基于物联网和云端的奶牛发情体征监测系统设计

刘忠超，范伟强，董亚朋，等．基于物联网和云端的奶牛发情体征监测系统设计［Ｊ］．江苏农业科学，２０１８，４６（１５）：１６２－１６５．ｄｏｉ：１０．１５８８９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－１３０２．２０１８．１５．０４４

基于物联网和云端的奶牛发情体征监测系统设计

，２

刘忠超１，范伟强３，董亚朋１，何东健２

（１．南阳理工学院电子与电气工程学院，河南南阳４７３００４；２．西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌７１２１００；

３．中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京１０００８３）

　　摘要：在奶牛养殖和管理中，及时准确地识别奶牛发情非常重要，而奶牛体温、运动量能够直接反映奶牛的发情状ＬＸ９０６１４ＥＳＦ非接触式红外温度传感器和ＡＤＸＬ３４５三况，因此实时监测获取奶牛的发情体征具有重要意义。借助Ｍ轴加速度计，分别采集奶牛体温和运动量，通过ＴＩ公司的ＣＣ２５３０芯片处理后，由ＺｉｇＢｅｅ网络将发情体征数据无线发送；并由ＣＣ２５３０和ＳＴＭ３２单片机组成的协调器完成数据的无线接收和处理。同时基于ＲＳ－４８５总线和Ｍｏｄｂｕｓ通信ｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ２０１３软件开发了奶牛发情监测系统，完成了协议完成了奶牛发情体征数据的远距离上位机传输。利用Ｖ

奶牛体温、运动量的实时监测、保存和历史数据查询，并基于ＨＴＴＰ协议实现了奶牛发情体征数据到云服务器Ｙｅｅｌｉｎｋ平台的上传。通过实际调试，该系统实现了奶牛体温和运动量的上位机以及远程云端监测，既节约人力资源，又能实时掌控、预测奶牛的发情和健康状况。

　　关键词：奶牛发情；ＺｉｇＢｅｅ；云服务平台；智能牧场；远程监测

＋

　　中图分类号：Ｓ８１８．５；ＴＰ２７３．５　　文献标志码：Ａ　　文章编号：１００２－１３０２（２０１８）１５－０１６２－０４

　　奶牛作为人类食物供应链的重要来源之一，养殖成本高，技术复杂。“十五”以来，我国奶牛养殖业发展迅速，奶牛养殖规模化进程日益加速，安全、高产、高效成为奶牛养殖的目标，这必然对牧场科学生产和高效管理等方面提出更高要求。在逐步向现代精准养殖生产方式转变过程中，奶牛的发情状况倍受关注，发情监测在牛群繁殖管理中具有重要地位，及时发现奶牛发情有利于奶牛的及时受孕、产犊并提高泌

１］

。乳期［

ＳＴＭ３２主控中心、数据传输部分、上位机ＰＣ体征采集部分、

监测系统和云服务器平台构成。发情体征采集部分主要由ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络构成，该无线传感器网络由带ＺｉｇＢｅｅ

４］

路由器的终端节点和协调器节点组成［。其中终端节点由

非接触式温度传感器、三轴加速度计和ＺｉｇＢｅｅ无线模块组成，主要实现奶牛发情体征数据的采集，采集好的数据通过无线网络传送给协调器节点，协调器节点再将收到的多头奶牛ＴＭ３２主控中心。主控中心主发送来的数据整理后传送至Ｓ

要实现对协调器传送来的数据进行初步处理封装，最终通过ＲＳ－４８５总线传输到上位机ＰＣ监测系统。同时在上位机ＰＣ监测系统将发情体征数据传输至云服务器平台，可以通过网络随时随地实时监测奶牛发情体征参数。

奶牛发情状态通常会由各项生理参数反映，其中最具有代表性的生理体征参数是体温和运动量。在我国大部分奶牛场，奶牛发情是靠奶牛饲养管理员观察发现，再依靠经验进行判断。单靠管理人员观察及时发现奶牛发情非常困难，这种判断方法仅适用于小规模的奶牛养殖，不适合较大规模、集约

２］

化的奶牛场［。因此把信息技术引入奶牛养殖，用电子传感

器监测奶牛的发情体征，采集、记录现场奶牛个体的发情体征（体温、活动量），准确判断奶牛发情时间，充分发挥良种奶牛的繁殖潜力，已经成为提升我国奶业综合生产能力、提高牛奶

３］

。本研究基于ＺｉｇＢｅｅ技术、无线质量安全水平的重要手段［

传感器网络（ＷＳＮ）和嵌入式技术，构建基于物联网和云端的低成本奶牛发情体征监测系统，旨在为帮助养殖人员及时掌握奶牛的发情和健康状况提供依据。１　系统结构与功能

奶牛发情监测系统结构如图１所示。该系统主要由发情

收稿日期：２０１７－０６－２５

基金项目：国家重点研发计划（编号：２０１７ＹＦＤ０７０１６００）。

１９７９—），河南南阳人，博士，副教授，主要从事畜牧作者简介：刘忠超（业智能化检测与控制研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｚｈｏｎｇｃｈａｏ２００８＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ。通信作者：何东健，教授，博士生导师，主要从事图像分析及机器视觉、智能化检测与控制等研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｄｊ１６８＠ｎｗｓｕａｆ．ｅｄｕ．ｃｎ。

２　系统硬件设计

２．１　发情体征采集节点硬件设计

奶牛发情体征采集节点硬件主要由奶牛体温采集、奶牛运动量采集、２．４Ｇ无线发送和采集节点供电４个部分组成，其硬件结构如图２所示。

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２

ＡＤＸＬ３４５三轴加速度计采用ＳＰＩ总线或者ＩＣ总线接口与外８］界设备通信，以１６位二进制补码的格式输出数据［。在２ＤＡＴＡ＿ＦＯＲＭＡＴ寄存器（地址０ｘ３１）中配置选用ＩＣ总线或２ＳＰＩ总线。ＡＤＸＬ３４５三轴加速度计采用ＩＣ总线与ＣＣ２５３０

芯片通信，ＡＤＸＬ３４５三轴加速度计的ＣＳ引脚拉高至供电电

２压，ＡＤＸＬ３４５处于ＩＣ通信模式，使用采集节点ＣＣ２５３０的２Ｐ０＿０、Ｐ０＿２模拟ＩＣ总线读取加速度数据。加速度计与

ＺｉｇＢｅｅ接线如图４所示。

２．１．１　无线模块　ＺｉｇＢｅｅ是基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４通信协议的局域无线网络通信技术，功耗和成本较低，数据传输速率为０～２５０ｋＢ／ｓ。ＣＣ２５３０Ｆ２５６芯片是ＴＩ公司基于２．４Ｇ无线局域网络收发的ＺｉｇＢｅｅ产品。ＣＣ２５３０Ｆ２５６芯片完全兼容ＩＥＥＥ内置ＩＲ发生电路，有超低功耗的特８０２．１５．４无线通信协议，

５］

点，内置增强型ＭＣＳ－８０５１内核［。选用ＣＣ２５３０Ｆ２５６作为

ＺｉｇＢｅｅ网络节点的核心处理器，可以提高系统的可靠性并降低节点功耗。

２．１．２　体温采集模块　非接触式测温通过监测物体表面发射的能量测定物体温度。与奶牛传统直肠测温相比，红外非接触式测温技术具有速度快、测温范围宽、不受时间等优

６－７］

。采用ＭＬＸ９０６１４ＥＳＦ非接触式温度传感器来采集奶势［

牛体温，不需要直接接触奶牛，通过该温度传感器可以得到与奶牛体温正相关的电压信号，经过量程转换，得到实际温度值。对外兼容两线制ＳＭＢｕｓ数字接口和客户自行定制的１０位ＰＷＭ数据连续读取接口。因为ＣＣ２５３０不支持硬件ＳＭＢｕｓ总线，所以采用ＣＣ２５３０的Ｐ１＿０和Ｐ１＿２普通Ｉ／Ｏ口通过软件模拟ＳＭＢｕｓ总线协议，实现ＺｉｇＢｅｅ读取温度传感器采集的温度值。温度传感器与ＺｉｇＢｅｅ接线如图３所示。２．１．３　运动量采集模块　ＡＤＸＬ３４５三轴加速度计传感器内置测量范围高达±１６ｇ的高精度运动传感器、数字滤波器、分辨率高达１３ｂｉｔ的ＡＤＣ模块、３２位ＦＩＦＯ等片上资源。

２．１．４　采集节点电源　采集节点模块安装在奶牛身上来获取奶牛的体温和运动量，选用容量大、体积小、安全性好、输出．７Ｖ／３００ｍＡｈ锂电池对采集节点供电。同时因电压稳定的３

为ＺｉｇＢｅｅ、ＭＬＸ９０６１４ＥＳＦ红外温度传感器和ＡＤＸＬ３４５三轴加速度计等高速数字器件，需要稳定的３．３Ｖ直流电源供电，ＩＣ５２１９－３．３线所以采用压差低、线性度好、输出电流大的Ｍ性稳压芯片。将电池输出电压稳定到３．３Ｖ为采集节点供电，如图５所示。

２．２　发情数据接收终端硬件

奶牛发情体征数据的接收终端由协调器和ＳＴＭ３２单片机组成，通过协调器控制每个采集节点启动和数据发送。协调器还作为数据的接收端，接收各节点的无线信号，通过识别设备地址分辨每头牛的信息。最后协调器通过串口把数据传ＴＭ３２单片机中，单片机接收到的数据分别是奶牛体输到Ｓ

温、运动量，对数据进行初步处理，并通过ＲＳ－４８５总线将奶牛发情体征参数上传至上位机。接收终端主要由发情体征数据协调器无线接收、ＳＴＭ３２数据处理、ＲＳ－４８５传输总线以及终端电源这４个部分组成。

２．２．１　ＳＴＭ３２控制器　ＳＴＭ３２是由ＳＴ公司研制的基于ＡＲＭ的Ｃｏｎｔｅｘ－Ｍ３内核的３２ｂｉｔ微控制器，采用主流的

９］

。采用ＳＴＭ３２Ｆ１冯·诺依曼硬件结构，有丰富的片上资源［

系列单片机中的ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６型号作为协调器接收数据的控制处理核心。

２．２．２　ＲＳ－４８５现场总线　奶牛养殖区距离监测室较远，采用ＴＴＬ电平或ＲＳ－２３２通信，极易造成数据丢失、通信失败、链接中断等问题，所以采用ＭＡＸ３４８５芯片将ＳＴＭ３２单片机ＵＡＲＴ１发送的ＴＴＬ信号数据转为负逻辑电平的４８５信号数

１０］

据，可以实现１２００ｍ的远距离数据传送［。ＲＳ－４８５电平

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转换电路如图６所示。

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２．２．３　数据接收终端电源　由于多个采集节点向协调器发送数据的时间是随机的，使协调器需要时刻保持等待接收数据的状态。另外，协调器是固定在奶牛养殖棚顶的非移动式设备，所以协调器可以选用市电供电。采用输出ＤＣ５Ｖ／１Ａ的开关电源作为主电源。同时因为ＳＴＭ３２、ＺｉｇＢｅｅ、ＭＡＸ４８５芯片需要稳定的３．３Ｖ直流电源，所以采用ＭＩＣ５２１９－３．３低压差线性稳压芯片将开关电源输出的带有开关频率的５Ｖ不稳定电压，转换为３．３Ｖ稳定线性电压为协调器供电。３　系统软件设计

３．１　下位机采集系统软件设计

下位机采集系统软件主要由发情体征采集节点程序和协调器程序组成。采集节点用Ｃ

Ｃ２５３０控制ＭＬＸ９０１４ＥＳＦ非接触式红外温度传感器和ＡＤＸＬ３４５三轴加速度计。通过初始化传感器配置传感器的基本模式，进行操作系统初始化和任务登记，测量温度为任务１，测量运动量为任务２，无线发送温度值、计步数据和奶牛编号为任务３，然后进行任务轮询，当有任务触发任务中断时，处理任务，同时无线发送任务为最优先级任务，计步任务优先级次之，温度采集任务优先级最

低［

１１－１２］

。体征采集节点程序流程如图７所示。　　协调器模块采用ＣＣ２５３０接收奶牛体温和运动量数据，通过ＣＣ２５３０初始化任务并做任务登记，然后轮询任务，有任务触发中断时，判断发送方式为点播、组播或广播方式发送，接收数据。通过串口发送给Ｓ

ＴＭ３２单片机初步滤波处理，ＳＴＭ３２单片机初始化串口ＵＡＲＴ０、ＵＡＲＴ１，等待ＵＡＲＴ０接收中断，当有中断触发时，接收并进行校验数据，校验通过保存数据，再通过五点滑动滤波算法对数据初步滤波，通过ＵＡＲＴ１和外接的ＲＳ－４８５现场总线发送给上位ＰＣ机。３．２　上位机发情体征监测软件设计

上位机采用的方案是用Ｃ＃语言在ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ２０１３软件的编程环境中开发奶牛发情监测系统。上位机通过ＲＳ－４８５转ＵＳＢ接口与采集终端的ＳＴＭ３２Ｆ１０３单片机连接并进行通信。把奶牛体温和运动量数据显示到实时曲线上的同时，还要把采集到的数据保存到文本文档，以便查看数据的历史记录。系统不仅可以在上位机上监测发情体征数据，还可以通过Ｈ

ＴＴＰ协议中的ＰＯＳＴ方法把数据上传到Ｙｅｅｌｉｎｋ云服务器平台，并可在手机客户端和网页上进行实时监测［１３］

。

上位机程序流程如图８所示。４　系统测试

为了测试奶牛发情体征监测系统，２０１７年５月在河南省

南阳市某奶牛场进行了设备采集试验。选择编号为１的奶牛进行测试，其体温和步数的监测历史曲线如图９所示。　　ＰＣ端监测平台还可以通过ＨＴＴＰ协议把奶牛发情体征数据上传到Ｙｅｅｌｉｎｋ云端，ＰＣ客户端会给出回应，识别客户端状态码，判断是否上传成功，若文本框状态如图１０所示，则上传数据成功。

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　　通过移动平台和ＰＣ机接入Ｙｅｅｌｉｎｋ云端监测的奶牛体征步数曲线如图１１所示。

的方法；设计了非接触式、低功耗的奶牛发情体征监测模块，实现了奶牛体温和步数的无线传输；开发了奶牛发情体征监测系统，实现了发情体征移动平台实时远程监测、查询以及云端数据上传。在本研究基础上，后续可以在发情体征数据获取之后加入决策系统，以便奶牛饲养人员全面掌控奶牛的发情状况，实现智能化的奶牛发情监控。

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５　结论

本研究提出并设计了基于物联网和云端的奶牛发情体征监测系统，该监测系统支持无线网络传输和云端平台远程实时监测，简单实用，是奶牛养殖户监测奶牛发情状态快捷有效