基于物聯(lián)網(wǎng)和云端的奶牛發(fā)情體征監(jiān)測系統(tǒng)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(nóng)林科技大學機械與電子工程學院，陜西楊凌 712100；3.中國礦業(yè)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(yǎng)殖成本高，技術復雜。“十五”以來，我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，奶牛養(yǎng)殖規(guī)模化進程日益加速，安全、高產(chǎn)、高效成為奶牛養(yǎng)殖的目標，這必然對牧場科學生產(chǎn)和高效管理等方面提出更高要求。在逐步向現(xiàn)代精準養(yǎng)殖生產(chǎn)方式轉變過程中，奶牛的發(fā)情狀況倍受關注，發(fā)情監(jiān)測在牛群繁殖管理中具有重要地位，及時發(fā)現(xiàn)奶牛發(fā)情有利于奶牛的及時受孕、產(chǎn)犢并提高泌乳期[1]。

奶牛發(fā)情狀態(tài)通常會由各項生理參數(shù)反映，其中最具有代表性的生理體征參數(shù)是體溫和運動量。在我國大部分奶牛場，奶牛發(fā)情是靠奶牛飼養(yǎng)管理員觀察發(fā)現(xiàn)，再依靠經(jīng)驗進行判斷。單靠管理人員觀察及時發(fā)現(xiàn)奶牛發(fā)情非常困難，這種判斷方法僅適用于小規(guī)模的奶牛養(yǎng)殖，不適合較大規(guī)模、集約化的奶牛場[2]。因此把信息技術引入奶牛養(yǎng)殖，用電子傳感器監(jiān)測奶牛的發(fā)情體征，采集、記錄現(xiàn)場奶牛個體的發(fā)情體征(體溫、活動量)，準確判斷奶牛發(fā)情時間，充分發(fā)揮良種奶牛的繁殖潛力，已經(jīng)成為提升我國奶業(yè)綜合生產(chǎn)能力、提高牛奶質(zhì)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(wǎng)絡(WSN)和嵌入式技術，構建基于物聯(lián)網(wǎng)和云端的低成本奶牛發(fā)情體征監(jiān)測系統(tǒng)，旨在為幫助養(yǎng)殖人員及時掌握奶牛的發(fā)情和健康狀況提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)結構與功能

奶牛發(fā)情監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖1所示。該系統(tǒng)主要由發(fā)情體征采集部分、STM32主控中心、數(shù)據(jù)傳輸部分、上位機PC監(jiān)測系統(tǒng)和云服務器平臺構成。發(fā)情體征采集部分主要由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡構成，該無線傳感器網(wǎng)絡由帶ZigBee路由器的終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點組成[4]。其中終端節(jié)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(xiàn)奶牛發(fā)情體征數(shù)據(jù)的采集，采集好的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點再將收到的多頭奶牛發(fā)送來的數(shù)據(jù)整理后傳送至STM32主控中心。主控中心主要實現(xiàn)對協(xié)調(diào)器傳送來的數(shù)據(jù)進行初步處理封裝，最終通過RS-485總線傳輸?shù)缴衔粰CPC監(jiān)測系統(tǒng)。同時在上位機PC監(jiān)測系統(tǒng)將發(fā)情體征數(shù)據(jù)傳輸至云服務器平臺，可以通過網(wǎng)絡隨時隨地實時監(jiān)測奶牛發(fā)情體征參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 發(fā)情體征采集節(jié)點硬件設計

奶牛發(fā)情體征采集節(jié)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(fā)送和采集節(jié)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(xié)議的局域無線網(wǎng)絡通信技術，功耗和成本較低，數(shù)據(jù)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(wǎng)絡收發(fā)的ZigBee產(chǎn)品。CC2530F256芯片完全兼容IEEE 802.15.4無線通信協(xié)議，內(nèi)置IR發(fā)生電路，有超低功耗的特點，內(nèi)置增強型MCS-8051內(nèi)核[5]。選用CC2530F256作為ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點的核心處理器，可以提高系統(tǒng)的可靠性并降低節(jié)點功耗。

2.1.2 體溫采集模塊 非接觸式測溫通過監(jiān)測物體表面發(fā)射的能量測定物體溫度。與奶牛傳統(tǒng)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(yōu)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(jīng)過量程轉換，得到實際溫度值。對外兼容兩線制SMBus數(shù)字接口和客戶自行定制的10位PWM數(shù)據(jù)連續(xù)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(xié)議，實現(xiàn)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(nèi)置測量范圍高達±16g的高精度運動傳感器、數(shù)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(shù)據(jù)[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(jié)點CC2530的 P0_0、P0_2模擬I2C總線讀取加速度數(shù)據(jù)。加速度計與ZigBee接線如圖4所示。

2.1.4 采集節(jié)點電源 采集節(jié)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(wěn)定的3.7 V/300 mAh鋰電池對采集節(jié)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(shù)字器件，需要穩(wěn)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(wěn)壓芯片。將電池輸出電壓穩(wěn)定到3.3 V為采集節(jié)點供電，如圖5所示。

2.2 發(fā)情數(shù)據(jù)接收終端硬件

奶牛發(fā)情體征數(shù)據(jù)的接收終端由協(xié)調(diào)器和STM32單片機組成，通過協(xié)調(diào)器控制每個采集節(jié)點啟動和數(shù)據(jù)發(fā)送。協(xié)調(diào)器還作為數(shù)據(jù)的接收端，接收各節(jié)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(xié)調(diào)器通過串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32單片機中，單片機接收到的數(shù)據(jù)分別是奶牛體溫、運動量，對數(shù)據(jù)進行初步處理，并通過RS-485總線將奶牛發(fā)情體征參數(shù)上傳至上位機。接收終端主要由發(fā)情體征數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器無線接收、STM32數(shù)據(jù)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(nèi)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(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)的控制處理核心。

2.2.2 RS-485現(xiàn)場總線 奶牛養(yǎng)殖區(qū)距離監(jiān)測室較遠，采用TTL電平或RS-232通信，極易造成數(shù)據(jù)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(fā)送的TTL信號數(shù)據(jù)轉為負邏輯電平的485信號數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)1 200 m的遠距離數(shù)據(jù)傳送[10]。RS-485電平轉換電路如圖6所示。

2.2.3 數(shù)據(jù)接收終端電源 由于多個采集節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)的時間是隨機的，使協(xié)調(diào)器需要時刻保持等待接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。另外，協(xié)調(diào)器是固定在奶牛養(yǎng)殖棚頂?shù)姆且苿邮皆O備，所以協(xié)調(diào)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(wěn)定的3.3 V直流電源，所以采用MIC5219-3.3低壓差線性穩(wěn)壓芯片將開關電源輸出的帶有開關頻率的5 V不穩(wěn)定電壓，轉換為3.3 V穩(wěn)定線性電壓為協(xié)調(diào)器供電。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 下位機采集系統(tǒng)軟件設計

下位機采集系統(tǒng)軟件主要由發(fā)情體征采集節(jié)點程序和協(xié)調(diào)器程序組成。采集節(jié)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(tǒng)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(fā)送溫度值、計步數(shù)據(jù)和奶牛編號為任務3，然后進行任務輪詢，當有任務觸發(fā)任務中斷時，處理任務，同時無線發(fā)送任務為最優(yōu)先級任務，計步任務優(yōu)先級次之，溫度采集任務優(yōu)先級最低[11-12]。體征采集節(jié)點程序流程如圖7所示。

協(xié)調(diào)器模塊采用CC2530接收奶牛體溫和運動量數(shù)據(jù)，通過CC2530初始化任務并做任務登記，然后輪詢?nèi)蝿眨腥蝿沼|發(fā)中斷時，判斷發(fā)送方式為點播、組播或廣播方式發(fā)送，接收數(shù)據(jù)。通過串口發(fā)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(fā)時，接收并進行校驗數(shù)據(jù)，校驗通過保存數(shù)據(jù)，再通過五點滑動濾波算法對數(shù)據(jù)初步濾波，通過UART1和外接的RS-485現(xiàn)場總線發(fā)送給上位PC機。

3.2 上位機發(fā)情體征監(jiān)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(huán)境中開發(fā)奶牛發(fā)情監(jiān)測系統(tǒng)。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(shù)據(jù)顯示到實時曲線上的同時，還要把采集到的數(shù)據(jù)保存到文本文檔，以便查看數(shù)據(jù)的歷史記錄。系統(tǒng)不僅可以在上位機上監(jiān)測發(fā)情體征數(shù)據(jù)，還可以通過HTTP協(xié)議中的POST方法把數(shù)據(jù)上傳到Yeelink云服務器平臺，并可在手機客戶端和網(wǎng)頁上進行實時監(jiān)測[13]。上位機程序流程如圖8所示。

4 系統(tǒng)測試

為了測試奶牛發(fā)情體征監(jiān)測系統(tǒng)，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(shù)的監(jiān)測歷史曲線如圖9所示。

PC端監(jiān)測平臺還可以通過HTTP協(xié)議把奶牛發(fā)情體征數(shù)據(jù)上傳到Yeelink云端，PC客戶端會給出回應，識別客戶端狀態(tài)碼，判斷是否上傳成功，若文本框狀態(tài)如圖10所示，則上傳數(shù)據(jù)成功。

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

5 結論

本研究提出并設計了基于物聯(lián)網(wǎng)和云端的奶牛發(fā)情體征監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)支持無線網(wǎng)絡傳輸和云端平臺遠程實時監(jiān)測，簡單實用，是奶牛養(yǎng)殖戶監(jiān)測奶牛發(fā)情狀態(tài)快捷有效的方法；設計了非接觸式、低功耗的奶牛發(fā)情體征監(jiān)測模塊，實現(xiàn)了奶牛體溫和步數(shù)的無線傳輸；開發(fā)了奶牛發(fā)情體征監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了發(fā)情體征移動平臺實時遠程監(jiān)測、查詢以及云端數(shù)據(jù)上傳。在本研究基礎上，后續(xù)可以在發(fā)情體征數(shù)據(jù)獲取之后加入決策系統(tǒng)，以便奶牛飼養(yǎng)人員全面掌控奶牛的發(fā)情狀況，實現(xiàn)智能化的奶牛發(fā)情監(jiān)控。