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， 何东健

(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)

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、产犊并提高泌乳期[1]。

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、集约化的奶牛场[2]。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、提高牛奶质量安全水平的重要手段[3]。本研究基于ZigBee技术、无线传感器网络(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。该系统主要由发情体征采集部分、STM32主控中心、数据传输部分、上位机PC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路由器的终端节点和协调器节点组成[4]。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发送来的数据整理后传送至STM32主控中心。主控中心主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。

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、2.4 G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。

2.1.1 无线模块 ZigBee是基于IEEE 802.15.4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0～250 kB/s。CC2530F256芯片是TI公司基于2.4 G无线局域网络收发的ZigBee产品。CC2530F256芯片完全兼容IEEE 802.15.4无线通信协议，内置IR发生电路，有超低功耗的特点，内置增强型MCS-8051内核[5]。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、不受时间限制等优势[6-7]。采用MLX90614ESF非接触式温度传感器来采集奶牛体温，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13 bit的ADC模块、32位FIFO等片上资源。ADXL345三轴加速度计采用SPI总线或者I2C总线接口与外界设备通信，以16位二进制补码的格式输出数据[8]。在DATA_FORMAT寄存器(地址0x31)中配置选用I2C总线或SPI总线。ADXL345三轴加速度计采用I2C总线与CC2530芯片通信，ADXL345三轴加速度计的CS引脚拉高至供电电压，ADXL345处于I2C通信模式，使用采集节点CC2530的 P0_0、P0_2模拟I2C总线读取加速度数据。加速度计与ZigBee接线如图4所示。

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、输出电压稳定的3.7 V/300 mAh锂电池对采集节点供电。同时因为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3.3 V直流电源供电，所以采用压差低、线性度好、输出电流大的MIC5219-3.3线性稳压芯片。将电池输出电压稳定到3.3 V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输到STM32单片机中，单片机接收到的数据分别是奶牛体温、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32 bit微控制器，采用主流的冯·诺依曼硬件结构，有丰富的片上资源[9]。采用STM32F1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信号数据，可以实现1 200 m的远距离数据传送[10]。RS-485电平转换电路如图6所示。

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/1 A的开关电源作为主电源。同时因为STM32、ZigBee、MAX485芯片需要稳定的3.3 V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5 V不稳定电压，转换为3.3 V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CC2530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STM32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Visual Studio 2013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HTTP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。

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。

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。