基于三轴加速度传感器个体运动行为无线采集节点的设计

闫丽 邵庆

摘要：利用三轴加速度传感器MMA7361与无线发射模块CC2430设计了1个运动信号的采集节点，并将其应用于母猪行为监测。结果表明，该节点可实时记录家畜个体的日常行为数据，为进一步数据的传输和行为模式分析提供基础数据保障。

关键词：三轴加速度传感器；行为监测；无线传感器网络

中图分类号：TP274+.2 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）07-0434-03

动物行为能一定程度反映动物机体对环境的适应情况，是动物福利评价的重要指标，因此定量测量动物的行为具有重要意义，将以加速度传感器为主的采集节点的设计用于运动行为监测方面具有一定应用价值。

三轴加速度传感器在人体运动行为、能量消耗等方面的应用研究开展比较早[1]，常将传感器节点做成穿戴式[2]，戴在手腕上[3]、腰部或是内嵌到特制的衣服、鞋里面[4]，同时测量x、y、z 3个轴的加速度值，来判断人体的手臂和走步姿态及用于检测老人的跌倒行为[5-6]。但在动物行为监测方面的应用相对较少。2010年，Cornou等开始利用布带把三轴加速度传感器和蓝牙模块固定在母猪颈部，将采集到的运动信息传输给PC机进行行为分类[7]。国内华南农业大学尹令等以牛作为研究对象，基于三轴加速度传感器开发了无线传感器网络进行奶牛行为特征监测，用于判断奶牛发情和疾病状况[8]。南京农业大学刘龙申开展了母猪产前行为监测的研究，通过站卧姿态变化次数和筑窝行为来预测母猪的分娩时间[9]。

本研究利用三轴加速度传感器MMA7361与无线发射模块CC2430设计了1个运动信号的采集节点，实现对动物个体日常活动的数据记录，为进一步数据的传输和行为模式分析提供基础数据保障。

1 系统网络结构

个体行为的无线监测网络由无线传感器网络、GPRS/3G网络和监测中心组成（图1）。传感器节点作为无线传感器网络中的数据源，节点上配有MMA7361，可布置在监测个体身体的任意位置，便于用布带固定在动物颈部或脚踝处，实现对个体运动参数的采集。网关节点汇聚来自传感器节点的数据，并通过GPRS/3G网络发送给监测中心的服务器进行进一步行为分析。

2 模块的选择和确定

2.1 加速度传感器

基于运动行为监测系统的设计需要，加速度传感器要采集各监测对象的实时加速度值。根据加速度传感器灵敏度及功耗的需要，在无线加速度传感器网络节点的设计中需要选择一款体积小、质量轻、低功耗、便于佩戴的高灵敏度加速度

传感器。经过对同类传感器各方面的比较，本研究選用了MMA7361三轴加速度传感器。

MMA7361L[10]是飞思卡尔公司（Freescale）推出的一款超低功耗、小型电容式的微机械加速度传感器，可提供模拟电压输出的x、y和z三轴加速度传感器。该传感器可以采用 15 g 或6 g灵敏度重力选择模式，具有信号调理、一阶低通滤波、温度补偿、自检、带有线性自由落体检测和零重力检测等功能。工作电压为2.2～3.6 V，工作电流为400 μA，设置为睡眠模式时工作电路仅为3 μA。通过MMA7361L可以测量出任意时刻3个方向的加速度分量。

2.2 ZigBee模块

CC2430[11]是一颗真正的系统芯片（SoC）CMOS 解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM 波段应用对低成本、低功耗的要求。它结合1个高性能2.4 GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和1颗工业级小巧高效的8051控制器。

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有32/64/128 kB 可编程闪存和 8 kB 的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器（timer）、AES128 协同处理器、看门狗定时器（watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（Power On Reset）、掉电检测电路（brown out detection）以及21 个可编程I/O 引脚。

CC2430芯片采用0.18 μm CMOS 工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27、25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

3 加速度传感器节点硬件设计

考虑到加速度传感器节点的通用性，采用模块化设计思想设计硬件，节点的结构框如图2所示。由此可见，整个节点的设计由4部分组成，该平台利用RF射频芯片和CC2430处理芯片，工作在2.4 GHz，支持低功耗无线通信协议IEEE 802.15.4，采用8位低功耗微处理器，通过A/D接口采集MMA7361三轴加速度数据，并即时发送给网关节点。数据采集速率为40 Hz，无线数据收发速率为250 kbps。

如图3所示，三轴加速度传感器的输出信号为0～3.3 V的模拟电压信号，通过外接几个去耦电容以及滤波电容后直接接入无线单片机CC2430的模拟输入端口P0_5、P0_6、P0_7进行3个方向的加速度值的采集；为了调试、测试阶段的方

便，在无线传感器节点系统中设计了相应的电源指示灯D1、电源报警灯D2以及节点建网/入网指示灯D3；此外，在实验室设计阶段整个无线传感器节点的电源由5 V的可充电锂电池组成的电源模块提供。

4 节点软件设计

无线加速度传感器网络节点的软件设计主要是用户根据项目的实际需要在协议栈的应用层开发自己的用户程序。为了满足运动行为监测系统实际运行的需要，根据监测对象的距离，在被测对象身上布置无线加速度传感器节点，在动物畜舍内布置网关节点。无线加速度传感器网络节点的具体软件功能是：网关节点建立1个局域无线加速度传感器网络，网内短地址固定为0x0000，主要负责数据包的路由以及间接消息的转发；加速度传感器节点加入相应的无线加速度传感器网络，终端节点在接收到网关节点发送的采集数据命令后，定期向网关节点发送自己采集的3个方向的加速度值。为了减小系统功耗，网关节点在定时时间未到时处于低功耗状态（睡眠状态），加速度节点在未收到采集加速度传感器数值命令时也处于低功耗状态（睡眠状态）。

5 试验和结果分析

2013年12月12日到19日在江苏省金坛市永康农牧科技有限公司进行现场试验，选用12头长白母猪为试验对象，实物如图4所示，将传感器节点利用松紧带固定在母猪颈部下方进行24 h监测，母猪佩戴節点后无异常反应。实时采集到的数据以图5方式显示。

试验结果表明，加速度传感器节点能够不间断采集三轴加速度的数值，在特定时间内，母猪的行为模式和运动量趋于稳定，当活动量加剧或减少及异常行为出现时，可作为妊娠、分娩、疾病等情况的识别特征，该节点也可用其他牛、羊等大家畜的行为、位移、步数等数据量记录。

6 结论

本研究以三轴加速度传感器MMA7361和无线射频模块CC2430为核心，通过移植协议栈设计了1款新型的无线加速度传感器网络节点，可以方便组建低成本、低传输速率、高效率的无线网络，实现对各个对象动作的实时监测。在永康猪场配对测试发现，无线加速度传感器节点以及无线传感器网络性能稳定，具有较低的丢包率以及较低的成本，可以广泛应用于家畜（猪、牛、羊）行为监测和运动能量的前期数据采集。

参考文献：

[1]Sekine M，Tamura T，Ogawa M. Classification of acceleration waveform in a continuous walking record[C]//Engineering in Medicine and Biology Society. Proceedings of the 20th Annual International Conference of the IEEE，1998：1523-1526.

[2]Nurmi P，Floréen P，Przybilski M，et al. A framework for distributed activity recognition in ubiquitous systems[C]. Las Vegas，USA：International Conference on Artificial Intelligence，2005：650-655

[3]Mathie M J，Coster A C，Lovell N H，et al. Accelerometry：providing an integrated，practical method for long-term，ambulatory monitoring of human movement[J]. Physiological Measurement，2004，25（2）：R1-R20.

[4]Morris S J，Paradiso J A. Shoe-integrated sensor system for wireless gait analysis and real-time feedback[C]. 24th Annual Conference and the Annual Fall Meeting of the Biomedical Engineering Society EMBS/BMES Conference， Proceedings of the Second Joint，2002：2468-2469.

[5]赵 伟，周玲玲. 加速度传感器在笔记本电脑中的应用[J]. 电信快报，2008（5）：37-39.

[6]Iso T，Yamazaki K. Gait analyzer based on a cell phone with a single three-axis accelerometer[C]. Helsinki，Finland：MobileHCI，2006.

[7]Cornou C，Lundbye-Christensen S，Kristensen A R. Modelling and monitoring sows activity types in farrowing house using acceleration data[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2011，76（2）：316-324.

[8]尹 令，刘财兴，洪添胜，等. 基于无线传感器网络的奶牛行为特征监测系统设计[J]. 农业工程学报，2010，26（3）：203-208，彩插四.

[9]刘龙申. 母猪行为体征实时监测系统关键技术研究与实现[D]. 南京：南京农业大学，2013.

[10]Freescale Semiconductor. ±1.5 g，±6 g three axis low-g micromachined accelerometer[EB/OL]. [2014-07-01]. http：//cache.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MMA7361L.pdf.

[11]TI. CC2430 software examples users guide[EB/OL]. [2014-07-01]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ug/swru 178b/swru178b.pdf.