基于物聯網技術的奶牛瘤胃pH值和溫度監測系統研究

趙繼政 莊蒲寧 石富磊 陸 成 董正奇

(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)

0 引言

畜牧業是農業的重要組成部分，是國民經濟的基礎性產業[1]。近年來，我國奶牛養殖產業規模化程度不斷加深[2]。在規模化養殖中，飼養員難以實現對每頭奶牛健康狀況進行精細化監管，如果奶牛體征異常發現不及時，容易產生較大經濟損失[3]。因此，奶牛健康狀況的自動監測是提升奶牛養殖管理水平的關鍵手段。

瘤胃是奶牛前消化系統的重要組成部分。瘤胃pH值和溫度是瘤胃功能正常與否的重要指標[4]。在規模化奶牛養殖中，為提高牛奶產量，飼喂過程中大量添加高淀粉、高蛋白質、低纖維的精飼料[5]。精飼料發酵過程中，產生大量揮發性脂肪酸，引起奶牛瘤胃pH值降低[6]。當瘤胃pH值低于5.0時，奶牛發生急性瘤胃酸中毒，臨床癥狀明顯[7]。當瘤胃pH值低于5.6且每天持續時間超過3 h[8]或低于5.8超過5～6 h[9]時，奶牛將發生亞急性瘤胃酸中毒(Subacute ruminal acidosis, SARA)。規模化養殖場中，SARA發病率較高[10-11]。SARA的早期臨床癥狀不明顯，難以發現。后期不僅會影響奶牛的采食量和產奶量，而且會誘發瘤胃炎、跛行、肝臟膿腫、腹瀉等疾病，增加奶牛的淘汰率，降低養殖收益[12-13]。研究表明瘤胃溫度和奶牛體溫存在顯著相關[14]，而體溫是奶牛健康狀況的直接生理指標。因此，監測奶牛瘤胃pH值和溫度可為精準飼喂和管理提供直接的參考依據。

傳統瘤胃pH值測定方法有瘤胃穿刺法[15]、口腔胃管法[16]和瘤胃瘺管取樣法[17-18]。體溫測量主要使用溫度計測定直腸溫度。傳統檢測主要依賴人工開展，費工費時，不能滿足規模化奶牛養殖普遍、精準測量的需求[19]。目前，國外多項研究機構和公司開發了瘤胃pH值和溫度連續監測的設備。

早期產品采用有線裝置連續測量瘤胃pH值[20]。隨后，PENNER等[21]設計了留置式瘤胃pH值和溫度測量設備。在測量完成后，取出設備，再連接計算機讀取數據。之后，MOTTRAM等[22]設計了一種無線瘤胃pH值連續監測設備，可連續監測35 d以上，該設備無線信號傳輸可靠性需要進一步提高。SATO等[23]設計的無線瘤胃pH值測量系統，測量誤差在±0.2內。在瘤胃溫度測量方面，KIM等[24]連續監測瘤胃溫度，用于奶牛乳腺炎的早期發現。TIMSIT等[25]開發了瘤胃溫度傳感器，以檢測犢牛的呼吸系統疾病。國內研究對瘤胃pH值和溫度監測設備的研發做了初步探索。文獻[26]設計了連續檢測反芻動物瘤胃液pH值的有線設備。該設備需要奶牛在固定位置，限制了奶牛的自由活動。目前，在無線瘤胃pH值和溫度實時監測系統研發方面，國內尚無商用產品。

本文針對傳統檢測方法存在的不足，設計一種基于物聯網技術的奶牛瘤胃pH值和溫度監測系統。該系統的pH值和溫度檢測單元長期放置在奶牛瘤胃內，通過無線通信方式將數據傳輸至云平臺進行數據存儲和管理，實現瘤胃pH值和溫度的連續監測，為奶牛健康監測和精準飼喂提供參考。

1 系統總體設計

圖1 瘤胃pH值和溫度監測系統結構框圖Fig.1 Structure diagram of rumen pH value and temperature monitoring system

奶牛瘤胃pH值和溫度監測系統需要實現對瘤胃pH值和溫度的連續檢測、數據無線傳輸、云端數據存儲顯示等功能。系統結構框圖如圖1所示，主要包括瘤胃pH值和溫度檢測單元、無線數據傳輸網絡(包括項圈中繼節點和數據集中器)、數據存儲和管理云平臺。具體工作過程如下：檢測單元獲取瘤胃pH值和溫度后，通過315 MHz無線信號將數據傳輸至項圈中繼節點。項圈中繼節點通過TI-15.4協議進行無線組網，數據集中器匯集各項圈節點數據。物聯網網關通過串口接收集中器匯集的數據，然后，通過4G網絡按照MQTT協議將數據傳輸至阿里云平臺。云平臺將數據解析后，實現網絡端實時可視化顯示。

2 系統軟硬件設計

2.1 瘤胃pH值和溫度檢測單元設計

檢測單元包括信號檢測、控制和數據存儲、無線數據傳輸和電源模塊。其中，信號檢測模塊包括pH值復合電極、Pt1000鉑電阻、信號緩沖和轉換電路。電路采用3.6 V鋰電池進行供電。硬件組成框圖如圖2所示。

圖2 瘤胃pH值和溫度檢測單元硬件組成框圖Fig.2 Hardware diagram of rumen pH value and temperature measurement unit

2.1.1瘤胃pH值測量原理

瘤胃pH值檢測采用電位測量法，pH值復合電極由氫離子敏感玻璃電極和參比電極組成，通過測量兩個電極之間的電壓計算pH值。電極電壓遵循能斯特方程[27-28]

(1)

式中Ex——測量電位,V

E0——標準電極電位,V

T——熱力學溫度,K

R——氣體常數,8.314 J/(K·mol)

F——法拉第常數,9.649×104C/mol

pHx——待測溶液pH值

pHs——標準pH值

標準pH值為7時，標準電極電位為0 mV。

瘤胃pH值測量電路選用上海三信LabSen331 pH值復合電極。該電極采用預加壓聚合物參比系統，無需添加電解液，測量時對放置方向沒有要求。同時，電極采用開放式隔膜設計，可以避免堵塞問題。pH值測量范圍為0～14。

2.1.2溫度測量原理

溫度傳感器采用兩線制Pt1000鉑電阻，用于瘤胃的溫度測量和pH值測量的溫度補償。Pt1000鉑電阻對導線電阻不敏感，且在本設計中與測量電路間直接相連，導線電阻引入的誤差可以忽略。

Pt1000鉑電阻的電阻與溫度的換算公式[29]為

Rt=R0(1+At+Bt2)

(2)

其中

A=3.908 3×10-3℃-1

B=-5.775×10-7℃-2

式中t——溫度,℃

A、B——IEC751國際標準系數

Rt——溫度為t時鉑電阻的電阻，Ω

R0——0℃時鉑電阻的電阻，為1 000 Ω

選用A級Pt1000鉑電阻，其允許的溫度誤差為±(0.15+0.002|t|)，|t|表示溫度的絕對值[30]。

2.1.3數據采集電路設計

LabSen331 pH值復合電極內阻典型范圍為107～108Ω，要求測量電路具有足夠高的輸入阻抗。本設計選用ADI公司的AD8603作為電壓跟隨器對pH值復合電極輸出電壓進行緩沖。AD8603最大輸入偏置電流為1 pA。以LabSen331最大內阻108Ω計算，產生最大誤差為0.1 mV。信號采集電路原理圖如圖3a所示。

圖3 檢測電路原理圖Fig.3 Schematic of signal acquisition

模數轉換器選用ADI公司的AD7792。AD7792具有SPI接口、16位有效分辨率、3通道差分模擬輸入和兩個內置電流源。本設計中，通道1用于檢測Pt1000鉑電阻產生的電壓，通道2用于檢測pH值復合電極產生的電壓。AD7792內置電流源2輸出210 μA激勵電流流入Pt1000和2 kΩ(±0.05%)電阻組成的串聯組合，在2 kΩ精密電阻兩端產生420 mV的電壓作為AD7792的基準電壓。AD7792工作模式下電流為130 μA，省電模式下電流為1 μA，符合電路低功耗設計需求。A/D轉換電路原理圖如圖3b所示。

考慮到實際應用，pH值檢測范圍設置為4～10，根據式(1)可知，pH值電極會產生±177 mV的電壓。pH值分辨率0.01，對應電壓約為0.6 mV。溫度檢測時，Pt1000鉑電阻在210 μA激勵電流下，0.05℃溫度變化產生的電壓約為0.04 mV。AD7792可分辨0.013 mV電壓，AD7792分辨率能夠達到要求。

2.1.4主控電路和數據存儲電路設計

控制和數據存儲電路原理圖如圖4所示。為減小電路功耗，微控制器(Microcontroller unit, MCU)選用意法半導體的STM8L151。該芯片基于8位STM8內核，采用超低漏電流工藝，能夠有效降低功耗。在本設計中，STM8L151在工作模式和使用實時時鐘(Real-time clock, RTC)喚醒的休眠模式之間切換。在休眠模式，電流為1.4 μA。

考慮到瘤胃pH值和溫度檢測單元需要密封，本設計采用低功耗霍爾元件CC6203實現非接觸式電路控制。

為實現數據的長期存儲，本設計采用Atmel公司的AT24C512作為數據存儲芯片，通過I2C總線與MCU通信。該芯片可存儲64 KB數據。實際工作中，按照每10 min采樣一次、每次存儲4字節的數據計算，AT24C512芯片可存儲111 d數據。

2.1.5無線傳輸電路設計

無線傳輸電路采用TI公司的CC1101作為射頻芯片，具有低成本、高靈敏度和低功耗的特點，其休眠電流為0.2 μA，CC1101通過SPI串行接口與STM8L151連接。由于低頻段信號能夠較好從動物體內穿透[31]，CC1101頻率設定為315 MHz，調制方式為GFSK，信道間隔為200 kHz，數據速率為1.2 kb/s，輸出功率為10 dBm。其接收靈敏度為-109 dBm。

2.1.6瘤胃pH值和溫度檢測單元結構設計

瘤胃pH值和溫度檢測單元3D結構圖和實物如圖5所示。其中，pH值電極直徑12 mm、長度160 mm。檢測單元上殼頂部壁厚7 mm。為保護pH值電極，下殼底距pH值電極敏感頭6 mm。設計裝配余量2 mm，結合pH值電極長度，檢測單元封裝后長175 mm。設計選用14505型3.6 V鋰電池，該電池直徑14.5 mm，長度50.5 mm。電路板尺寸為20 mm×40 mm。為防止檢測單元pH值電極附近的瘤胃內容物積聚，pH值電極軸線距檢測單元下殼內壁10 mm。下殼內徑設計為32 mm，上殼內徑設計為35 mm，檢測單元上下殼之間通過螺紋連接，螺紋為M38。外殼最薄處壁厚設計為5 mm，封裝后外殼直徑45 mm。在檢測單元前端增加SU304不銹鋼配重。該配重直徑30 mm，高15 mm，質量為60 g。最終，檢測單元總體質量為260 g，密度為1.05 g/cm3。檢測單元下殼側邊開孔避免在pH值電極敏感頭處形成氣體空腔造成敏感頭和液絡部無法接觸瘤胃液。外殼采用尼龍材料制造，滿足無毒、無味、強度高、耐腐蝕的要求。

圖5 瘤胃pH值和溫度檢測單元Fig.5 Rumen pH value and temperature measurement unit1.上殼 2.pH值復合電極 3.鋰電池 4.電路板 5.Pt1000鉑電阻 6.配重塊 7.下殼

2.1.7瘤胃pH值和溫度檢測單元程序設計

瘤胃pH值和溫度檢測單元具備待機、校準、數據采集與傳輸和歷史數據傳輸4種模式。程序框圖如圖6所示。

圖6 瘤胃pH值和溫度檢測單元程序框圖Fig.6 Software flow diagram of rumen pH value and temperature measurement unit

程序初始化完成后，檢測單元開啟外部中斷進入休眠。使用磁鐵接近檢測單元的霍爾傳感器，觸發外部中斷，程序進行工作模式判斷。當霍爾傳感器持續觸發5 s后，檢測單元進入校準模式，分別插入到pH值為4.00、6.86和9.18的標準緩沖液進行校準。完成后，如果10 s內無操作重新進入待機模式。如果10 s內再次觸發霍爾傳感器(時間小于3 s)，程序進入數據采集和傳輸模式。檢測單元檢測間隔時間可以預先設定。在完成數據采集與傳輸后，程序進入休眠。程序按照檢測間隔時間進行定時，利用RTC定時中斷觸發新一次的數據采集與傳輸。在任何模式下，如果連續觸發霍爾傳感器15 s以上，檢測單元進入歷史數據傳輸程序，可以一次讀取AT24C512芯片的所有數據。

2.2 無線傳輸網絡設計

2.2.1無線傳輸網絡硬件設計

無線傳輸網絡包括項圈中繼節點和數據集中器兩部分。項圈中繼節點在降低瘤胃pH值檢測單元功耗的同時實現數據遠距離傳輸。數據集中器負責建立和維護無線傳輸網絡。無線傳輸網絡采用Sub-1GHz頻段進行組網。本設計選用基于IEEE802.15.4協議的TI-15.4協議組建無線傳輸網絡。

項圈中繼節點和數據集中器主芯片均采用TI公司的CC1310。芯片內部集成了超低功耗射頻收發器與48 MHz Cortex-M3微控制器。在本設計中，CC1310無線傳輸頻率設定為433 MHz，傳輸速率為50 kb/s，輸出功率為14 dBm，接收靈敏度為-110 dBm。項圈中繼節點和數據集中器實物如圖7所示。

圖7 項圈中繼節點和數據集中器實物圖Fig.7 Collar node and data collector

2.2.2無線傳輸網絡程序設計

本設計在TI-15.4協議棧程序的基礎上增加瘤胃數據采集程序，實現多頭奶牛的實時監測。TI-15.4協議使用星型拓撲結構，支持信標模式、非信標模式以及跳頻3種網絡通信模式。本設計中，無線傳輸網絡使用非信標模式。數據集中器在初始化完成后，首先進行能量掃描，確定干擾最小的信道。然后，掃描該區域已有網絡，選擇合適的網絡參數建立網絡。項圈中繼節點在初始化完成后廣播信標，數據集中器響應信標后，項圈中繼節點加入網絡。項圈中繼節點數據傳輸狀態完成后，進入休眠以降低功耗。在接收到瘤胃pH值和溫度檢測單元上傳的數據后，對數據進行處理，并通過無線傳輸網絡上傳到數據集中器。數據集中器始終打開，不發送周期性信標，實時偵聽來自項圈中繼節點的信號。數據集中器收集各項圈中繼節點數據后，通過串口通信發送給物聯網網關。無線傳輸網絡程序框圖如圖8所示。

圖8 無線傳輸網絡程序框圖Fig.8 Software flow diagram of wireless transmission network

2.3 物聯網網關和顯示界面設計

本設計采用阿里云作為云端數據的存儲處理中心。本地物聯網網關程序運行在Ubuntu 16.04主機上，接收到數據集中器傳輸的數據后，對數據進行處理，通過4G網絡以MQTT協議將數據包發送給云平臺。顯示界面使用IoT Studio可視化開發工具進行設計。云平臺根據數據包中的設備憑證解析數據包并建立實際設備和虛擬設備的連接。工作人員通過顯示界面實現實時數據、歷史記錄查詢等數據的分析工作。云平臺實時顯示界面如圖9所示，主要有4部分：登錄界面、設備管理、實時數據顯示和歷史數據查詢。

2005—2015年，我國廢水排放量由524.50億t/年增至735.30億t/年，復合增長率達3.44%。

圖9 云平臺實時顯示界面Fig.9 Interface of cloud platform real-time monitoring

3 系統測試

3.1 pH值測量準確性試驗

在實驗室環境下，以校準后的標準pH計(上海三信儀表廠，SX811-WW型，±0.01)測量溶液的pH值為真實值，在pH值4～10范圍內配制10種不同pH值溶液。首先將盛有溶液的燒杯放置到恒溫水浴鍋中，溫度設定為39℃。瘤胃pH值和溫度檢測單元校準后，將檢測單元和標準pH計同時插入燒杯中，pH計讀數在10 min內不發生變化，記錄此次測量結果。

試驗對3個檢測單元分別進行測試。pH值真實值與檢測單元測量值的對比結果如表1所示。測量結果顯示檢測單元的pH值測量絕對誤差為±0.02，且一致性良好。

3.2 溫度測量準確性試驗

為驗證溫度測量準確性，選用精密直流電阻箱(上海正陽儀表廠，ZX76P型，±0.01%)作為Pt1000的等效電阻。奶牛瘤胃內正常溫度在39℃左右，奶牛飲用冷水后，瘤胃內溫度會下降到30℃左右，在一段時間后恢復到正常水平[32]。故測試范圍設定在25～50℃。根據Pt1000鉑電阻溫度、電阻對照表，在測試范圍內每隔5℃設定電阻箱電阻。

測試結果如表2所示，設計測溫電路的測量誤差為±0.05℃。在測溫范圍內，將以上試驗測量結果與Pt1000鉑電阻的允許溫度誤差相加，測溫精度在±0.3℃以內。

表1 pH值測量準確性試驗結果Tab.1 Results of pH value measurement accuracy

表2 溫度測量準確性試驗結果Tab.2 Result of temperature measurement accuracy

3.3 瘤胃pH值和溫度檢測單元功耗試驗

瘤胃pH值和溫度檢測單元需要長期留置在奶牛瘤胃內，功耗對檢測單元的工作壽命具有重要的影響。工作狀態電流使用低功耗分析儀(是德科技有限公司，N6705C型)測量。低功耗分析儀通過USB數據線連接計算機，采樣間隔設置為1 ms，使用14585A控制和分析軟件記錄并導出數據。

檢測單元定時喚醒，測量pH值和溫度，并完成無線數據傳輸。工作模式共持續1 650 ms。通過計算，工作模式平均電流為7.4 mA。使用福祿克15B+型萬用表測得休眠模式電流平均值為20 μA。檢測單元檢測時間間隔為10 min時，計算可得平均電流值為0.040 3 mA。鋰電池容量為2 200 mA·h，鑒于瘤胃環境溫度為39℃左右，電池容量按照標稱容量的80%計算，電池使用壽命可達1 800 d。

3.4 無線傳輸網絡可靠性試驗

將數據集中器連接XDS110仿真器，XDS110通過USB數據線連接計算機，天線固定在牛舍內。打開Smart RF Studio7頻率設置為433 MHz，傳輸速率50 kb/s，輸出功率14 dBm。移動項圈節點在牛舍30～240 m范圍內每隔50 m項圈節點發送1 000個數據包，測試丟包率。由表3可以看出，通信距離在180 m以內能夠可靠通信，滿足實際需求。

表3 無線傳輸網絡丟包率Tab.3 Packet loss rate of wireless network

3.5 現場試驗

3.5.1試驗方案

現場試驗在西北農林科技大學畜牧教學試驗基地進行。試驗選擇1頭體質量為600 kg、裝有瘤胃瘺管的泌乳期荷斯坦奶牛為試驗動物。該奶牛每天于07:00和19:30飼喂，全天自由飲水。圖10為奶牛佩戴項圈中繼節點以及瘤胃pH值和溫度檢測單元放置圖。數據集中器和物聯網網關布置在50 m外的牛場辦公室。

圖10 現場試驗部署Fig.10 Field test deployment diagrams

試驗于2021年7月26日19:00開始，共5 d。試驗開始前，對瘤胃pH值和溫度檢測單元進行校準。設定檢測時間間隔為10 min。通過瘺管將檢測單元放置到瘤胃下部。試驗期間，每次人工抽取靠近檢測單元的瘤胃液100 mL，使用SX-811WW型便攜式pH計測定瘤胃液樣品。試驗前3 d分別在09:50和18:30進行人工采樣。試驗后2 d分別在09:50、15:00和18:30采樣。

3.5.2試驗結果

圖11給出了瘤胃pH值和溫度變化曲線。表4給出了人工測定的pH值與監測系統記錄的pH值。結果顯示，瘤胃液人工測定pH值與實時監測系統記錄值平均絕對偏差為0.10，最大絕對偏差為0.20。皮爾遜相關性分析顯示兩種測量方法顯著正相關(r=0.961,P<0.05)。

圖11 監測系統記錄和人工測量pH值Fig.11 Records of monitoring system and manual pH value measurement

表4 瘤胃pH值測定結果Tab.4 Result of rumen pH value test

人工測定瘤胃液pH值均高于監測系統記錄值。國內外研究報道，人工測定瘤胃液pH值會高于實時監測系統測量值0.10左右，這是由于從瘤胃中抽取瘤胃液進行測定時，瘤胃液CO2或揮發性脂肪酸揮發，使得瘤胃液樣品測定值比實時監測系統測量值高[33-34]。本試驗結果和上述研究結果相同。盡管本文未對瘤胃pH值和溫度進行聯合分析，但是基于已有研究[35]，后續可以綜合瘤胃pH值和溫度變化對奶牛瘤胃健康水平和飼料配方是否合理提供更加準確的參考。

4 結論

(1)基于物聯網技術設計了一種瘤胃pH值和溫度監測系統，實現了對奶牛瘤胃pH值和溫度動態監測。

(2)對系統性能進行了測試，結果表明，瘤胃檢測單元pH值測量絕對誤差為±0.02，溫度測量絕對誤差為±0.3℃，采樣間隔時間設定為10 min時，電池使用壽命可達1 800 d。無線傳輸網絡可在180 m內可靠傳輸，并實現了自組網。

(3)現場試驗結果表明，本文設計的瘤胃pH值和溫度監測系統能夠有效監測瘤胃pH值和溫度的動態變化，為奶牛瘤胃酸中毒的診斷和精準飼喂提供參考。