基于ZigBee技术的奶牛活动量采集系统设计

摘要：介绍一种奶牛活动量采集系统的工作原理及实现设计。系统以无线射频芯片CC2430为核心，利用ZigBee无线传感器网络技术，在奶牛养殖场组成一个无线网络。通过该无线网络定时采集奶牛的活动量数据，并进行数据分析处理，以判别奶牛是否处于发情期，该系统具有较好的应用前景和经济效益。
关键词：奶牛活动量；计步器；奶牛发情；ZigBee；CC2430

    对于奶牛养殖业，及时准确地识别奶牛发情，适时配种，可以提高产犊率和牛奶产量，增加奶牛养殖企业和奶农的经济效益，因此，及时准确地检测奶牛的发情，在奶牛养殖业中具有重要地位。目前大多数养牛场还采用人工观察，依靠经验判断进行奶牛发情识别。这种判断方法经常会造成漏判和错判，尤其是夜间更难观察奶牛的发情行为，会时常错过奶牛发情期，降低经济效益，并且此种方法不适合大规模奶牛养殖。
    奶牛发情是周期性的，其发情期表现为爬跨、嗅闻、追逐、兴奋不安等行为状态，奶牛的活动量会增加，即奶牛运动的步数增加，发情母牛每小时走动的步数大约比未发情母牛高2～4倍。基于上述原因，本文提出了一种基于ZigBee技术的奶牛活动量采集系统设计方案。将新兴的短距离、低复杂、低功耗、低速率、低成本的ZigBee无线通信技术应用于奶牛养殖业，完成对奶牛活动量的准确、稳定和及时的监测，及时判别奶牛是否发情。

1 系统设计方案
    本系统应用的环境为奶牛养殖场，对象为奶牛，因此在设计时要考虑几个方面：如奶牛养殖场的大小，牛舍环境潮湿度、奶牛间的碰撞等。由于这就要求本系统的网络节点的通信距离要长，无线网络信号覆盖范围依据养殖场的大小可扩展，终端设备可以防水防潮防撞，同时要保证奶牛无论走到哪个位置，都处于无线网络信号覆盖下。
    ZigBee技术是一种新兴的省电、可靠、时延短、安全、网络容量大的无线通信技术。低功耗是ZigBee技术的优势，由于工作时间较短、收／发信息功耗低且采用休眠模式，ZigBee节点的电池工作时间可达6个月至2年。同时，ZigBee具有高可靠性、高度扩充性等特性，这些特性可以满足奶牛养殖场的特殊环境需求。
    本系统主要由奶牛计步器(终端节点)、路由节点、中心节点组成，奶牛活动量采集系统结构图如图1所示。其中奶牛计步器戴在奶牛的脖子上完成步数的采集；路由节点布置在牛舍的顶部，将终端节点的数据转发至中心节点；中心节点放置在牛舍旁边的监控中心，把接收到的数据通过串口发送至监控PC机分析、显示、存储。

2 系统硬件设计
    本系统的各个节点都采用CC2430作为处理器，CC2430芯片是支持ZigBee协议的片上系统(SoC)CMOS解决方案，该芯片具有高性能低功耗的8051微控制器核，集成符合IEEE802．15．4标准的2．4 GHz的RF无线电收发机，具有32／64／128 kB可编程闪存和8 kB的RAM，优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性，集成AES安全协处理器，较宽的电压范围(2.0～3.6 V)，较少的外围电路等特点。同时CC2430芯片采用0.18μm CMOS工艺生产，工作时电流损耗为27mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA；在待机模式下电流损耗低于0．6μA，适合运用于低功耗的应用。
    本系统硬件设计包括奶牛计步器、路由节点、中心节点的设计，其中计步器的设计是关键。

2．1 奶牛计步器设计
    考虑到奶牛计步器应用的特殊场合环境，就要求计步器要具有防水、防潮、防撞、体积小，重量轻、功耗低等特点，因此需要把所有的器件全密封于计步器的塑料盒内。由于天线也密封于计步器盒内，这将会减小节点间的通信距离。同时，为了降低功耗，使计步器电池工作时间尽可能长，不在计步器里使用功放器件。另外，计步器佩戴在奶牛脖子上，当奶牛卧倒时，计步器距离地面的高度降低，也会减小通信距离，在试验中，发现当计步器距离地面约1 m时，其与中心节点的通信距离约60 m，若将计步器放置在地面上，这个距离只能为20 m。给路由节点加装功率放大器可以解决这个通信距离的问题。
    奶牛运动的步数采集传感器采用CLA-3全向微型振动传感器，此种传感器具有全向检测、灵敏度可调、抗干扰能力强、体积小、可靠性高、全密封式封装防水防尘等特点，输出开关信号可直接与TTL电路或单片机电路接口。
    奶牛计步器由3．6 V的电池供电，其结构图如图2所示。

2．2 路由节点设计
    路由节点固定布置在牛舍的顶棚下，布置时应根据节点间的通信距离合理布置，使得每个终端节点都处于ZigBee无线网络信号的覆盖范围内，其结构如图3所示。

    其中，CC2591是一款高性能、低成本的2．4 GHz射频(RF)前端，集成了可将输出功率提高+22 dBm的功率放大器以及可将接收机灵敏度提高+6 dB的低噪声放大器，可使两点间的通信距离达到约1 000 m，明显地增加了无线网络的覆盖范围。电源电路选用市电，将220 V交流电转换为3．6 V直流电。备用电源为3．6 V电池，在市电停电时使用，可使整个ZigBee无线系统在停电时正常工作。
2．3 中心节点设计
    中心节点由电源电路、备用电源、时钟电路、天线电路和串口电路组成，也由市电供电，串口电路可将中心节点接收到的数据上传至PC机。

3 系统软件设计
    对于计步器，当奶牛运动时，CLA-3全向微型振动传感器会发出脉冲信号，每一个脉冲也是一个外部中断信号，CC2430的中断服务程序将会记录外部中断发生的次数，然后每隔1 h定时地将采集到的步数发送给中心节点。当计步器不发送数据或没有记录步数时，计步器将由工作模式转换为睡眠模式，以降低功耗。计步器每次发送的数据包括奶牛的编号、当前时段的步数和上时段的步数，在这里，发送上时段的步数是为了避免计步器在某个时段数据发送失败或在传送过程中数据丢失而造成的那个时段的数据遗失。
    本系统使用的开发环境为LAR7．20，采用的协议栈为ZigBee精简协议栈。中心节点用来建立网络、管理网络节点、接收来自终端节点的数据、通过串口向PC机发送数据等功能。中心节点和计步器软件流程图，如图4所示。

    本系统中，上位机的软件由NI公司的LabView来开发，使用LabView开发的上位机软件运行界面如图5所示。

    从图5中可以看到，软件不仅以文本的方式显示了时间、奶牛编号和步数，还以波形图的方式显示奶牛运动步数的曲线，同时，还对采集到的数据进行存储。波形图中曲线的最左端为当前时段的步数，在奶牛编号输入框中输入想要查看的奶牛编号，就可以看见该奶牛的步数历史曲线及变化情况。若奶牛的步数曲线呈现上升，上升到较高的位置并持续一段时间，则可以判定奶牛处于发情状态。若奶牛的步数曲线一
直都很低，则要注意此头奶牛是否生病了。

4 结束语
    设计的基于ZigBee技术的奶牛活动量采集系统，经过实验测试，可以完成对奶牛活动量的无线采集，以及对采集的数据进行分析处理、显示、存储，及时判别奶牛是否发情。此系统开发成本低，性价比高，适用于各个奶牛养殖场，具有较好的经济效益和应用前景。