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奶牛行为信息智能监测系统研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-06-15  浏览次数:315
  摘要:发情鉴定是奶牛生产的关键环节,针对国内发情鉴定方法和研发设备自身的不足,设计了一种基于无线传感技术的奶牛行为信息智能监测系统,对其系统结构、功能及相对优势进行了介绍。结果表明,该系统不仅可以准确判断奶牛发情期,经适当改进后还可以实现对更多动物的体征进行监测。
  关键词:奶牛;发情;无线传感;智能监测
  中图分类号:TP273+.5 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2015)06-1499-03
  DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.06.056
  Abstract: Monitoring oestrus of cow is very important during the cow production. In terms of deficient methods and equipment developed to monitor oestrus of cow at present, a system based on wireless sensing technology was proposed. It was able to intelligently monitor the behavior information of cow. The structure, function and relative dominance of system was introduced completely. The system can be used to judge the cow oestrus and monitor more animal physical sign reliably after being appropriately improved.
  Key words: cow; oestrus; wireless sensing; intelligent monitor
  产奶量充足可使养殖奶牛获得最大的经济效益,而发情鉴定是奶牛生产的关键环节[1-4]。目前我国绝大多数养殖场仍以人工观察、经验判断的方式进行奶牛发情识别,但其不仅费时费力,还易发生误判与漏检情况。一些大型养殖企业引入部分国外先进的监测技术,但受其管理模式落后、技术改进困难、售后服务价格高昂等因素影响,不适合在中小型奶牛养殖企业中普及。近几年,研究者围绕奶牛发情期监测方法进行研究,但研发的监测器普遍存在功耗高、重量偏大等不足[5-9]。因此,本研究综合计算机、通信、测控等技术,设计了奶牛行为智能监测系统,可准确采集、记录、显示和分析现场奶牛个体的身体物理参数,为后期及时、准确判断奶牛的发情期等提供科学依据。
  1 系统设计方案
  发情期的奶牛常表现为运动步数增加、体温上升等[3,6],结合相关参数的日常变化规律可提高奶牛发情判断的准确性。此外,系统的应用环境为养殖场,使用对象是奶牛,因此在设计中考虑到以下几点:①采用无线传感技术,解决养殖场不易布线问题,并且不干扰奶牛正常生活;②选用微处理器内核与射频收发器紧密集成的芯片,建立了周期性睡眠与唤醒循环机制,用于解决以往系统功耗高及重量大等不足;③融合体温采集模块与活动量监测模块获取的信息,实现奶牛活动状态的准确判断。
  整体系统主要由监测仪(下位机)、数据集中器和PC服务器(上位机)组成(图1)。其中,监测仪负责奶牛个体的识别和个体数据的采集与存储,通过无线射频方式与数据集中器实现通信;数据集中器通过RS232/USB串口与后台服务器连接,整个系统采用主从多机通信方式;用户通过PC服务平台的简单操作实现对奶牛个体信息的查询、浏览和分析。
  2 智能监测系统功能的实现
  2.1 监测仪的组成
  监测仪采用模块化设计,主要由微控制器、活动状态采集模块、体温采集模块、电池低电量监测模块和电源模块组成。监测仪原理组成框图如图2所示,实际电路板如图3所示。
  2.1.1 微控制器 选用TI(美国德州仪器公司)公司生产的CC430F5135型芯片作为控制核心,其集成了微处理器内核、外设、软件和射频收发器紧密,大大简化了系统的设计,可使用1 GHz以下频段,具有高灵敏度、低电流消耗、高传输速率、功耗超低等特性。其外围电路如图4所示,充分利用了I/O接口,使用MOSFET控制方案定时检测电池电压,有效地降低了损耗,提高了可靠性。
  2.1.2 体温采集模块 选用一线式数字输出温度传感器DS18B20(美国Dallas公司)[10],其管芯内集成了温敏元件、数据转换芯片、存储器芯片和计算机接口芯片等多功能模块,可直接输出二进制温敏信号。该传感器与微控制器仅需要一条总线连接,采用外部电源供电模式简化了软件操作,提高了供电的驱动能力。
  微控制器经单线接口访问DS18B20的工作流程为:对DS18B20进行初始化,发出ROM操作指令,存储器(包括RAM和E2RAM)操作指令、处理数据。主CPU对ROM操作完毕,即发出控制指令,使DS18B20完成温度测量,并将结果存入高速暂存器中,最后读取结果。
  2.1.3 活动状态采集模块 将奶牛运动的加速度作为判断其活动状态的依据。选用飞思卡尔半导体生产的MMA7660FC,它是一个三轴数字输出I2C的加速度计,功耗超低。通过配置相应的寄存器可使其工作于3种不同模式:方向检测、振动检测和敲击检测。该系统选用敲击检测模式进行大动作检测,并通过连续两次判断动作是否超过设定阈值,减少误判,提高可靠性。为了估计奶牛位姿,增加了方向检测、记录身体方位的功能;为了降低工作能耗,使用了自动唤醒/自动睡眠模式。
  2.1.4 电源模块 为了提高微控制器、温度传感器、三轴加速度计的工作稳定性,选用了TI公司生产的低压差线性稳压器TPS79333,具有超低噪声、快启动、高稳定等特点,外部连接只需3个电容。
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