基于ZigBee技術(shù)的奶?；顒?dòng)量采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹一種奶牛活動(dòng)量采集系統(tǒng)的工作原理及實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以無(wú)線射頻芯片CC2430為核心，利用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)組成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定時(shí)采集奶牛的活動(dòng)量數(shù)據(jù)，并進(jìn)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(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：奶牛活動(dòng)量；計(jì)步器；奶牛發(fā)情；ZigBee；CC2430

    對(duì)于奶牛養(yǎng)殖業(yè)，及時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別奶牛發(fā)情，適時(shí)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(jì)效益，因此，及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)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(chǎng)還采用人工觀察，依靠經(jīng)驗(yàn)判斷進(jìn)行奶牛發(fā)情識(shí)別。這種判斷方法經(jīng)常會(huì)造成漏判和錯(cuò)判，尤其是夜間更難觀察奶牛的發(fā)情行為，會(huì)時(shí)常錯(cuò)過(guò)奶牛發(fā)情期，降低經(jīng)濟(jì)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(dòng)量會(huì)增加，即奶牛運(yùn)動(dòng)的步數(shù)增加，發(fā)情母牛每小時(shí)走動(dòng)的步數(shù)大約比未發(fā)情母牛高2～4倍。基于上述原因，本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)的奶?；顒?dòng)量采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。將新興的短距離、低復(fù)雜、低功耗、低速率、低成本的ZigBee無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用于奶牛養(yǎng)殖業(yè)，完成對(duì)奶?；顒?dòng)量的準(zhǔn)確、穩(wěn)定和及時(shí)的監(jiān)測(cè)，及時(shí)判別奶牛是否發(fā)情。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    本系統(tǒng)應(yīng)用的環(huán)境為奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)，對(duì)象為奶牛，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮幾個(gè)方面：如奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)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(luò)節(jié)點(diǎn)的通信距離要長(zhǎng)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍依據(jù)養(yǎng)殖場(chǎng)的大小可擴(kuò)展，終端設(shè)備可以防水防潮防撞，同時(shí)要保證奶牛無(wú)論走到哪個(gè)位置，都處于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋下。
    ZigBee技術(shù)是一種新興的省電、可靠、時(shí)延短、安全、網(wǎng)絡(luò)容量大的無(wú)線通信技術(shù)。低功耗是ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，由于工作時(shí)間較短、收／發(fā)信息功耗低且采用休眠模式，ZigBee節(jié)點(diǎn)的電池工作時(shí)間可達(dá)6個(gè)月至2年。同時(shí)，ZigBee具有高可靠性、高度擴(kuò)充性等特性，這些特性可以滿足奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)的特殊環(huán)境需求。
    本系統(tǒng)主要由奶牛計(jì)步器(終端節(jié)點(diǎn))、路由節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)組成，奶牛活動(dòng)量采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中奶牛計(jì)步器戴在奶牛的脖子上完成步數(shù)的采集；路由節(jié)點(diǎn)布置在牛舍的頂部，將終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至中心節(jié)點(diǎn)；中心節(jié)點(diǎn)放置在牛舍旁邊的監(jiān)控中心，把接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至監(jiān)控PC機(jī)分析、顯示、存儲(chǔ)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)的2．4 GHz的RF無(wú)線電收發(fā)機(jī)，具有32／64／128 kB可編程閃存和8 kB的RAM，優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)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(diǎn)。同時(shí)CC2430芯片采用0.18μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)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(jī)模式下電流損耗低于0．6μA，適合運(yùn)用于低功耗的應(yīng)用。
    本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括奶牛計(jì)步器、路由節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，其中計(jì)步器的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。

2．1 奶牛計(jì)步器設(shè)計(jì)
    考慮到奶牛計(jì)步器應(yīng)用的特殊場(chǎng)合環(huán)境，就要求計(jì)步器要具有防水、防潮、防撞、體積小，重量輕、功耗低等特點(diǎn)，因此需要把所有的器件全密封于計(jì)步器的塑料盒內(nèi)。由于天線也密封于計(jì)步器盒內(nèi)，這將會(huì)減小節(jié)點(diǎn)間的通信距離。同時(shí)，為了降低功耗，使計(jì)步器電池工作時(shí)間盡可能長(zhǎng)，不在計(jì)步器里使用功放器件。另外，計(jì)步器佩戴在奶牛脖子上，當(dāng)奶牛臥倒時(shí)，計(jì)步器距離地面的高度降低，也會(huì)減小通信距離，在試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)計(jì)步器距離地面約1 m時(shí)，其與中心節(jié)點(diǎn)的通信距離約60 m，若將計(jì)步器放置在地面上，這個(gè)距離只能為20 m。給路由節(jié)點(diǎn)加裝功率放大器可以解決這個(gè)通信距離的問(wèn)題。
    奶牛運(yùn)動(dòng)的步數(shù)采集傳感器采用CLA-3全向微型振動(dòng)傳感器，此種傳感器具有全向檢測(cè)、靈敏度可調(diào)、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、可靠性高、全密封式封裝防水防塵等特點(diǎn)，輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)可直接與TTL電路或單片機(jī)電路接口。
    奶牛計(jì)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(diǎn)設(shè)計(jì)
    路由節(jié)點(diǎn)固定布置在牛舍的頂棚下，布置時(shí)應(yīng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的通信距離合理布置，使得每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)都處于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)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(jī)靈敏度提高+6 dB的低噪聲放大器，可使兩點(diǎn)間的通信距離達(dá)到約1 000 m，明顯地增加了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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(shí)使用，可使整個(gè)ZigBee無(wú)線系統(tǒng)在停電時(shí)正常工作。
2．3 中心節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
    中心節(jié)點(diǎn)由電源電路、備用電源、時(shí)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(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    對(duì)于計(jì)步器，當(dāng)奶牛運(yùn)動(dòng)時(shí)，CLA-3全向微型振動(dòng)傳感器會(huì)發(fā)出脈沖信號(hào)，每一個(gè)脈沖也是一個(gè)外部中斷信號(hào)，CC2430的中斷服務(wù)程序?qū)?huì)記錄外部中斷發(fā)生的次數(shù)，然后每隔1 h定時(shí)地將采集到的步數(shù)發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)。當(dāng)計(jì)步器不發(fā)送數(shù)據(jù)或沒(méi)有記錄步數(shù)時(shí)，計(jì)步器將由工作模式轉(zhuǎn)換為睡眠模式，以降低功耗。計(jì)步器每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包括奶牛的編號(hào)、當(dāng)前時(shí)段的步數(shù)和上時(shí)段的步數(shù)，在這里，發(fā)送上時(shí)段的步數(shù)是為了避免計(jì)步器在某個(gè)時(shí)段數(shù)據(jù)發(fā)送失敗或在傳送過(guò)程中數(shù)據(jù)丟失而造成的那個(gè)時(shí)段的數(shù)據(jù)遺失。
    本系統(tǒng)使用的開(kāi)發(fā)環(huán)境為L(zhǎng)AR7．20，采用的協(xié)議棧為ZigBee精簡(jiǎn)協(xié)議棧。中心節(jié)點(diǎn)用來(lái)建立網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、接收來(lái)自終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)、通過(guò)串口向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。中心節(jié)點(diǎn)和計(jì)步器軟件流程圖，如圖4所示。

    本系統(tǒng)中，上位機(jī)的軟件由NI公司的LabView來(lái)開(kāi)發(fā)，使用LabView開(kāi)發(fā)的上位機(jī)軟件運(yùn)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(shí)間、奶牛編號(hào)和步數(shù)，還以波形圖的方式顯示奶牛運(yùn)動(dòng)步數(shù)的曲線，同時(shí)，還對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。波形圖中曲線的最左端為當(dāng)前時(shí)段的步數(shù)，在奶牛編號(hào)輸入框中輸入想要查看的奶牛編號(hào)，就可以看見(jiàn)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(shí)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(yǔ)
    設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的奶?；顒?dòng)量采集系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可以完成對(duì)奶?；顒?dòng)量的無(wú)線采集，以及對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、顯示、存儲(chǔ)，及時(shí)判別奶牛是否發(fā)情。此系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本低，性價(jià)比高，適用于各個(gè)奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。