奶牛體溫植入式傳感器與實時監測系統設計與試驗

何東健 劉 暢 熊虹婷

(1.西北農林科技大學機械與電子工程學院， 陜西楊凌 712100；2.農業農村部農業物聯網重點實驗室， 陜西楊凌 712100；3.陜西省農業信息感知與智能服務重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

我國奶牛養殖業快速發展，但奶牛養殖生產效率低，奶牛年平均單產量為4 140 kg，而發達國家奶牛年平均單產量已達8 000～10 000 kg，為我國的2～3倍[1-2]。其主要原因是良種選育技術及飼養管理手段落后。因此，利用信息技術提升養殖科學管理水平，降低人工成本，實現奶牛精準化養殖十分必要。

奶牛的精準化養殖是通過對奶牛體征信息、飼喂量、活動量等檢測，從發情預報到受胎、飼喂過程飼養環節鏈進行監測和控制，使用戶能及時做出正確決策[3-4]。體溫是奶牛身體狀況的重要參數，當奶牛在發情以及出現消化系統、肢蹄疾病等情況時，奶牛的體溫會發生變化，故奶牛體溫數據的精準、實時監測，可以準確判斷奶牛發情時間[5-6]，以適時人工授精，提高受精率，降低因受精失敗產生的人力和冷凍精液成本[7-10]。通過奶牛體溫變化的實時檢測，可準確判斷懷孕奶牛分娩期，以便人工輔助分娩，降低分娩風險[11-13]，也可檢測奶牛的健康狀況，以便及時進行疾病防治等[14-15]。因此，奶牛體溫的實時、精準監測，對奶牛的疾病檢測防治、適時配種和人工介入輔助健康分娩等均具有重要意義[16]。

傳統的體溫監測方法主要是依靠人工利用體溫計測定奶牛直腸的溫度，不僅效率低，勞動強度大，且易引起交叉感染，不能實現溫度的實時監測[17-18]。諸多學者開展了奶牛體溫的自動測量方法研究并取得了一些成果。尹令等[19]用K型熱電偶測量奶牛呼氣時的溫度，其測量的平均值接近奶牛的真實體溫，但熱電偶放入奶牛鼻孔后容易脫落，不易固定；屈東東等[20]將WiFi技術應用于群養奶牛體溫實時監測系統中，實現了奶牛體溫的智能化監測，采用DS18B20型溫度傳感器經過平均值算法處理后精度為0.2℃，不利于及時發現生理狀態的變化。楊宇闐奕等[21]利用ZigBee技術實現了體征信息的監測，但只能監測奶牛的體表溫度。唐宇等[22]結合生物傳感器技術和嵌入式無線監測技術，提出了基于STM32的奶牛生理參數監測系統的硬件和軟件設計方案，采用非接觸式紅外測溫方法，測量結果易受到風速、溫度、濕度等環境因素影響，可靠性差。

日本遠洋公司生產的移動牛體溫測量產品測溫精度為0.2℃，傳感器末端有長30cm的天線延長至奶牛體外，使用時需要將天線固定在奶牛尾部，奶牛的活動和排便受到限制。法國Medria公司[23]生產的陰道產道牛犢檢測傳感器Vel’Phone，通過無線基站以手機短信方式發送奶牛體溫信號，測量精度為0.1℃，傳感器放入奶牛體內后需經過5～10 min將信息傳到用戶手機上，檢測效果較好，但價格昂貴。ANDERSSON等[10]設計的可穿戴式傳感器，通過測量電阻反映奶牛體溫，使用315M信號作為無線通信，穿透效果好，但規模化的網絡建設仍無法解決。NOGAMI等[24]設計的傳感器長150 mm，傳感器過長極易破壞奶牛陰道，造成出血等問題。

針對目前奶牛體溫測量仍以體外測溫方式為主，少數的體內溫度測量精度不高，無線信號在奶牛體內傳輸受阻，以及傳感器體積過大易損傷奶牛陰道等問題[25]，本研究將433M無線信號模塊與ZigBee網絡相結合，設計小型化、高精度的奶牛植入式體溫傳感器和奶牛實時監測系統，設計以PT1000鉑電阻為測量探頭的植入式傳感器，以獲得更好的測量精度并實現實時、準確的奶牛體溫監測，為發情期預測、疾病預防提供重要的基礎數據。

1 奶牛體溫實時監測系統總體設計

1.1 設計需求分析

奶牛場奶牛數量眾多，環境復雜，因此系統方案設計需適應奶牛場環境和應用需求。本研究以楊凌科元克隆股份有限公司所屬奶牛場為實例，經奶牛場實地考察和咨詢養殖專家，確定系統主要需求有：

(1)奶牛場有2個活動場，單個牛場長72 m，寬36 m，牛棚高3 m，為保證信號的可靠傳輸，系統采用網狀網絡拓撲結構。

(2)考慮到發情奶牛比正常奶牛體溫僅下降0.5℃左右，為保證監測奶牛發情信息準確，故設計傳感器精度為0.05℃。

(3)傳感器應體積小、質量小，外殼材料柔軟無毒，不會對奶牛產生影響。

(4)傳感器節點可自組網，傳輸性好。

1.2 系統總體設計方案

根據牛場實際應用中的功能需求，設計的系統總體架構如圖1所示，主要包括測溫節點、無線傳感網絡、遠程監控中心3部分：

(1)測溫節點為植入式溫度傳感器，植入奶牛陰道實時采集體溫數據，并通過433M無線信號模塊傳輸到項圈節點。

(2)無線傳感網絡由項圈節點、ZigBee路由器節點、ZigBee協調器節點等組成。路由器節點負責數據通信的路由選擇與數據轉發，并允許測溫節點通過它加入網絡。協調器節點負責整個網絡的構建和維護，1個協調器和4個路由器均架設在距地面高3 m的牛棚上。

(3)遠程監控中心：計算機和上位機對接收的信息進行實時顯示并存儲。

圖1 奶牛體溫實時監測系統結構示意圖Fig.1 Structure diagram of real-time monitoring system for cow’s temperature

2 硬件系統設計

系統硬件主要由植入式溫度傳感器和無線傳感網絡組成。

2.1 植入式溫度傳感器

奶牛體溫以直腸溫度為標準，但因其每天排泄10余次，在直腸安裝傳感器不能實現連續監測。考慮到奶牛陰道離直腸最近，二者呈現相同的溫度變化規律，其相關系數達0.81[26]，陰道溫度能準確反映奶牛的真實體溫。故本文設計一種植入式溫度傳感器，在奶牛適孕期由獸醫直接將其放在奶牛陰道內實時測量體溫，以實現發情和健康狀況的監測。在奶牛分娩時，傳感器先于牛犢排出體外。

2.1.1植入式溫度傳感器溫度信號采集模塊設計

圖2 測溫傳感器溫度采集模塊硬件結構示意圖Fig.2 Structure sketch of module for temperature acquisition based on temperature sensor

為了能實時對奶牛發情等進行預測預報，植入式溫度傳感器需有較高的測量精度(0.05℃)。A級PT1000鉑電阻測溫范圍為-50～200℃，探頭長為10 mm，直徑為3 mm，測溫接觸部分有304不銹鋼圓頭保護管，抗腐蝕，故選用A級PT1000鉑電阻作為溫度傳感器。

為了保證植入式溫度傳感器的檢測精度和穩定性，從硬件選擇和軟件編程兩方面提高傳感器的測量精度和穩定性。選擇恒流源模塊驅動PT1000鉑電阻，使得流過鉑電阻的電流恒定不變，減小因電流變化引起的誤差。為克服常規二線制、三線制測量方法忽略引線電阻誤差的問題，選用四線制電路，嚴格消除引線誤差。依據傳感器精度為0.05℃，可計算出溫度每變化0.05℃鉑電阻阻值變化0.2 Ω，故選擇美國德州儀器公司的24位ADS1256模數轉換器，其利用SPI外部串行接口與MCU微控制單元通信，實現鉑電阻兩端電壓的采集。利用基準電壓源提供穩定的電源。利用軟件對采集到的電壓進行濾波處理，進一步提高其測量值的精度和穩定性。

為減少植入式溫度傳感器的電能消耗、體積和質量，并延長其使用壽命，選擇可在超低功耗模式下工作、耗電少、輻射小的美國德州儀器公司生產的MSP430單片機作為控制芯片。MSP430單片機在1 MHz時鐘條件下，工作電流視工作模式不同在0.1～400 μA范圍變化，工作電壓為1.8～3.6 V。控制芯片主要實現如下功能：①通過SPI通信接收模數轉換器轉換的電壓信號。②將電壓信號轉換成溫度值。③將溫度值通過無線模塊傳輸到奶牛項圈節點。

本文植入式溫度傳感器節點安置在奶牛體內，無線信號在傳輸過程中會受到奶牛活體組織的影響，產生衰減，故選擇穿透性能好、集成度高、抗干擾能力強、發射功率可調的433M無線信號模塊。該模塊采用CC1101作為主芯片，將SPI接收的信號發送給項圈節點內的相同型號無線模塊。項圈節點接收數據時，數據從差分信號引腳輸入，經過低噪聲放大器將信號放大，通過SPI口發送到控制芯片，以完成信號由奶牛體內到體外的傳輸。測溫傳感器溫度采集模塊硬件結構如圖2所示。

2.1.2植入式溫度傳感器封裝設計

成年母牛陰道長約350 mm、寬55 mm，故要求植入式溫度傳感器外形尺寸小、不影響奶牛健康，且不易滑脫。設計的植入式溫度傳感器外形如圖3所示，外殼由高密度聚乙烯(HDPE)3D打印而成，具有無毒、無味、柔軟等特點，對奶牛健康無不良影響。外殼封裝后為長85 mm、直徑30 mm的圓柱體。為防止傳感器在奶牛運動時脫落，根據奶牛陰道深處有較大宆腔的特點，尾部設計了有較好彈性的5個防滑落凸指(90°軟膠)，在宆腔處形成一個固定卡位。本文設計的傳感器長為85 mm，彌補了文獻[24-25]中傳感器尺寸過大的缺點，植入式傳感器的無天線設計也避免了日本遠洋公司產品由于天線導致奶牛活動受阻的問題。

圖3 測溫傳感器實物圖Fig.3 Actual pictures of temperature sensor

2.2 無線傳感網絡設計

考慮到奶牛場環境的特殊性以及植入式傳感器信號傳輸的可靠性，本文設計奶牛項圈節點作為無線傳感網絡的中繼節點，達到穩定、可靠的傳輸效果，其實物如圖4所示。項圈節點的作用為接收植入式傳感器的溫度信號，實現溫度信號由體內傳輸到體外；完成自組網，實現溫度信號的遠距離傳輸。

圖4 奶牛佩戴項圈節點實物圖Fig.4 Actual pictures of cow collar

奶牛場區域較大，監控設備多，需要建立自組網絡實現奶牛場內信號的傳輸。考慮到ZigBee協議技術成熟、應用廣泛，故選擇基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網ZigBee協議。奶牛項圈節點接收到植入式傳感器采集到的溫度信號后，發送至網絡路由器，路由器可實現大范圍內的網絡節點互聯，構成有效半徑100m的網絡覆蓋，滿足需求。

路由節點負責維護網內路徑和信息的轉發，并允許項圈節點加入到網絡中；協調器采用美國德州儀器公司生產的CC2530芯片作為無線傳感網絡協調器的控制芯片，CC2530芯片采用0.18 μm的CMOS生產工藝，具有從休眠模式切換到主動模式的超短時間特性，滿足本研究功耗低的設計要求。協調器節點組織配置整個無線網絡，將測溫節點的信號經路由器節點傳送給協調器節點上的嵌入式微處理器(EMPU)，而EMPU通過傳輸控制協議(TCP/IP)利用有線網絡(RS232)將數據傳送到遠程監控中心的基地管理平臺，從而實現ZigBee協議與TCP/IP協議之間互傳數據。每個牛場活動區域架設2個路由器節點，協調器節點架設在兩個活動場中間，路由器和協調器架設在牛棚上，現場布置示意圖如圖5所示。

圖5 路由器節點和協調器節點布置示意圖Fig.5 Layout of router and coordinator

3 軟件設計

系統軟件設計包括植入式傳感器單片機對溫度信號的處理、無線信號的傳輸以及遠程監控平臺上位機實時顯示3部分。

3.1 溫度采集與傳輸

植入式溫度傳感器以MSP430單片機為核心，以IAR EW430為MSP430的開發平臺，采用C語言編寫應用程序。程序設計采用單片機外部串口中斷法，軟件工作流程如圖6所示。

圖6 軟件工作流程圖Fig.6 Flow chart of software system

首先進行各個函數的初始化及系統時鐘設置，然后各個模塊開始工作，恒流源模塊驅動PT1000鉑電阻工作，ADS1256模數轉換器采集其兩端電壓，根據電壓計算溫度。其溫度計算過程如下：

PT1000鉑電阻的電阻值與溫度的換算式為

Rt=R0(1+At+Bt2)

(1)

其中A=3.908 31×10-3B=-5.775×10-7

式中t——溫度，℃

Rt——溫度t時鉑電阻的電阻值，Ω

R0—0℃時鉑電阻電阻值，為1 000 Ω

A、B——IEC751國際標準系數

根據AD采集模塊采集到的電壓可得知溫度t時鉑電阻的電阻值Rt，從而計算出溫度。因此，采集電壓的準確性會直接影響溫度值，為了減少電壓采集的不穩定因素，進行電壓濾波處理，MSP430每5 s進行一次采樣，共采集1 min，采集到的12個電壓去掉其中的最大值和最小值，計算剩余數據的算術平均值，根據電壓計算出此時的溫度，再通過無線模塊將溫度傳輸至奶牛體外，此為1次完整的溫度采集過程。

為減少植入式溫度傳感器的功耗，采用定時休眠喚醒的工作機制，每10 min進行一次循環。每頭奶牛的溫度信號在傳輸時設置不同的通信地址，并標記該頭奶牛的編號，奶牛項圈節點再將溫度信息和奶牛的編號通過無線傳感網絡傳輸到遠程監控中心。上位機接收到溫度信號后進行數據分析，判斷是否出現異常，監控中心可實時顯示每頭奶牛的溫度狀況。

3.2 監控界面設計

考慮到美國德州儀器公司開發的LabVIEW軟件功能強大且靈活，適用于監控和測量，故上位機監測軟件選用LabVIEW，軟件主要實現無線傳感網絡與上位機通信、溫度數據存儲等功能。

上位機接收并保存無線傳感網絡發送來的測量結果，接收的數據經解碼后，在監控界面實時顯示(圖7)。該界面主要包括當前溫度顯示區域、奶牛個體信息顯示區域、歷史溫度查看區域。采集數據時，溫度顯示區域可顯示奶牛近1 h內體溫的變化曲線，方便用戶監控；在奶牛個體信息顯示區域可查看不同編號奶牛的當前體溫、當前時間以及數據的存儲路徑；歷史溫度區域可查看過去任意時段奶牛體溫[27]，用戶可通過對奶牛體溫信息的查看，分析奶牛的健康狀態。此外，系統可對植入式傳感器的運行狀態以及無線信號的衰減程度進行監測，例如當信號衰減嚴重時(接收信號強度過低)，可通過給傳感器指令調整其發射功率，在保證無線通信質量同時，盡可能延長電池的使用壽命。

圖7 奶牛體溫實時顯示界面Fig.7 Real-time display interface of cow temperature

4 試驗

為驗證傳感器性能，設計了5種試驗對傳感器進行測試。考慮奶牛的正常體溫為37.5～39.5℃，設置測試范圍為36.5～41.5℃。

4.1 溫度測定準確性試驗

為了驗證測溫系統的準確性，用恒溫槽溫度值作為溫度驗證的標準值，再選用普通電子溫度計(精度為0.1℃)做對比試驗。恒溫槽為BD-0506系列(江蘇天翎儀有限公司)，測溫范圍為-5～100℃，波動范圍為0.005～0.01℃，數顯分辨率為0.001℃，液體介質選用純凈水。在36.5～41.5℃范圍內，每隔0.1℃做1次測量，將植入式溫度傳感器和電子溫度計同時置于恒溫槽內，直到測量的溫度在10 min內不發生任何變化，將該結果作為此次的測量結果。試驗共采集到51個數據，圖8為真實溫度和測量溫度間的關系，植入式溫度傳感器的最大誤差為0.03℃，測量精度可滿足要求。分別對植入式溫度傳感器和普通電子溫度計測量情況進行線性回歸，其擬合方程分別為

Y0=1.000 1x

(2)

Y1=1.001 5x

(3)

式中x——真實溫度

Y0——植入式溫度傳感器輸出值

Y1——普通電子溫度計顯示值

圖8 溫度傳感器準確性試驗結果Fig.8 Accuracy test results of temperature sensor

式(2)和式(3)的決定系數R2分別為0.999 9和0.999 3。由試驗結果可以看出，本文設計的植入式溫度傳感器測量結果比普通電子溫度計更加接近真實值，測量精度可達到0.05℃，與日本遠洋公司的移動式奶牛體溫測量傳感器(精度為0.2℃)相比，測量精度顯著提高。

4.2 溫度測定穩定性試驗

為了驗證植入式溫度傳感器測溫系統的穩定性，選定36.5℃和43.0℃ 2個溫度進行穩定性試驗。試驗時將溫度傳感器置于設定好溫度的恒溫槽內連續12 h，每隔0.5 h記錄1次溫度傳感器測量的溫度，試驗結果如圖9所示。由圖9可以看出，在連續12 h內，設定的2個溫度下，溫度傳感器的最大誤差為0.02℃，克服了文獻[10]中電導率易受環境影響導致測溫不穩定的問題。

圖9 溫度傳感器穩定性試驗結果Fig.9 Stability test results of temperature sensor

4.3 反應速度試驗

當奶牛體溫發生變化時，溫度傳感器測量出溫度變化需要一定的穩定時間，為了測定該階段耗時(反應速度)，模擬傳感器在奶牛體內的工作溫度變化。試驗于2018年7月15日14：00開始，先將植入式溫度傳感器置于陜西省農業信息感知與智能服務實驗室窗外(38.2℃、無風)10 min，直到傳感器測溫穩定，再將其放置在36、37、39、40、41、42℃的恒溫槽中，每5 s讀取1次溫度值，試驗結果如圖10所示。在開始測量15 s后，傳感器測量的溫度值達到穩定，與文獻[20]中使用DS18B20型溫度傳感器的反應時間40 s相比，系統延時時間短，反應快，可以迅速將奶牛體溫變化通過無線網絡上傳，有很好的實時性，能夠滿足奶牛體溫實時監測的需要。

圖10 測量溫度值隨時間變化曲線Fig.10 Changing curves of temperature with time

4.4 植入式溫度傳感器傳輸性試驗

圖11 不同收發距離的項圈節點接收信號強度Fig.11 RSSI in different distances and different thicknesses of beef

植入式溫度傳感器發出的RF無線信號應能被項圈節點正確接收。但植入奶牛體內的傳感器RF無線信號會受到奶牛活體組織、骨骼等影響，導致信號衰減。為了探明活體組織對無線信號傳輸的影響，進行植入式溫度傳感器傳輸性能模擬試驗。模擬試驗中用不同厚度的牛臀肉包裹植入式傳感器，用Smart RF Studio7測定不同距離下的接收功率。考慮到奶牛平均高度為1.35 m、平均體長1.7 m，脖頸與產道的距離為1.3～1.5 m，故植入式溫度傳感器和項圈節點分別安裝在距地面高度為1.2 m的支架上，設置植入式傳感器發射功率為10 dB，傳輸頻率433 MHz，項圈節點的接收靈敏度為110 dB。植入式溫度傳感器的四周用牛肉包裹住，牛肉包裹厚度在0～35.1 cm范圍內，試驗前將牛肉厚度依次遞增5 cm進行切割。試驗時，在一定牛肉厚度和收發節點距離(0.5～3.5 m)下進行測試，試驗結果如圖11所示。由圖11可知，隨著牛肉厚度的增加，接收功率呈減小趨勢，未用牛肉包裹與用35.1 cm厚度牛肉包裹相比，接收功率降低約37 dB，這是因為RF無線信號受奶牛活體組織、骨骼等影響而衰減；隨著收發距離的增大，相同牛肉厚度下的接收功率呈逐漸降低趨勢，當牛肉厚度為25.3 cm時，接收距離3.5 m比接收距離0.5 m的接收功率降低約21 dB。由于植入式溫度傳感器與項圈節點間的距離最大不超過1.5 m，其接收功率均在-66 dB以上，可將RF無線信號穩定可靠地傳輸到項圈節點。

4.5 系統可靠性測試

為驗證測溫系統的可靠性，對無線傳感網絡的丟包率進行測試。

4.5.1傳輸距離對丟包率的影響

將項圈節點佩戴在奶牛頸上，接收節點架設在可移動支架上，通過移動接收節點的位置改變通信距離，測試時同一位置每次發送100個數據包，共發送10次，每隔10 s執行一次，共1 000個數據包，以10次發送結果的平均值計算不同位置的丟包率和字節錯誤率，結果如表1所示。由表1可以看出，在40 m以內，丟包率較低，當距離大于40 m時，由于協調器部署位置的限制，通信路段處于過渡區域，導致丟包率增加。但距離為80 m時丟包率僅為3.8%，字節錯誤率也較低。

表1 監測系統丟包率和字節錯誤率Tab.1 Packet loss rate and byte error rate of monitoring system

4.5.2系統丟包率測試

按圖5布置路由器和協調器節點，對系統丟包率和可靠性進行測試。測試時，將長72 m、寬36 m的單個活動場分割成網格進行測試，每隔9 m進行一次測試，共45個點，其測試位置和無線傳感網絡布置如圖12所示。

測試結果如圖13所示。由圖13可知，奶牛活動場不同位置丟包率不同，丟包率均低于1.2%。結果表明，通過433M無線信號模塊和ZigBee網絡的組合設計，以及試驗結果的驗證，解決了文獻[10]中由于使用RF射頻信號不能自組網的問題，使得該無線傳感網絡既可以使得無線信號在奶牛體內傳輸時穿透效果好，又可以實現自組網，有利于規模化網絡的實現。

圖12 丟包率測試節點布置Fig.12 Layout of packet loss ratetesting positions

圖13 奶牛場各個位置丟包率Fig.13 Packet loss rate of different positions

5 結論

(1)提出了一種奶牛體溫植入式傳感器設計方案，利用該傳感器實現了奶牛體溫實時監測，上位機監測界面實時顯示奶牛體溫。

(2)試驗結果表明，該植入式傳感器體積小，測量誤差最大為0.05℃，當溫度發生變化時，可在15 s內測出變化溫度，連續12 h內的溫度波動為0.02℃，穩定性好。

(3)設計的無線傳感器網絡穿透性好，整個系統的丟包率低于1.2%，可靠性高，可實現自組網和規模化網絡擴建。