基于ZigBee技術(shù)的奶牛活動量采集系統(tǒng)設計

摘要：介紹一種奶?；顒恿?strong>采集系統(tǒng)的工作原理及實現(xiàn)設計。系統(tǒng)以無線射頻芯片CC2430為核心，利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，在奶牛養(yǎng)殖場組成一個無線網(wǎng)絡。通過該無線網(wǎng)絡定時采集奶牛的活動量數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)分析處理，以判別奶牛是否處于發(fā)情期，該系統(tǒng)具有較好的應用前景和經(jīng)濟效益。
關鍵詞：奶?；顒恿?；計步器；奶牛發(fā)情；ZigBee；CC2430

    對于奶牛養(yǎng)殖業(yè)，及時準確地識別奶牛發(fā)情，適時配種，可以提高產(chǎn)犢率和牛奶產(chǎn)量，增加奶牛養(yǎng)殖企業(yè)和奶農(nóng)的經(jīng)濟效益，因此，及時準確地檢測奶牛的發(fā)情，在奶牛養(yǎng)殖業(yè)中具有重要地位。目前大多數(shù)養(yǎng)牛場還采用人工觀察，依靠經(jīng)驗判斷進行奶牛發(fā)情識別。這種判斷方法經(jīng)常會造成漏判和錯判，尤其是夜間更難觀察奶牛的發(fā)情行為，會時常錯過奶牛發(fā)情期，降低經(jīng)濟效益，并且此種方法不適合大規(guī)模奶牛養(yǎng)殖。
    奶牛發(fā)情是周期性的，其發(fā)情期表現(xiàn)為爬跨、嗅聞、追逐、興奮不安等行為狀態(tài)，奶牛的活動量會增加，即奶牛運動的步數(shù)增加，發(fā)情母牛每小時走動的步數(shù)大約比未發(fā)情母牛高2～4倍?；谏鲜鲈?，本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)的奶?；顒恿坎杉?strong>系統(tǒng)設計方案。將新興的短距離、低復雜、低功耗、低速率、低成本的ZigBee無線通信技術(shù)應用于奶牛養(yǎng)殖業(yè)，完成對奶?；顒恿康臏蚀_、穩(wěn)定和及時的監(jiān)測，及時判別奶牛是否發(fā)情。

1 系統(tǒng)設計方案
    本系統(tǒng)應用的環(huán)境為奶牛養(yǎng)殖場，對象為奶牛，因此在設計時要考慮幾個方面：如奶牛養(yǎng)殖場的大小，牛舍環(huán)境潮濕度、奶牛間的碰撞等。由于這就要求本系統(tǒng)的網(wǎng)絡節(jié)點的通信距離要長，無線網(wǎng)絡信號覆蓋范圍依據(jù)養(yǎng)殖場的大小可擴展，終端設備可以防水防潮防撞，同時要保證奶牛無論走到哪個位置，都處于無線網(wǎng)絡信號覆蓋下。
    ZigBee技術(shù)是一種新興的省電、可靠、時延短、安全、網(wǎng)絡容量大的無線通信技術(shù)。低功耗是ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢，由于工作時間較短、收／發(fā)信息功耗低且采用休眠模式，ZigBee節(jié)點的電池工作時間可達6個月至2年。同時，ZigBee具有高可靠性、高度擴充性等特性，這些特性可以滿足奶牛養(yǎng)殖場的特殊環(huán)境需求。
    本系統(tǒng)主要由奶牛計步器(終端節(jié)點)、路由節(jié)點、中心節(jié)點組成，奶?；顒恿坎杉到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中奶牛計步器戴在奶牛的脖子上完成步數(shù)的采集；路由節(jié)點布置在牛舍的頂部，將終端節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至中心節(jié)點；中心節(jié)點放置在牛舍旁邊的監(jiān)控中心，把接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至監(jiān)控PC機分析、顯示、存儲。

2 系統(tǒng)硬件設計
    本系統(tǒng)的各個節(jié)點都采用CC2430作為處理器，CC2430芯片是支持ZigBee協(xié)議的片上系統(tǒng)(SoC)CMOS解決方案，該芯片具有高性能低功耗的8051微控制器核，集成符合IEEE802．15．4標準的2．4 GHz的RF無線電收發(fā)機，具有32／64／128 kB可編程閃存和8 kB的RAM，優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性，集成AES安全協(xié)處理器，較寬的電壓范圍(2.0～3.6 V)，較少的外圍電路等特點。同時CC2430芯片采用0.18μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時電流損耗為27mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA；在待機模式下電流損耗低于0．6μA，適合運用于低功耗的應用。
    本系統(tǒng)硬件設計包括奶牛計步器、路由節(jié)點、中心節(jié)點的設計，其中計步器的設計是關鍵。

2．1 奶牛計步器設計
    考慮到奶牛計步器應用的特殊場合環(huán)境，就要求計步器要具有防水、防潮、防撞、體積小，重量輕、功耗低等特點，因此需要把所有的器件全密封于計步器的塑料盒內(nèi)。由于天線也密封于計步器盒內(nèi)，這將會減小節(jié)點間的通信距離。同時，為了降低功耗，使計步器電池工作時間盡可能長，不在計步器里使用功放器件。另外，計步器佩戴在奶牛脖子上，當奶牛臥倒時，計步器距離地面的高度降低，也會減小通信距離，在試驗中，發(fā)現(xiàn)當計步器距離地面約1 m時，其與中心節(jié)點的通信距離約60 m，若將計步器放置在地面上，這個距離只能為20 m。給路由節(jié)點加裝功率放大器可以解決這個通信距離的問題。
    奶牛運動的步數(shù)采集傳感器采用CLA-3全向微型振動傳感器，此種傳感器具有全向檢測、靈敏度可調(diào)、抗干擾能力強、體積小、可靠性高、全密封式封裝防水防塵等特點，輸出開關信號可直接與TTL電路或單片機電路接口。
    奶牛計步器由3．6 V的電池供電，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2．2 路由節(jié)點設計
    路由節(jié)點固定布置在牛舍的頂棚下，布置時應根據(jù)節(jié)點間的通信距離合理布置，使得每個終端節(jié)點都處于ZigBee無線網(wǎng)絡信號的覆蓋范圍內(nèi)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    其中，CC2591是一款高性能、低成本的2．4 GHz射頻(RF)前端，集成了可將輸出功率提高+22 dBm的功率放大器以及可將接收機靈敏度提高+6 dB的低噪聲放大器，可使兩點間的通信距離達到約1 000 m，明顯地增加了無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍。電源電路選用市電，將220 V交流電轉(zhuǎn)換為3．6 V直流電。備用電源為3．6 V電池，在市電停電時使用，可使整個ZigBee無線系統(tǒng)在停電時正常工作。
2．3 中心節(jié)點設計
    中心節(jié)點由電源電路、備用電源、時鐘電路、天線電路和串口電路組成，也由市電供電，串口電路可將中心節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)上傳至PC機。

3 系統(tǒng)軟件設計
    對于計步器，當奶牛運動時，CLA-3全向微型振動傳感器會發(fā)出脈沖信號，每一個脈沖也是一個外部中斷信號，CC2430的中斷服務程序?qū)涗浲獠恐袛喟l(fā)生的次數(shù)，然后每隔1 h定時地將采集到的步數(shù)發(fā)送給中心節(jié)點。當計步器不發(fā)送數(shù)據(jù)或沒有記錄步數(shù)時，計步器將由工作模式轉(zhuǎn)換為睡眠模式，以降低功耗。計步器每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包括奶牛的編號、當前時段的步數(shù)和上時段的步數(shù)，在這里，發(fā)送上時段的步數(shù)是為了避免計步器在某個時段數(shù)據(jù)發(fā)送失敗或在傳送過程中數(shù)據(jù)丟失而造成的那個時段的數(shù)據(jù)遺失。
    本系統(tǒng)使用的開發(fā)環(huán)境為LAR7．20，采用的協(xié)議棧為ZigBee精簡協(xié)議棧。中心節(jié)點用來建立網(wǎng)絡、管理網(wǎng)絡節(jié)點、接收來自終端節(jié)點的數(shù)據(jù)、通過串口向PC機發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。中心節(jié)點和計步器軟件流程圖，如圖4所示。

    本系統(tǒng)中，上位機的軟件由NI公司的LabView來開發(fā)，使用LabView開發(fā)的上位機軟件運行界面如圖5所示。

    從圖5中可以看到，軟件不僅以文本的方式顯示了時間、奶牛編號和步數(shù)，還以波形圖的方式顯示奶牛運動步數(shù)的曲線，同時，還對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲。波形圖中曲線的最左端為當前時段的步數(shù)，在奶牛編號輸入框中輸入想要查看的奶牛編號，就可以看見該奶牛的步數(shù)歷史曲線及變化情況。若奶牛的步數(shù)曲線呈現(xiàn)上升，上升到較高的位置并持續(xù)一段時間，則可以判定奶牛處于發(fā)情狀態(tài)。若奶牛的步數(shù)曲線一
直都很低，則要注意此頭奶牛是否生病了。

4 結(jié)束語
    設計的基于ZigBee技術(shù)的奶?；顒恿?strong>采集系統(tǒng)，經(jīng)過實驗測試，可以完成對奶牛活動量的無線采集，以及對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理、顯示、存儲，及時判別奶牛是否發(fā)情。此系統(tǒng)開發(fā)成本低，性價比高，適用于各個奶牛養(yǎng)殖場，具有較好的經(jīng)濟效益和應用前景。