基于物聯網技術的生豬存亡遠程監測系統設計與驗證

陳桂鵬，秦文婧，丁建，萬明春，郭雷風，王文生

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基于物聯網技術的生豬存亡遠程監測系統設計與驗證

陳桂鵬1,2，秦文婧3，丁建2，萬明春4，郭雷風1，王文生1

（1中國農業科學院農業信息研究所，北京 100081；2江西省農業科學院農業經濟與信息研究所，南昌 330200；3江西省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所，南昌 330200；4江西省農業科學院畜牧獸醫研究所, 南昌 330200）

【目的】當前政府對生豬的監管停留在標簽式耳標的被動監管上，但由于監管滯后經常出現死豬被丟棄的惡性事件發生，為了解決監管部門對生豬存亡狀態遠程監管難的問題，同時便于養殖企業監測生豬的心率，對異常心率的生豬及時采取有效措施。筆者設計一種集生豬心率采集及生豬存亡判斷的遠程監測系統?！痉椒ā肯到y采用無線傳感網的數據傳輸架構模式，由智能耳標、路由節點、網關、遠程服務器、豬場監測中心、政府監管部門監測中心組成。智能耳標采集數據通過無線ZigBee網絡經路由節點，由網關中的GPRS模塊將數據經由Internet轉發至遠程服務器中，軟件系統自動對數據異常生豬報警。參考人用穿戴式心率監測的設計，采用光電心率測量法，使用LED及光感應器，結合濾波電路、放大電路設計了心率傳感器。同時為確定LED的發光波長及光感應器的感應波長，通過采集不同體重杜長大豬耳處血液樣本，運用郎伯比爾定律，利用分光光度計研究生豬血液中(HbO2)與脫氧血紅蛋白(Hb)對光譜吸光度規律，從光電心率測量法的原理出發，分析心率傳感器在運動狀態下測量不精確的原因。此外結合生豬的睡眠習性利用姿態傳感器MPU6050中的DMP（Digital Motion Processor）獲取穩定的姿態數據，并識別心率傳感器采集的不準確的數據。最后采用具有ZigBee協議的CC2530通過自帶的ADC轉換器、I/O模擬IIC通信協議實現心率傳感器、MPU6050的數據讀取，并通過ZigBee網絡進行數據傳輸，用其PM2（睡眠）模式降低功耗，制成集心率與姿態的監測為一體的耳標佩戴在豬耳上?！窘Y果】研究表明從HbO2與Hb對光譜吸光度規律觀測，同時考慮到電子元件的成本、通用率，對生豬生活影響等因素，560 nm光用于生豬光電式心率測量效果明顯。生豬心率傳感器采用該波長光對生豬心率測量與傳統人工測量方法對比，心率誤差為0.9%，由于生豬臥睡時間占75%以上并且基本只在進食前后活動，因此心率傳感器可較長時間對生豬進行監測，尤其是利用MPU6050監測運動情況，故該系統可實現對生豬靜態下進行心率監測、動態下進行姿態監測，當在靜態下無心率數據則代表生豬死亡?！窘Y論】由于該耳標質量輕、體積小、功耗低、測量準確，可以較為便利地實現在靜態下對生豬進行心率監測和動態下的姿態監測，即實現了生豬存亡狀態監測的同時，也實現了對生豬心率的長期監測。改變了傳統RFID耳標的被動監測模式，對改善生豬的福利水平及提高政府的監管能力具有重要意義。

生豬心率；姿態；生豬習性；CC2530；智能耳標

0 引言

【研究意義】目前中國生豬養殖業產值占畜牧業總產值的比重達47%[1]，生豬供應量逐年增加，死亡數量也在增長，如何有效對生豬進行監管，從而防止因亂丟死豬引發大規模流行病或病死豬肉流入市場的現象發生，是當前監管部門面臨的一個難題。上海松江死豬事件引發了全國對死豬監管的廣泛關注。盡管監管部門通過耳標實現溯源，但此次事件上海出動打撈船只累計400余艘，共打撈死豬10 395具[2]。死豬佩戴的RFID或二維碼耳標[3-4]只能事后被動監測，無法在生豬死亡時采取有效措施，導致事后政府耗費大量人力物力，影響惡劣。心率是生豬體征的重要參數之一，因此本文設計的以心率監測為主的遠程監測生豬的存亡系統將是監管部門直接有效的管理方式。企業通過觀察生豬心率可對異常生豬進行治療，防止病情傳播，減小損失，達到政府企業雙贏的效果。【前人研究進展】而目前在中國，動物生理體征監測處于初期應用階段。動物心率測量方法主要有兩種:即植入式無線遙測法和動脈介入法[5-8]。植入式是將植入體埋入動物皮下，由植入體監測心率信號并發送至附近的接收器接收。陳衛紅[9]和王云光[10]等在植入式動物監測的研究中，因需植入電池或采用RF供電，只能進行短期或長期的超短距離數據讀取，只適合在實驗室中對動物心率監測。雖準確性較高，但價格昂貴。美國的VitalView植入式生理信號無線遙測系統售價在18萬人民幣左右，但是監測數量少。動脈介入法是在顯微鏡下將無菌的聚丙烯酞胺導管插入動脈直接測心率。由于手術刺激對動物影響大，成功率低，測量后動物往往死亡，不具有可重復性。吳艷茹等[11]采用MB-6型壓電式鼠尾脈搏波傳感器在無創傷狀態下拾取鼠尾脈搏波信號，然而將其置于尾部時易被甩出。因為壓電式體積和干擾都較大，故目前人用穿戴式心率設備均不用壓電式。ESSNER等[12]利用心率測量儀RS800CX研究成年狗站立與跑動的心率規律，取得較好的效果，但其售價為500美元，不宜在生豬心率監測中得到普及。【本研究切入點】當前由于政府對生豬的監管停留在標簽式耳標的被動監管上，監管滯后。而且國內對大范圍生豬的心率監測還處于起步階段，同時動物心率測量儀器主要適用于實驗室，在供電、數據傳輸距離、價格等方面都制約其不能用于大范圍生豬的心率數據采集。人用穿戴式心率設備發展迅速，本文在其基礎上，基于ZigBee組網技術，對生豬心率監測系統性研究，設計成智能耳標，以實現遠程監測生豬存亡的狀態。【擬解決的關鍵問題】通過研究豬HbO2與Hb對光譜的吸收規律，尋找一種兩者吸收差異明顯的光作為光電生豬心率監測的光源，以便于實現生豬心率的測量，通過研究生豬生長習性，識別動態下生豬光電心率測量不精確的數據，降低智能耳標的功耗，使生豬在出欄前無需更換電池。

1 系統設計

1.1 系統總體結構設計

系統主要由智能耳標、路由節點、網關、遠程服務器、豬場監測中心、政府監管部門監測中心組成。其結構如圖1所示。

圖1 生豬存亡狀態遠程監測系統結構圖

智能耳標佩戴于生豬耳部，對生豬心率及姿態進行監測，采集數據后通過路由器向無線網關轉發數據，無線網關通過GPRS網絡接入Internet，向遠程服務器發送數據，服務器將接收到的數據分類存儲于數據庫中，政府監管部門實時監測數據庫中的信息，一旦出現生豬死亡的代表數據，系統立即啟動報警程序。養殖戶同時也可以實時查詢數據庫中自己豬場的信息，當心率出現異常，立即啟動報警程序。

1.2 智能耳標硬件設計

采用TI公司的低功耗CC2530[13]作為數據采集與無線通信芯片，集成生豬心率傳感器和姿態傳感器MPU6050[14-16]。采用3.6V鋰亞電池供電[17]。通過低壓差線性穩壓器（LDO）降到3.3V為生豬心率與姿態傳感器提供穩定電源，LDO的使能端EN由CC2530的一個I/O控制，以便在無需數據采集時關閉傳感器供電。智能耳標電路結構及實物如圖2、3所示。

圖2 智能耳標電路結構圖

圖3 智能耳標實物圖

人用心率監測技術已非常成熟，主要的心率測量方法有3種：光電透射測量法[18]、心電信號法[19]和壓電式測量法[20]，近幾年，人用穿戴式心率監測已非常普遍，多采用光電透射/反射測量法[21-22]，并且穿戴式設備具有體積小、質量輕、功耗低的特點。然而人與豬的組織結構相似度非常高[23]，目前未見人用光電心率測量法在生豬上使用。本文選用光吸收定律——郎伯比爾（Lambert－beer）定律[24]作為光電生豬心率監測的基本原理：即一定波長的光照射物質時，物質吸光度與其濃度成正比。生豬組織可大致劃分為兩大部分－皮膚組織與血液組織，當恒定波長的光射到豬的組織時,由于皮膚組織內細胞數量相對恒定，對光的吸收相對恒定。生豬血液隨心臟搏動，且存在物質交換，血液各物質濃度也隨之變化，血液中物質交換以氧交換為主，體現為氧合血紅蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（Hb）的濃度的變化，豬耳部皮膚厚度較薄，透光性好，因此本實驗團隊在江西省畜牧研究所試驗豬場對不同體重的杜長大豬耳部用真空采血管取血采樣，為防止血液凝結，在真空管內加入抗凝劑，直接從血液中獲得HbO2，加入適量的還原劑獲得Hb，測試樣品情況如表1所示，通過分光光度計獲取含HbO2和Hb兩種樣品對可見光譜的吸收效率，在波長450—700 nm范圍內分別測定HbO2，Hb對該段光譜的吸光度，結果如圖4所示。

表1 樣品采集表

圖4表明，在同一光波下HbO2的吸光度比Hb低，表明當動脈血液送到豬的組織時，其半透明度減??；當靜脈血液流回心臟時，其半透明度增大。波光段在560 nm左右及小于458 nm時吸光度的差值較大，但小于458 nm的光屬于藍光、紫光等范圍，其元器件價格都較560 nm波長的貴，最主要的是生豬對該波段光較為敏感。故將小于458 nm波段光排除。血液在博動的過程中，HbO2與Hb含量因組織中的物質交換過程而導致其含量發生明顯變化，HbO2與Hb對560 nm光波吸光度存在明顯差異。故采用560 nm（綠）光作為恒定波長光源，由于豬耳存在一定的厚度，透射式設備需要豬耳兩側分別設置光源和綠光感應器，線路復雜，并且需要很強的綠光才能穿透，功耗大。以豬耳為參照物，有I反=I源-I0，I源為射向豬耳恒定的光能，I反為被豬耳反射的光能，I0為射入豬耳內部的光能，I0主要隨血液內HbO2及Hb變化而變化，可見通過采集反射綠光強度變化也能間接測量生豬耳部血液博動變化。

圖4 豬血中HbO2與Hb在部分光譜下吸光度的測定與比較

生豬心率傳感器由綠光LED、綠光感應器、濾波電路、放大器組成。結構如圖5。

圖5 生豬心率傳感器電路圖

1.3 智能耳標軟件設計

智能耳標軟件是基于 IAR Embedded Workbench 集成開發環境，采用TI公司的CC2530芯片及其ZigBee-zstack協議棧進行開發。TI提供了較為完善、成熟的ZigBee組網解決方案[25]。智能耳標軟件程序流程如圖6所示。

表2 空閑模式功耗表

圖6 智能耳標工作流程圖

智能耳標主要通過CC2530低功耗模式[26]降低功耗，其模式有3種，通過使用UT61E萬用表測試結果見表2。

PM3為外部信號喚醒，PM2為定時喚醒。綜合功耗及喚醒便捷性考慮，采用PM2模式，即智能耳標不需要采集數據進入休眠狀態，系統自動計時，達到喚醒時間后開始采集、發送數據。

MPU6050用來獲取生豬的姿態數據，目前將各軸加速度、角速度轉化為姿態角方案較多，較為精準的有基于模糊-比例積分偏差修正算法，互補濾波算法和MPU6050 的DMP方法，其比較如表3[27-29]。

本文旨在降低智能耳標的功耗，由于心率和姿態測量時間有限，故考慮到能效比，采用MPU6050自帶的DMP功能轉換姿態角。當CC2530采集心率數據的同時，DMP也處理姿態數據，以減輕CC2530的負擔，減少采集時間，便于快速進入PM2狀態。DMP將各軸數據轉換成四元素，為了更為直觀地反映姿態變化，利用四元數與歐拉角的公式[30]進行轉換。

表3 3種處理方案對比表

（1）

2 結果

因試驗條件有限，故采用聽診器與生豬心率傳感器進行心率測試對比試驗，為保證兩者同時測量的穩定性，給試驗豬注射了鎮靜劑(鹽酸氯丙嗪)，經測試生豬處于安靜狀態下3 min內的平均心率是145 bpm。傳感器輸出的心率波形圖如圖7所示，其平均心率約為146.3 bpm，誤差為0.9%。因鎮靜劑維持時間有限，藥效退卻后，生豬躁動，心率結果波動很大。研究發現，其原因在于豬耳反射光強度，不僅受血液搏動變化的影響，還受到綠光感應器與探測部位間距的影響，間距波動使光源與反射面的角度與距離發生變化，導致射入豬耳處的光不穩定，從而致使心率測量結果偏差非常大。

為解決以上問題，通過對豬生活習性的研究發現，其睡眠習性規律：豬有明顯的晝夜行為規律，活動主要集中在白天，夜間也有活動和采食。豬晝夜活動也因年齡及生產特性不同而有差異，仔豬作息時間比平均為60%—70%，種豬70%，肥豬為70%—85%，母豬80%—85%。休息高峰在半夜?？梢?，生豬活動時間很少，豬臥睡時間占75%以上并且基本只在進食前后活動。為此本文引入姿態監測來驗證心率監測的準確性，即在運動情況下用姿態數據體現生豬存亡狀態，在靜止狀態下，心率監測來體現生豬存亡狀態。

智能耳標周期性采集數據，一個采集周期為517 s，其包含感知數據獲取、數據發送、休眠。其各階段的電流情況如表4。

I=[I1×t1+I2×t2+I3×t3]/(t1+t2+t3)≈0.25(mA) （2）

式中，I1、I2、I3為各周期組成部分的總電流，t1、t2、t3為各周期組成的持續時間。以生豬6個月的出欄時間計算，所需的電池容量C=180 d×24h×0.25mA≈1080 mA?h，一節1 200 mA?h鋰亞電池即能滿足需要，其重量僅為8.53 g，耳標硬件部分的質量為13.1 g。

表4 采集周期各階段電流情況

3 討論

在成本方面，智能耳標為35—40元，盡管相對于目前的無源RFID耳標3—5元的價格而言，企業難以接受。但服務與價格是成正比。智能耳標屬于有源RFID，可集成無源RFID所有功能。從監管方式而言，政府與企業可從被動監管轉向了主動監管，對生豬心率與姿態監測，“誰”出問題干預“誰”，不僅能減少了疾病的傳播，而且提高了獸醫的效率。依據心率數據，可適當改善環境，提高生豬福利，提升生豬品質；依據摩爾定律，硬件成本越來越低。智能耳標在不受物理破壞下，可使用5年左右，通過回收機制可進一步降低成本，以豬的6個月出欄時間為例，5年可循環用12次，更換電池及消毒后即可重復利用，單次使用成本將大幅下降。

在功耗方面，本文采用T=517s數據采集周期，電池約占智能耳標總質量的56%。為縮減智能耳標體積及質量，可延長采集周期，即多次睡眠采集一次數據來減低耳標平均功耗，如設定采集周期為0.5 h，平均功耗將降低70%，電池容量及耳標的質量都將大幅減少。

由于智能耳標屬于外置體征監測，故存在一定的掉落危險。對于植入式耳標而言，目前主要是無源RFID耳標，較外置耳標略貴，雖不存在掉標的問題，但基于生理參數監測的植入式而言，需將電池或供電線圈植入皮下，但供電能力差、傳輸距離有限，價格昂貴、接收復雜等都制約大規模生豬生理參數的采集，本文研制的智能耳標，除采用創口式固定耳標外，心率、姿態的拾取都采用無創傷模式，較動脈介入法而言具有長期、無創傷、成本低的心率姿態監測的特點，能在生豬正?；顒又羞M行監測，故綜合考慮選擇智能耳標較為可行。

4 結論

4.1 本文設計的生豬存亡狀態遠程監測系統使用生豬心率傳感器，并選擇560 nm光波以便在靜態下能夠獲得準確的心率數據，同時使用MPU6050 的DMP對生豬靜止與運動的狀態進行監測，因生豬靜臥時間長，可以獲得較多、準確性高的心率數據。

4.2 在運動狀態下，即反映該生豬活動狀態。采用CC2530 PM2定時喚醒模式實現低功耗數據采集與無線傳輸，并集成了心率監測與姿態監測，研制了豬用智能耳標，硬件部分僅13.1 g，耳標平均電流為0.25 mA，1 200 mA?h電池能維持6個月，能保證生豬在出欄前不用更換電池。因此該系統對改善生豬的福利水平及提高政府在生豬存亡狀態監管方面提供可行的物聯網解決方案。

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（責任編輯 林鑒非）

Designing and Validation of the Remote Monitoring System for Pigs’ Survival Based on IoT Technology

CHEN GuiPeng1,2, QIN WenJing3, DING Jian2, WAN MingChun4, GUO LeiFeng1, WANG WenSheng1

(1Agricultural Information Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;2Institute of Agricultural Economics & Information, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanchang 330200;3Soil and Fertilizer & Resource and Environment Institute, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanchang 330200;4Institute of Animal Husbandry and Veterinary Medicine, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanchang 330200)

【Objective】 At present, currently the government’s supervision of pigs still remains in the passive supervision of label type ear, but due to the leg of supervision, the malignant event that died pigs were discarded often occurs. In order to solve the difficult problems of the remote supervision of the state of survival of pigs for regulatory authorities and facilitate the breeding enterprises to monitor the pig heart rate so that the pigs with abnormal heart rate can be treated timely by using intervention measures. A set of remote monitoring system which can collect the data of pig heart rate and judge the pig’s state of life or death was designed in this paper. 【Method】The system uses the wireless sensor network architecture which consists of smart tag, routing nodes, gateway, remote server, monitoring center for pig farms and monitoring center for regulators. The data from smart tag is transferred with Wireless ZigBee network via routing node, and the GPRS module in the gateway will transfer the data through the Internet to a remote server. Once an exception in data occurs, software system will alarm automatically. Taking the program of wearable heart rate monitoring for reference, the paper uses photoelectric heart rate measuring method which uses LED and optical sensors, and combines with filter circuit and amplifier circuit to design the heart rate sensor. In order to know the wavelength of LED and the inducted wavelengths of light sensors, the research collects blood samples at different weight of Du pig ears, and uses the Ron Bo Bill’s law to research the spectral absorbance rule of the HbO2in the blood of pigs and the hemoglobin in order to design the sensor of heart rate and analyze the reason why the heart rate sensor is not accurate in the motion state. The research also combines with the pigs’ sleeping habits to use DMP (Digital Motion Processor) of the attitude sensor MPU6050 to get the stable posture data and identify the inaccurate data. Finally, the research uses CC2530 carried with ZigBee Protocol to achieve the data reading from the heart rate sensor and MPU6050 through the ADC converters and I/O simulation IIC communication protocol. Meantime, the research transfers the data by the ZigBee network and turns on the mode PM2 to reduce power consumption. All these make the pig ear tag integrated the monitoring of the heart rate and attitude.【Result】Taking into account of the factors such as the cost of electronic components, the general rate and impact on pig lives, from the spectral absorbance law of HbO2and Hb, the result shows that the 560 nm light used to measure the effect of the heart rate of the pig is effective. Compared to the traditional manual measurement, the measuring error of the pig heart rate sensor with the wavelength is just 0.9%. Because the lying sleeping time of the pigs accounts for more than 75% and they usually take basic activities before and after eating, the heart rate sensor can test the pigs for a long time especially using MPU6050 to monitor the movement of live pigs. Consequently, the system developed in this paper can realize the monitoring of heart rate under the static state and the attitude in the motion state and pigs died if there is no data in the static state. 【Conclusion】Because of its light weight, small volume, low power consumption and accurate measurement, the pig ear tag can realize the monitoring of pigs in the static state and the motion state, thus realized the monitoring of the pigs’ survival condition and the long-term monitoring of pig heart rate. This changed the passive monitoring mode of traditional RFID ear tags and is of great significance for the supervision of government and the living welfare of pigs.

pig heart rate; posture; pig habits; CC2530; intelligent ear tag

2016-05-17；接受日期：2017-01-22

國家公益性行業（農業）科研專項（201303107）、江西省科技支撐項目（20141BBF60058、20144BBF60021）、中國農業科學院科技創新工程項目（CAAS-ASTIP-201X-AII-04）

陳桂鵬，E-mail：apeng2008.8.8@qq.com。 通信作者王文生，E-mail：wangwensheng@caas.cn