壓電式計(jì)步器在奶牛養(yǎng)殖中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郝峰 謝明亮 李金誠 邵衛(wèi)星

摘要：為探討北方地區(qū)運(yùn)用計(jì)步器對奶牛蹄病的監(jiān)測效果，我們根據(jù)奶牛運(yùn)動特點(diǎn)設(shè)計(jì)壓電式計(jì)步器，主要運(yùn)用于奶牛蹄病監(jiān)測。在北方地區(qū)因氣候環(huán)境和飼養(yǎng)管理因素，不同季節(jié)蹄病發(fā)病種類和發(fā)病率各不相同，奶牛步履活動變化差異極顯著;運(yùn)用壓電式奶牛計(jì)步器可有效監(jiān)測奶牛蹄病，做到早發(fā)現(xiàn)早治療，可有效指導(dǎo)養(yǎng)牛生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：壓電式計(jì)步器;奶牛;監(jiān)測

在牛的規(guī)模養(yǎng)殖模式下牛的疫病防治是一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，也是提高牛的養(yǎng)殖質(zhì)量、降低發(fā)病機(jī)率和致死率的關(guān)鍵因素。奶牛蹄病已成為危害奶牛生產(chǎn)的四大疾病之一，輕則引起奶牛跛行，重則引起奶牛癱瘓，嚴(yán)重影響奶牛采食和牛奶生產(chǎn)，如不加以重視，則會增加奶牛淘汰成本，降低經(jīng)濟(jì)效益。奶牛在春、夏、秋、冬4個季節(jié)不同蹄病與步履數(shù)的關(guān)系存在內(nèi)在聯(lián)系。據(jù)統(tǒng)計(jì)在4個季節(jié)中，與正常奶牛相比，春季，腐蹄病奶牛步履數(shù)差異極顯著，蹄裂奶牛差異顯著;夏季，腐蹄病和蹄葉炎奶牛步履數(shù)差異極顯著;秋季，腐蹄病奶牛步履數(shù)差異極顯著;冬季，腐蹄病奶牛步履數(shù)差異極顯著，蹄底創(chuàng)傷奶牛差異顯著。這些蹄病顯著影響奶牛步履活動。同一種蹄病奶牛在4個季節(jié)中步履數(shù)也存在差異，蹄裂奶牛在冬季步履數(shù)差異極顯著;蹄葉炎奶牛在夏季步履數(shù)差異極顯著;蹄底創(chuàng)傷奶牛在冬季步履數(shù)差異極顯著;白線病奶牛在冬季差異顯著;腐蹄病奶牛在冬季步履數(shù)差異極顯著。

常用的計(jì)步器都是安裝在人或則動物身上，所以一般采用電池供電方式。電池供電需要長時間工作時，則對傳感器的功耗需求要求特別高。為了解決計(jì)步器功耗比較大的問題，有必要提出一種應(yīng)用自己產(chǎn)生電不需要外圍供電的傳感器的計(jì)步器。

一、壓電式計(jì)步器設(shè)計(jì)綜述

壓電式計(jì)步器包含震動檢測模塊、處理器、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和電源模塊。震動檢測模塊由六片壓電片和一個金屬球組成，六片壓電片組成一個立方體，每一面有一個壓電片。金屬球安裝在立方體的內(nèi)部，在計(jì)步器安裝在人身上，并隨人體運(yùn)動時，金屬球會擠壓壓電片，使其產(chǎn)生電壓。壓電片的正極都接有電線，連接到處理器的引腳上。壓電片的所有負(fù)極連接在一起與電源的負(fù)極相連。壓電片的負(fù)極都在立方體的內(nèi)側(cè)。處理器與震動檢測模塊、電源模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊相連接，處理震動模塊發(fā)送來的電壓信息，通過計(jì)算判斷出步伐等信息。電源模塊與處理器相連接，給整個壓電式計(jì)步器供電。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊與處理器相連接，將處理器發(fā)送的信息發(fā)送出去。

二、壓電式計(jì)步器在奶牛檢測工作原理

壓電效應(yīng)的原理是，如果對壓電材料施加壓力，它便會產(chǎn)生電位差，及產(chǎn)生電壓。在計(jì)步的時候，金屬球在立方體內(nèi)運(yùn)動。奶牛走路時首先是向前加速運(yùn)動，加速度由小變大，然后由大變小，此時達(dá)到最大速度，之后為了平衡和結(jié)束當(dāng)前步伐，加速度又會變?yōu)榉聪颍⑶沂怯尚∽兇螅偎俣葴p到一定程度后，加速都又會由反向大逐漸變小。

當(dāng)奶牛向前加速運(yùn)動時，整個計(jì)步器也向前加速運(yùn)動，金屬球由于慣性還處于相對地面靜止?fàn)顟B(tài)，但相對于整個計(jì)步器則處于向后運(yùn)動狀態(tài)，則金屬球會撞到后面的壓電片，使得后面壓電片產(chǎn)生電壓，激活處理器記錄一次數(shù)據(jù);當(dāng)奶牛開始減速時，整個計(jì)步器也開始減速，由于慣性金屬球相對于計(jì)步器向前運(yùn)動，則金屬球會撞到前面的壓電片，使得前面壓電片產(chǎn)生電壓，激活處理器記錄一次數(shù)據(jù)。

奶牛在走路時除前后會產(chǎn)生位移外，上下也會產(chǎn)生位移，所以上下也會產(chǎn)生相對位移。通過選擇合適的金屬球使得在上下位移小于立方體內(nèi)部上下距離，使得在走路時只會產(chǎn)生下部彈片壓力，不會產(chǎn)生上部彈片壓力，只有下部彈片產(chǎn)生電壓，激活處理器記錄一次數(shù)據(jù)。通過處理三次壓電片的數(shù)據(jù)，可以確定一次精準(zhǔn)步伐。再通過判斷前后壓電片產(chǎn)生電壓的先后順序，還可以判斷奶牛是在向前運(yùn)動還是向后運(yùn)動。

現(xiàn)在的計(jì)步器省電的方式是，通過處理器平時處于睡眠狀態(tài)，定時一定時間醒來。（如50ms，每分鐘20次，任何動物一般步伐頻率不會超過20次每秒。）機(jī)械式的處理器每次醒來判斷檢測是否接觸，若接觸則記錄一步，此種方式只能測量有步伐，而不能測量其他信息。電子式的每秒醒來后記錄一個加速度值，通過幾次的加速度值，來判斷步伐信息。這兩種方式都需要處理器當(dāng)時醒來，定時器醒來時，計(jì)步器的功耗會增加很多，在不運(yùn)動時，他也不能判斷是否處于不運(yùn)動狀態(tài)，所以還是需要定時醒來，導(dǎo)致功耗會比較大。而采用壓電式的方式，在不運(yùn)動時，不會產(chǎn)生壓電電壓，從而不會喚醒處理器，所以功耗會很低。

三、壓電式計(jì)步器在養(yǎng)殖實(shí)踐應(yīng)用

在實(shí)驗(yàn)場對奶牛安裝奶牛計(jì)步器。配合相應(yīng)軟件管理系統(tǒng)就飼養(yǎng)管理因素對奶牛蹄病發(fā)病的影響進(jìn)行系統(tǒng)分析。試驗(yàn)過程中剔除蹄病外其他疾病或生產(chǎn)因素的影響。奶牛按照泌乳量和體重分群管理，并采用飼喂和飼喂監(jiān)控系統(tǒng)及自動補(bǔ)料、自動奶量統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)等牛群管理設(shè)備和軟件。牛群根據(jù)奶產(chǎn)量高、中、低進(jìn)行合理分群飼養(yǎng)。飼養(yǎng)方式為散欄式飼養(yǎng)，自由采食，逍遙運(yùn)動。

根據(jù)奶牛進(jìn)擠奶廳的擠奶時間，利用電子感應(yīng)系統(tǒng)和電腦終端每日3次采集奶牛步履數(shù)據(jù)，按天進(jìn)行匯總，統(tǒng)計(jì)和對比分析。檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)與奶牛蹄病發(fā)病的關(guān)系，四季中奶牛蹄病發(fā)病差異性顯著，春季以蹄葉炎、蹄底創(chuàng)傷、白線病、腐蹄病為主，夏季以蹄裂和腐蹄病為主，秋季以蹄底創(chuàng)傷為主，冬季以蹄葉炎和蹄底創(chuàng)傷為主。根據(jù)上述結(jié)果，在4個季節(jié)分別采取不同的綜合預(yù)防措施，通過改變環(huán)境條件和飼養(yǎng)管理方式，降低奶牛蹄病發(fā)病率。

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