸，以及典型的周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用，可工作在2.14GHz（最高250kbit/s）、868MHz（最高20kbit/s）和915MHz（最高40kbit/s）3個頻段上,它的傳輸距離在10m至75m的范圍內。具有ZigBee功能的設備能非常容易的在一個小范圍內組成臨時專用網絡，方便地建立一種標準的無線連接，取代有線電纜進行數據傳輸。

2.3 傳感器

傳感器能將感受到被測量的信息，按一定規律轉換成為電信號或輸出其他所需形式的信息，以滿足信息的傳輸、處理、存儲等要求。傳感器是實現自動檢測和自動控制的首要環節，它的特點包括：微型化、智能化、多功能化、網絡化。傳感器讓物體有了生機，有了人類一樣的觸覺、味覺、嗅覺等感應器官。本項目使用生物傳感器監測奶牛的運動加速度、體溫、呼吸頻率等參數；使用環境監測傳感器采集溫濕度、光照度、CO2濃度等環境信息，監控養殖場環境，確保奶牛個體的健康。

2.4 B/S和移動終端

B/S(瀏覽器/服務器)是客戶端由瀏覽器接收，服務器端由WEB服務器發放的系統架構。奶牛行為監測系統采用B/S架構模式, 簡化了系統開發的流程，管理者可以隨時隨地在系統平臺監測奶牛行為和養殖環境信息，使用和維護非常方便快捷。

2.5 GPRS

GPRS（General Packet Radio Service），是一項基于GSM系統高速數據處理的無線分組交換技術，以"分組"的形式傳送資料到使用者，提供端到端與廣域的無線IP連接。本研究通過GPRS網絡實現了監測數據的遠程網絡監控。

2.6 視頻監控

圖1 無線傳感器網絡示意圖

在奶牛養殖牧場，實現對奶牛行為全過程視頻監控，能夠及時發現問題奶牛，在節約人力成本、提升安全管理水平方面起到明顯作用。項目采納了深圳福斯康姆智能科技有限公司的視頻監控方案，在養殖場安裝無線網絡視像頭，通過WIFI連接互聯網，基于百度云平臺實現了奶牛行為的視頻管理監控。同時，視頻監控實現了手機APP的在線瀏覽，管理者可以通過手機實現養殖場各種場景的實時視頻監控。

3 無線傳感器網絡監測系統設計

3.1 系統結構

奶牛行為與養殖環境監測系統總體結構如圖2所示。無線傳感器網絡節點收集奶牛個體和環境信息，通過單跳、多跳傳送到簇頭節點后，簇頭節點依據有線網絡將數據轉發至Sink網關，Sink網關通過GPRS網絡，再將數據傳送到監測中心，監測中心對數據分析建模后，判定當前奶牛的健康狀態，發生異常情況時，同時發送數據到監測中心和飼養員的移動終端上（筆記本、平板電腦、智能手機等）。

圖2 奶牛行為與養殖環境監測系統總體結構

3.2 個體節點

奶牛的疾病和發情狀況目前主要依據飼養員的經驗，進行目測判斷，人工觀測方法，費時費力，判斷精確度不高，容易誤判。為了能自動準確地判斷奶牛健康狀況，傳感器個體節點安裝在奶牛的頸部，傳感器個體節點模塊將采集到的初始數據進行處理，提煉出奶牛的呼吸頻率、體溫和運動步速信息，再通過發送模塊將數據傳送到監控中心進行處理。以此建立的動物行為監測系統能準確區分奶牛靜止、慢走與爬跨等行為特征，長時間監測奶牛的健康狀態。而且，這種監測系統易于推廣到對其它動物的行為監測，具有行業示范效用。

3.3 環境節點

傳感器環境節點負責對環境信息(溫濕度、光照度、CO2濃度、NH3濃度、H2S濃度)的采集、處理和發送。路由器與若干個傳感器節點構成子網，依據ZigBee協議進采集各個傳感器節點發送來的數據，各個子網監測采集到的數據傳送到監管中心；監管中心負責對從無線網絡送來的信息進行顯示和存儲，并能進行環境參數閾值的設定；接收值與閾值比較后，發送指令去控制環境調節設備。

3.4 系統硬件電路設計

無線傳感器網絡的傳感器節點采用溫濕度、體溫等傳感器實時采集牧場環境參數和奶牛個體信息，并利用路由節點發送至協調器節點，通過GPRS模塊接入Internet網絡，整個系統無線化，實現數據的遠程監測。通信模塊以CC2430為核心，采用ZigBbe通信協議進行無線傳感器網絡管理。從整個流程可以看出，傳感器節點與協調器節點設計是硬件電路設計的重點。

傳感器節點硬件結構如圖3所示。數據采集模塊對奶牛的個體行為信息、舍內監測區域環境信息的采集，采用TI公司的CC2530微處理器進行接受和處理數據，射頻前端采用CC2591，進行功率與低噪聲的放大，CC2530和CC2591負責接收、處理和發送采集模塊送來的數據。電源系統模塊負責為該節點系統供電。由于用到多種類型傳感器，所需電壓不盡相同，電源系統需提供多種電壓值。系統采用鋰電池組供電，由8.4V鋰電池組經過穩壓后輸出5V電壓，一方面為部分傳感器供電，另一方面轉為3.3V為系統其他部分供電。JTAG接口負責通信調試。

圖3 傳感器節點硬件結構圖

協調器節點硬件選用TI公司CC2530和高性價比、高集成度的2.4GHZ射頻前端CC2591芯片，以保證網絡傳輸質量，擴大網路覆蓋面積。CC2530芯片整合了2.4GHZIEEE802.15.4/ ZigBee R F收發機以及工業標準的增強型8051MCU，具有超低功耗、高靈敏度、抗噪聲及抗干擾能力。CC2591內置有低噪聲放大器、功率放大器，輸出功率大，傳輸距離遠(無障礙可傳輸500～800m)，能較好滿足規模化奶牛場網絡傳輸的要求。CC2530芯片與CC2591射頻前端的連接如圖4所示。電源系統采用鋰電池供電，由單節經TPS63011電壓轉換芯片轉為3.3V穩定電壓給該節點供電。

3.5 數據采集傳感器

奶牛的個體行為與養殖環境監測需要用到生物傳感器與環境監測傳感器。

生物傳感器包括體溫傳感器、血壓傳感器、腦電波傳感器、心電傳感器等，這些傳感器主要實現的功能包括健康和醫療監控、娛樂等。國內的此類傳感器公司有神念科技、敏芯微電子、芯敏微系統、納芯微電子等。借助這些傳感器，可以實現健康預警、病情監控等。本項目選用集成蘇州納芯微高精度、高頻響傳感器信號調理芯片NSA5311的生物傳感器，在個體奶牛頸部安裝無線傳感器節點，通過頸部各種生物傳感器獲取奶牛的運動加速度、體溫、呼吸頻率等數據。

環境傳感器包括溫濕度傳感器、pH傳感器、氣體傳感器、氣壓傳感器、環境光傳感器、粉塵傳感器等，這傳感器主要實現環境監測、健康提醒、天氣預報等功能。國內傳感器公司有康森斯克電子、煒盛電子、敏芯微電子、芯奧微傳感、艾譜科微電子、芯晨科技等。本項目選用鄭州煒盛電子公司的環境傳感器系列產品，采集溫濕度（HM2302）、CO2濃度（MH-711A）、氨氣傳感器（MQ137）等環境信息，監控奶牛養殖場環境，及時發現問題奶牛，確保奶牛個體的健康。

3.6 工作流程

系統上電，首先進行初始化；初始化一旦完成，數據采集模塊開始有條不紊地采集數據；數據經ZigBee無線網絡發送給監管中心，監管中心對所接收數據進行顯示和儲存煒盛同時與設定的閾值進行比較，發出指令對環境調節設備實施控制。

數據采集模塊的初始化主要完成所有傳感器的程序驅動的安裝，由中斷程序設定各傳感器采集信息的時間，讓所有傳感器有序采集數據，便于CC2530微處理器接收和處理。監管中心的初始化主要進行數據庫的啟動。數據庫中預設有所監測環境參數的閾值，便于系統進入工作狀態后將所接收數據與閾值比較；數據庫中還存放有歷史數據，便于后續對數據的分析。ZigBee網路采用ZigBee2007協議棧，通過網絡層函數NLME_ NetworkFormation R equest()建立，由協調器與其所有子節點的“綁定”來實現。ZigBee網路初始化由TI公司提供的ZStack完成。監管中心PC機編寫上位機軟件，對從ZigBee網路獲取的信息進行分析處理，并實時顯示。同時，將相應信息存入數據庫中以便后續利用，并能通過設定的安全閾值，發出控制指令。

4 結語

基于ZigBee技術，設計以由CC2530微處理器芯片和CC2591射頻前端組建的無線傳感器網絡硬件電路，構建由協調器、路由器、傳感器節點等組成的無線傳感器網絡系統。無線傳感器網絡的傳感器節點獲取體溫、呼吸頻率、運動加速度、溫濕度、光照度、CO2濃度等傳感器實時采集牧場和奶牛個體行為和環境參數信息，并利用路由節點發送至協調器節點，通過GPRS模塊接入Internet網絡，采用ZigBee通信協議進行無線傳感器網絡管理，實現數據的遠程監測。整個系統實現了規模化奶牛養殖場奶牛個體與舍內環境多種參數無線自動監測，實時獲取奶牛行為和養殖環境信息，及時發現問題奶牛并采取進一步的管理措施，為奶牛健康生長和牛奶的品質提供了保障。

圖4 CC2530芯片與CC2591射頻前端的連接電路圖

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（通訊作者）：張淋江.1975年11月，性別：男， 民族：漢.籍貫：河南南陽.學歷： 碩士 職稱：工程師，河南牧業經濟學院，研究方向：無線傳感器網絡

崔先雨.1974年5月，性別：男， 民族：漢.籍貫：河南駐馬店.學歷：本科 職稱：實驗師，河南牧業經濟學院， 研究方向：計算機網絡應用

圖2 備份軟件管理界面

4 結論

隨著互聯網技術的長足發展和智能手機的不斷強大，人們手機上的存儲空間顯得越來越不夠用，同時手機、平板電腦和PC之間的協同工作的發展，人們越來越需要快速安全的云存儲服務。但是目前哪怕是蘋果這樣的大公司最近都爆出了iCloud好萊塢女星艷照事件，更別說別的互聯網公司的云服務了。這說明把自己的數據放在這些云服務里不是絕對安全的。組建私有云存儲系統，創建自己的個人云，將會越來越受人們歡迎和重視。

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Study on cow behavior and breeding environment monitoring based on Wireless Sensor Network

Zhang Linjiang,Cui Xianyu
（Henan University of Animal Husbandry and Economy，Zhengzhou,450011，China）

This paper presents the implementation scheme of Multi Parameters Real-time cow behavior and breeding environment monitoring system of the wireless sensor network of cow breeding enterprise.Wireless sensors installed in the individual cow's neck,body temperature,respiratory frequency,acceleration and other parameters for cows,while dairy farming environment monitoring sensor installation,collecting temperature and humidity,light intensity,CO2 concentration of environment information,environment monitoring farms; wireless sensor network based on CC2530 microprocessor chip as the core,sensor the data collected by the route to the coordinator through the GPRS module,timely sent to the monitoring center, in order to establish the animal behavior monitoring system can accurately distinguish the cows,walking, climbing across the stationary behavior characteristics,which can be a long time monitoring environmental conditions and individual dairy cow health status;on the basis of cow behavior index system individual data,analysis of the health status of dairy cows,in order to develop breeding measures and corresponding countermeasures.

WSN;cow behavior;breeding environment;ZigBee

河南省重大科技專項，畜禽生產過程信息化關鍵技術集成與應用，課題編號[121100111000]