基于无线传感器网络的奶牛行为与养殖环境监测的研究

张淋江,崔先雨

（河南牧业经济学院，河南郑州,450011）

基于无线传感器网络的奶牛行为与养殖环境监测的研究

张淋江,崔先雨

（河南牧业经济学院，河南郑州,450011）

本文提出了奶牛养殖企业无线传感器网络的多参数实时奶牛行为与养殖环境监测系统的实现方案。无线传感器安装在个体奶牛的颈部，获取奶牛的体温、呼吸频率、运动加速度等参数，同时在奶牛场安装监测养殖环境的传感器，采集温湿度、光照度、CO2浓度等环境信息，监控养殖场环境；无线传感器网络以CC2530微处理芯片为核心，传感器采集到的数据经路由汇总至协调器，通过GPRS模块及时远传至监控中心，以此建立的动物行为监测系统能准确区分奶牛静止、慢走、爬跨等行为特征，从而可以长时间监测奶牛场的环境状况和个体奶牛的健康状态；依据奶牛行为指标系统数据，分析个体奶牛的健康状况，从而制定相应的饲养措施和管理对策。

WSN；奶牛行为；养殖环境；ZigBee

0 引言

随着互联网技术的飞速发展，无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks)成为国内外关注的热点。近年来,无线传感器网络设备由于体积小方便安装，还有低功耗、低成本、监测范围广等特点，被广泛应用于现代农业的环境信息检测。中国奶牛业已进入快速发展时期，奶企越来越重视利用信息化手段管理企业。探讨如何利用互联网技术建立有效的监测机制，提早预防奶牛频频发生各种疾病，是奶企非常关注的问题。应用无线传感器网络建立奶牛行为特征和环境信息的实时监测系统，有助于预防控制、发现和正确诊治奶牛疾病，及时准确发现问题奶牛，同时也保证了产奶量的稳定提高，促进奶业健康发展。

1 奶牛行为分析

1.1 奶牛正常和异常行为

奶牛按照遗传基因所决定的本能和后天学习所获得的记忆与经验，能分析各种感觉器官收集来的信息，作出不同的反应与行为应答。健康的奶牛时常低头站立、反应灵敏、神态自然。如果奶牛精神不振，表现为垂耳低头，眼睛半闭，行动迟缓，有时站立时鼻镜抵到其它物体，或以鼻触地，对事物的反应非常迟顿，这很有可能生病了，这就需要采取相应的疾病预防和治疗措施。

1.2 奶牛行为评价指标

依据国家个体奶牛评价标准，依托河南省奶牛生产性能（DHI）测定中心的河南省奶牛综合管理平台，在示范基地河南省鼎元种牛育种有限公司建立个体奶牛行为健康评价体系，依据个体奶牛的各项评价指标，系统分析奶牛个体的行为健康状况，从而制定相应的管理对策，为今后河南省奶牛生产管理信息服务平台建设打好基础。

2 无线传感器网络监测技术

在物联网的大环境下，奶牛养殖企业以信息化手段管理企业，是顺应信息化时代的要求。本研究是基于无线传感器网络，采用ZigBee技术、GPRS、视频监控等技术，实现远程奶牛行为与环境信息监测。

2.1 无线传感器网络

无线传感器网络主要包含有节点、网关和软件。在无线传感器网络中，测量节点与传感器连接，路由器就是一种测量节点，它能延长无线传感器网络的传输距离，并能增加可靠性。数目巨大的传感器节点通过随机或固定布撒的方式，布置在给定的监测区域，每个节点收集监测目标区域的信息，采集到的数据通过多跳的方式传送到网关节点，称为汇聚节点（sink节点）。汇聚节点将收集到的数据直接或通过互联网和卫星上报给任务管理者。使用软件平台对数据进行采集、加工、分析和显示。无线传感器网络示意图如图1所示。

2.2 ZigBee

本研究所采用的ZigBee技术是一种成本低、功耗低、速率低的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低、传输速率要求不高的各种电子设备之间进行数据传输，以及典型的周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，可工作在2.14GHz（最高250kbit/s）、868MHz（最高20kbit/s）和915MHz（最高40kbit/s）3个频段上,它的传输距离在10m至75m的范围内。具有ZigBee功能的设备能非常容易的在一个小范围内组成临时专用网络，方便地建立一种标准的无线连接，取代有线电缆进行数据传输。

2.3 传感器

传感器能将感受到被测量的信息，按一定规律转换成为电信号或输出其他所需形式的信息，以满足信息的传输、处理、存储等要求。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，它的特点包括：微型化、智能化、多功能化、网络化。传感器让物体有了生机，有了人类一样的触觉、味觉、嗅觉等感应器官。本项目使用生物传感器监测奶牛的运动加速度、体温、呼吸频率等参数；使用环境监测传感器采集温湿度、光照度、CO2浓度等环境信息，监控养殖场环境，确保奶牛个体的健康。

2.4 B/S和移动终端

B/S(浏览器/服务器)是客户端由浏览器接收，服务器端由WEB服务器发放的系统架构。奶牛行为监测系统采用B/S架构模式, 简化了系统开发的流程，管理者可以随时随地在系统平台监测奶牛行为和养殖环境信息，使用和维护非常方便快捷。

2.5 GPRS

GPRS（General Packet Radio Service），是一项基于GSM系统高速数据处理的无线分组交换技术，以"分组"的形式传送资料到使用者，提供端到端与广域的无线IP连接。本研究通过GPRS网络实现了监测数据的远程网络监控。

2.6 视频监控

图1 无线传感器网络示意图

在奶牛养殖牧场，实现对奶牛行为全过程视频监控，能够及时发现问题奶牛，在节约人力成本、提升安全管理水平方面起到明显作用。项目采纳了深圳福斯康姆智能科技有限公司的视频监控方案，在养殖场安装无线网络视像头，通过WIFI连接互联网，基于百度云平台实现了奶牛行为的视频管理监控。同时，视频监控实现了手机APP的在线浏览，管理者可以通过手机实现养殖场各种场景的实时视频监控。

3 无线传感器网络监测系统设计

3.1 系统结构

奶牛行为与养殖环境监测系统总体结构如图2所示。无线传感器网络节点收集奶牛个体和环境信息，通过单跳、多跳传送到簇头节点后，簇头节点依据有线网络将数据转发至Sink网关，Sink网关通过GPRS网络，再将数据传送到监测中心，监测中心对数据分析建模后，判定当前奶牛的健康状态，发生异常情况时，同时发送数据到监测中心和饲养员的移动终端上（笔记本、平板电脑、智能手机等）。

图2 奶牛行为与养殖环境监测系统总体结构

3.2 个体节点

奶牛的疾病和发情状况目前主要依据饲养员的经验，进行目测判断，人工观测方法，费时费力，判断精确度不高，容易误判。为了能自动准确地判断奶牛健康状况，传感器个体节点安装在奶牛的颈部，传感器个体节点模块将采集到的初始数据进行处理，提炼出奶牛的呼吸频率、体温和运动步速信息，再通过发送模块将数据传送到监控中心进行处理。以此建立的动物行为监测系统能准确区分奶牛静止、慢走与爬跨等行为特征，长时间监测奶牛的健康状态。而且，这种监测系统易于推广到对其它动物的行为监测，具有行业示范效用。

3.3 环境节点

传感器环境节点负责对环境信息(温湿度、光照度、CO2浓度、NH3浓度、H2S浓度)的采集、处理和发送。路由器与若干个传感器节点构成子网，依据ZigBee协议进采集各个传感器节点发送来的数据，各个子网监测采集到的数据传送到监管中心；监管中心负责对从无线网络送来的信息进行显示和存储，并能进行环境参数阈值的设定；接收值与阈值比较后，发送指令去控制环境调节设备。

3.4 系统硬件电路设计

无线传感器网络的传感器节点采用温湿度、体温等传感器实时采集牧场环境参数和奶牛个体信息，并利用路由节点发送至协调器节点，通过GPRS模块接入Internet网络，整个系统无线化，实现数据的远程监测。通信模块以CC2430为核心，采用ZigBbe通信协议进行无线传感器网络管理。从整个流程可以看出，传感器节点与协调器节点设计是硬件电路设计的重点。

传感器节点硬件结构如图3所示。数据采集模块对奶牛的个体行为信息、舍内监测区域环境信息的采集，采用TI公司的CC2530微处理器进行接受和处理数据，射频前端采用CC2591，进行功率与低噪声的放大，CC2530和CC2591负责接收、处理和发送采集模块送来的数据。电源系统模块负责为该节点系统供电。由于用到多种类型传感器，所需电压不尽相同，电源系统需提供多种电压值。系统采用锂电池组供电，由8.4V锂电池组经过稳压后输出5V电压，一方面为部分传感器供电，另一方面转为3.3V为系统其他部分供电。JTAG接口负责通信调试。

图3 传感器节点硬件结构图

协调器节点硬件选用TI公司CC2530和高性价比、高集成度的2.4GHZ射频前端CC2591芯片，以保证网络传输质量，扩大网路覆盖面积。CC2530芯片整合了2.4GHZIEEE802.15.4/ ZigBee R F收发机以及工业标准的增强型8051MCU，具有超低功耗、高灵敏度、抗噪声及抗干扰能力。CC2591内置有低噪声放大器、功率放大器，输出功率大，传输距离远(无障碍可传输500～800m)，能较好满足规模化奶牛场网络传输的要求。CC2530芯片与CC2591射频前端的连接如图4所示。电源系统采用锂电池供电，由单节经TPS63011电压转换芯片转为3.3V稳定电压给该节点供电。

3.5 数据采集传感器

奶牛的个体行为与养殖环境监测需要用到生物传感器与环境监测传感器。

生物传感器包括体温传感器、血压传感器、脑电波传感器、心电传感器等，这些传感器主要实现的功能包括健康和医疗监控、娱乐等。国内的此类传感器公司有神念科技、敏芯微电子、芯敏微系统、纳芯微电子等。借助这些传感器，可以实现健康预警、病情监控等。本项目选用集成苏州纳芯微高精度、高频响传感器信号调理芯片NSA5311的生物传感器，在个体奶牛颈部安装无线传感器节点，通过颈部各种生物传感器获取奶牛的运动加速度、体温、呼吸频率等数据。

环境传感器包括温湿度传感器、pH传感器、气体传感器、气压传感器、环境光传感器、粉尘传感器等，这传感器主要实现环境监测、健康提醒、天气预报等功能。国内传感器公司有康森斯克电子、炜盛电子、敏芯微电子、芯奥微传感、艾谱科微电子、芯晨科技等。本项目选用郑州炜盛电子公司的环境传感器系列产品，采集温湿度（HM2302）、CO2浓度（MH-711A）、氨气传感器（MQ137）等环境信息，监控奶牛养殖场环境，及时发现问题奶牛，确保奶牛个体的健康。

3.6 工作流程

系统上电，首先进行初始化；初始化一旦完成，数据采集模块开始有条不紊地采集数据；数据经ZigBee无线网络发送给监管中心，监管中心对所接收数据进行显示和储存炜盛同时与设定的阈值进行比较，发出指令对环境调节设备实施控制。

数据采集模块的初始化主要完成所有传感器的程序驱动的安装，由中断程序设定各传感器采集信息的时间，让所有传感器有序采集数据，便于CC2530微处理器接收和处理。监管中心的初始化主要进行数据库的启动。数据库中预设有所监测环境参数的阈值，便于系统进入工作状态后将所接收数据与阈值比较；数据库中还存放有历史数据，便于后续对数据的分析。ZigBee网路采用ZigBee2007协议栈，通过网络层函数NLME_ NetworkFormation R equest()建立，由协调器与其所有子节点的“绑定”来实现。ZigBee网路初始化由TI公司提供的ZStack完成。监管中心PC机编写上位机软件，对从ZigBee网路获取的信息进行分析处理，并实时显示。同时，将相应信息存入数据库中以便后续利用，并能通过设定的安全阈值，发出控制指令。

4 结语

基于ZigBee技术，设计以由CC2530微处理器芯片和CC2591射频前端组建的无线传感器网络硬件电路，构建由协调器、路由器、传感器节点等组成的无线传感器网络系统。无线传感器网络的传感器节点获取体温、呼吸频率、运动加速度、温湿度、光照度、CO2浓度等传感器实时采集牧场和奶牛个体行为和环境参数信息，并利用路由节点发送至协调器节点，通过GPRS模块接入Internet网络，采用ZigBee通信协议进行无线传感器网络管理，实现数据的远程监测。整个系统实现了规模化奶牛养殖场奶牛个体与舍内环境多种参数无线自动监测，实时获取奶牛行为和养殖环境信息，及时发现问题奶牛并采取进一步的管理措施，为奶牛健康生长和牛奶的品质提供了保障。

图4 CC2530芯片与CC2591射频前端的连接电路图

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（通讯作者）：张淋江.1975年11月，性别：男， 民族：汉.籍贯：河南南阳.学历： 硕士 职称：工程师，河南牧业经济学院，研究方向：无线传感器网络

崔先雨.1974年5月，性别：男， 民族：汉.籍贯：河南驻马店.学历：本科 职称：实验师，河南牧业经济学院， 研究方向：计算机网络应用

图2 备份软件管理界面

4 结论

随着互联网技术的长足发展和智能手机的不断强大，人们手机上的存储空间显得越来越不够用，同时手机、平板电脑和PC之间的协同工作的发展，人们越来越需要快速安全的云存储服务。但是目前哪怕是苹果这样的大公司最近都爆出了iCloud好莱坞女星艳照事件，更别说别的互联网公司的云服务了。这说明把自己的数据放在这些云服务里不是绝对安全的。组建私有云存储系统，创建自己的个人云，将会越来越受人们欢迎和重视。

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Study on cow behavior and breeding environment monitoring based on Wireless Sensor Network

Zhang Linjiang,Cui Xianyu
（Henan University of Animal Husbandry and Economy，Zhengzhou,450011，China）

This paper presents the implementation scheme of Multi Parameters Real-time cow behavior and breeding environment monitoring system of the wireless sensor network of cow breeding enterprise.Wireless sensors installed in the individual cow's neck,body temperature,respiratory frequency,acceleration and other parameters for cows,while dairy farming environment monitoring sensor installation,collecting temperature and humidity,light intensity,CO2 concentration of environment information,environment monitoring farms; wireless sensor network based on CC2530 microprocessor chip as the core,sensor the data collected by the route to the coordinator through the GPRS module,timely sent to the monitoring center, in order to establish the animal behavior monitoring system can accurately distinguish the cows,walking, climbing across the stationary behavior characteristics,which can be a long time monitoring environmental conditions and individual dairy cow health status;on the basis of cow behavior index system individual data,analysis of the health status of dairy cows,in order to develop breeding measures and corresponding countermeasures.

WSN;cow behavior;breeding environment;ZigBee

河南省重大科技专项，畜禽生产过程信息化关键技术集成与应用，课题编号[121100111000]