陳林鋒，沈明霞，陸明洲，楊曉靜，路順濤，鄭鶴成

(1.南京農業(yè)大學 工學院 江蘇省智能化農業(yè)裝備重點實驗室，江蘇 南京210031;2.南京農業(yè)大學 動物醫(yī)學院 農業(yè)部動物生理生化重點實驗室，江蘇 南京210095)

0 引 言

限位欄是我國目前主要采用的母豬養(yǎng)殖方式，這種方式限制母豬的自由活動空間，不符合動物福利要求［1］。針對國際貿易中可能出現(xiàn)的動物福利壁壘［2］，母豬群養(yǎng)這種福利化養(yǎng)殖方式受到廣泛關注。

水是母豬生長過程中必不可少的營養(yǎng)物質，飲水行為是判斷母豬健康與否的重要依據(jù)［3，4］。目前，國內對牲畜行為監(jiān)測主要采用人工觀察方式［5］，這種方式不但耗費大量時間和精力、監(jiān)測到的數(shù)據(jù)主觀性強，而且也不利于準確、連續(xù)、穩(wěn)定地記錄。國外對豬的飲水行為自動化監(jiān)測起步較早［6，7］，但已有的研究都是對產床母豬個體的飲水量監(jiān)測，或是對群養(yǎng)仔豬總飲水量的監(jiān)測，監(jiān)測群養(yǎng)母豬個體飲水量的自動監(jiān)測裝置尚未出現(xiàn)文獻報道。

本文綜合了射頻識別(RFID)技術、傳感器技術、無線通信、網絡通信以及嵌入式技術，設計了用于監(jiān)測群養(yǎng)母豬個體飲水行為的無線傳感器網絡節(jié)點，節(jié)點通過自組網的形式將采集的母豬個體飲水信息發(fā)送至遠程監(jiān)控中心，實現(xiàn)對飲水母豬的識別，飲水量的采集以及飲水時間的記錄。

1 硬件系統(tǒng)

節(jié)點由STM32 微控制器、RFID 讀寫器?？?、傳感器模塊、電源模塊、存儲卡模塊、實時時鐘模塊、CC1101 無線射頻模塊組成，如圖1 所示。

圖1 節(jié)點框圖Fig 1 Block diagram of node

為了兼顧處理能力和功耗兩方面的要求，微控制器選用了意法半導體公司的STM32f103RE，對比普通單片機而言，其代碼執(zhí)行效率高，具有1.25 DMIPS/MHz 的運算能力。搭配32.768 kHz 的外部晶振，可以準確記錄母豬飲水時間;通過SDIO 接口與存儲卡相連，能夠將采集到的數(shù)據(jù)實時保存至存儲卡中和發(fā)送數(shù)據(jù)時從存儲卡中讀取。

母豬飲水用的鴨舌式飲水器流速為2 ～3 L/min，選用渦輪式流量計實現(xiàn)對水流量的測量，由于其輸出信號為4 ～20 mA 的電流信號，需外接負載電阻器將電流信號轉換為電壓信號，STM32 微控制器通過內部AD 模塊測量電壓信號，并通過電壓值計算得到母豬的飲水量。

為了實現(xiàn)對母豬個體的識別，在每頭母豬右耳上打上電子耳標;相應的RFID 讀寫器模塊選用成都慧訊科技公司的VUM9000，采用EPC GEN2 空中接口協(xié)議實現(xiàn)對電子耳標內部數(shù)據(jù)讀取和ID 號的寫入;通過TTL 串口與STM32微控制器相連，采用讀寫器控制協(xié)議與微控制器通信。

無線射頻通信模塊采用低功耗、低成本的CC1101 模塊，其支持不同的調制格式抗干擾能力強，能夠很好地抑制噪聲環(huán)境對系統(tǒng)的影響，CC1101 模塊設定在433 MHz 頻段，模塊通過SPI 接口與微控制器相連。

2 軟件設計

2.1 母豬個體飲水信息采集

母豬個體飲水信息采集包括母豬個體的識別、飲水量的采集以及數(shù)據(jù)存儲。軟件流程如圖2 所示。

2.1.1 母豬個體識別

RFID 讀寫模塊與STM32 微控制器之間采用讀寫器控制協(xié)議(reader control protocol，RCP)進行通信，通信數(shù)據(jù)包格式如圖3 所示，RCP 包采用的是 Big－endian，即高位在前、低位在后。

電子耳標固定到豬耳朵之前，依次寫入01，02 等序號實現(xiàn)對母豬的編號。處于節(jié)能考慮，飲水監(jiān)測節(jié)點一般情況處于休眠狀態(tài)，當有母豬飲水，流量計產生一個上升沿電平跳變喚醒節(jié)點，此時微控制器將給RFID 讀寫器發(fā)送讀標簽ID(多次)命令，獲得對應飲水母豬的ID 號。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig 2 Flow chart of data acquisition

圖3 數(shù)據(jù)包格式Fig 3 Data packet format

2.1.2 飲水數(shù)據(jù)獲取

流量計只能監(jiān)測水流的速度，經過換算能得到水流量。流速與采樣電壓的換算公式如下

式中 u 為電壓，V;y 為流速，L/h。

當獲得正在飲水的母豬ID 后，以1 Hz 頻率對流量計輸出進行采樣，得到 y1，y2，…，yn，直到母豬離開，將采樣值y1，y2，…，yn累加，得到母豬此次的飲水量 Y。

2.1.3 幀數(shù)據(jù)存儲

節(jié)點采用MicroSD 卡存儲數(shù)據(jù)，使用前將MicroSD 卡格式化成FAT32 格式，將獲取到的母豬個體ID 號、單次飲水量以及時間屬性數(shù)值轉換為字符封裝成一幀數(shù)據(jù)，調用存儲模塊將一幀數(shù)據(jù)存儲于MicroSD 卡中。數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)幀格式Fig 4 Data frame format

2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送

節(jié)點采集母豬個體飲水信息后通過自組網方式發(fā)送至網關，網關由STM32 微控制器、CC1101 無線射頻模塊和以太網控制器組成，匯聚網絡中所有節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，并轉發(fā)至遠程監(jiān)控中心，軟件流程如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖Fig 5 Flow chart of data sending

2.3 通信協(xié)議

節(jié)點間的通信基于TI 的SimpliciTI 協(xié)議，實現(xiàn)協(xié)議在STM32 +CC1101 架構上的移植。在移植的基礎上，改進了SimpliciTI 協(xié)議，解決了當AP 數(shù)據(jù)中心節(jié)點單方面重啟后已有的網絡中的ED 終端節(jié)點將不能與重啟后的AP 數(shù)據(jù)中心節(jié)點建立網路連接的問題。

3 實驗與結果分析

RFID 模塊與標簽的物理距離和節(jié)點的識別率密切相關，物理距離越近，則識別率越高?，F(xiàn)場測試節(jié)點的有效識別率，RFID 模塊輸出功率設定為 0 dBm，頻率設定在914 MHz頻段，工作電壓為3.3 V，軟件設定周期性發(fā)送讀標簽(多次)命令，查看返回的標簽信息，用卷尺測量標簽與RFID 模塊之間的直線距離，記錄此距離下的識別率;隨后增加距離，再記錄下該距離的識別率，直到無返回標簽信息為止。識別率以百分數(shù)計算，即RFID 閱讀器發(fā)送100 次盤存命令，計算標簽的響應次數(shù)。測試結果如圖6 所示。

圖6 節(jié)點識別率Fig 6 Recognition rate of note

由圖6 可知，在20 cm 以內，節(jié)點的識別率可達到80%以上，同時為了避免被母豬拱到，實驗選擇在母豬身高以上20 cm 處放置RFID 讀寫器模塊天線。

節(jié)點在金壇永康農牧科技有限公司的一棟群養(yǎng)母豬舍進行測試，選了4 個圈，每個圈飼養(yǎng)4 頭母豬，每頭母豬右耳上都打上電子標簽，標簽編號為01 ～16，平均體重為190 kg，平均妊娠時間為90 d，每圈日給料量為9 kg，每個圈放置一個節(jié)點，組成一個簡單的星型網絡，采集2012.04.05～2012.04.11 這個時間段的母豬飲水數(shù)據(jù)。鑒于篇幅所限，選擇耳標號為01 的母豬提取其在4 月5 號的飲水信息如表1 所示。

表1 飲水信息Tab 1 Drinking information

選擇4 個圈的所有母豬，計算其從4 月5 號～4 月11 號這7 天的平均日飲水量如圖7 所示。

圖7 母豬平均日飲水量Fig 7 Average drinking amount on a day

從表1 中可以看到測得的母豬平均日飲水量在10 ～11L 之間，這與文獻針對妊娠期母豬日飲水量記錄保持一致，在本次實驗過程中，對母豬體溫每天進行測量，結果無發(fā)燒個體出現(xiàn)，母豬基本健康。圖中的基本平穩(wěn)的曲線說明健康母豬其每天的飲水量基本保持平穩(wěn)，基于這一點，可以通過觀察母豬的日飲水量是否發(fā)生異常變化來判斷母豬是否發(fā)生健康異常。

需要說明的是文獻中提到不同的母豬個體其飲水量存在差異，因此，后期的工作需要針對不同的母豬個體實時監(jiān)測飲水行為數(shù)據(jù)，以建立相應飲水模型，這樣才能起到飲水行為數(shù)據(jù)在母豬健康異常預警中的作用。

4 結 論

本文綜合了傳感器技術、RFID 技術、無線通信技術以及嵌入式技術設計了母豬飲水行為監(jiān)測節(jié)點，通過自組網方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心，解決了群養(yǎng)母豬飲水行為難以自動監(jiān)測的問題。通過實驗得知，節(jié)點能實時、準確地記錄母豬的飲水量，并與已有文獻記錄保持一致。

同時，實驗中也發(fā)現(xiàn)母豬飲水過程中存在戲水現(xiàn)象，而節(jié)點監(jiān)測的飲水量是包括戲水消耗的水量和母豬實際的飲水量。因此，后期的工作中要重點解決母豬戲水量的判斷，以實現(xiàn)母豬實際飲水數(shù)據(jù)的精確記錄。

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