閆麗 邵慶

摘要：利用三軸加速度傳感器MMA7361與無線發(fā)射模塊CC2430設(shè)計(jì)了1個(gè)運(yùn)動(dòng)信號(hào)的采集節(jié)點(diǎn)，并將其應(yīng)用于母豬行為監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，該節(jié)點(diǎn)可實(shí)時(shí)記錄家畜個(gè)體的日常行為數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步數(shù)據(jù)的傳輸和行為模式分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障。

關(guān)鍵詞：三軸加速度傳感器；行為監(jiān)測(cè)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2015）07-0434-03

動(dòng)物行為能一定程度反映動(dòng)物機(jī)體對(duì)環(huán)境的適應(yīng)情況，是動(dòng)物福利評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，因此定量測(cè)量動(dòng)物的行為具有重要意義，將以加速度傳感器為主的采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)用于運(yùn)動(dòng)行為監(jiān)測(cè)方面具有一定應(yīng)用價(jià)值。

三軸加速度傳感器在人體運(yùn)動(dòng)行為、能量消耗等方面的應(yīng)用研究開展比較早[1]，常將傳感器節(jié)點(diǎn)做成穿戴式[2]，戴在手腕上[3]、腰部或是內(nèi)嵌到特制的衣服、鞋里面[4]，同時(shí)測(cè)量x、y、z 3個(gè)軸的加速度值，來判斷人體的手臂和走步姿態(tài)及用于檢測(cè)老人的跌倒行為[5-6]。但在動(dòng)物行為監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用相對(duì)較少。2010年，Cornou等開始利用布帶把三軸加速度傳感器和藍(lán)牙模塊固定在母豬頸部，將采集到的運(yùn)動(dòng)信息傳輸給PC機(jī)進(jìn)行行為分類[7]。國(guó)內(nèi)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)尹令等以牛作為研究對(duì)象，基于三軸加速度傳感器開發(fā)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行奶牛行為特征監(jiān)測(cè)，用于判斷奶牛發(fā)情和疾病狀況[8]。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)劉龍申開展了母豬產(chǎn)前行為監(jiān)測(cè)的研究，通過站臥姿態(tài)變化次數(shù)和筑窩行為來預(yù)測(cè)母豬的分娩時(shí)間[9]。

本研究利用三軸加速度傳感器MMA7361與無線發(fā)射模塊CC2430設(shè)計(jì)了1個(gè)運(yùn)動(dòng)信號(hào)的采集節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物個(gè)體日?；顒?dòng)的數(shù)據(jù)記錄，為進(jìn)一步數(shù)據(jù)的傳輸和行為模式分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

個(gè)體行為的無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測(cè)中心組成（圖1）。傳感器節(jié)點(diǎn)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)源，節(jié)點(diǎn)上配有MMA7361，可布置在監(jiān)測(cè)個(gè)體身體的任意位置，便于用布帶固定在動(dòng)物頸部或腳踝處，實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)體運(yùn)動(dòng)參數(shù)的采集。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)匯聚來自傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并通過GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器進(jìn)行進(jìn)一步行為分析。

2 模塊的選擇和確定

2.1 加速度傳感器

基于運(yùn)動(dòng)行為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，加速度傳感器要采集各監(jiān)測(cè)對(duì)象的實(shí)時(shí)加速度值。根據(jù)加速度傳感器靈敏度及功耗的需要，在無線加速度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中需要選擇一款體積小、質(zhì)量輕、低功耗、便于佩戴的高靈敏度加速度

傳感器。經(jīng)過對(duì)同類傳感器各方面的比較，本研究選用了MMA7361三軸加速度傳感器。

MMA7361L[10]是飛思卡爾公司（Freescale）推出的一款超低功耗、小型電容式的微機(jī)械加速度傳感器，可提供模擬電壓輸出的x、y和z三軸加速度傳感器。該傳感器可以采用 15 g 或6 g靈敏度重力選擇模式，具有信號(hào)調(diào)理、一階低通濾波、溫度補(bǔ)償、自檢、帶有線性自由落體檢測(cè)和零重力檢測(cè)等功能。工作電壓為2.2～3.6 V，工作電流為400 μA，設(shè)置為睡眠模式時(shí)工作電路僅為3 μA。通過MMA7361L可以測(cè)量出任意時(shí)刻3個(gè)方向的加速度分量。

2.2 ZigBee模塊

CC2430[11]是一顆真正的系統(tǒng)芯片（SoC）CMOS 解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM 波段應(yīng)用對(duì)低成本、低功耗的要求。它結(jié)合1個(gè)高性能2.4 GHz DSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器核心和1顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器。

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)8位MCU（8051），具有32/64/128 kB 可編程閃存和 8 kB 的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、幾個(gè)定時(shí)器（timer）、AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器（watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路（Power On Reset）、掉電檢測(cè)電路（brown out detection）以及21 個(gè)可編程I/O 引腳。

CC2430芯片采用0.18 μm CMOS 工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27、25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。

3 加速度傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

考慮到加速度傳感器節(jié)點(diǎn)的通用性，采用模塊化設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)硬件，節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框如圖2所示。由此可見，整個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)由4部分組成，該平臺(tái)利用RF射頻芯片和CC2430處理芯片，工作在2.4 GHz，支持低功耗無線通信協(xié)議IEEE 802.15.4，采用8位低功耗微處理器，通過A/D接口采集MMA7361三軸加速度數(shù)據(jù)，并即時(shí)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集速率為40 Hz，無線數(shù)據(jù)收發(fā)速率為250 kbps。

如圖3所示，三軸加速度傳感器的輸出信號(hào)為0～3.3 V的模擬電壓信號(hào)，通過外接幾個(gè)去耦電容以及濾波電容后直接接入無線單片機(jī)CC2430的模擬輸入端口P0_5、P0_6、P0_7進(jìn)行3個(gè)方向的加速度值的采集；為了調(diào)試、測(cè)試階段的方

便，在無線傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電源指示燈D1、電源報(bào)警燈D2以及節(jié)點(diǎn)建網(wǎng)/入網(wǎng)指示燈D3；此外，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)階段整個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的電源由5 V的可充電鋰電池組成的電源模塊提供。

4 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

無線加速度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要是用戶根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要在協(xié)議棧的應(yīng)用層開發(fā)自己的用戶程序。為了滿足運(yùn)動(dòng)行為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的需要，根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象的距離，在被測(cè)對(duì)象身上布置無線加速度傳感器節(jié)點(diǎn)，在動(dòng)物畜舍內(nèi)布置網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。無線加速度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的具體軟件功能是：網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)建立1個(gè)局域無線加速度傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)內(nèi)短地址固定為0x0000，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由以及間接消息的轉(zhuǎn)發(fā)；加速度傳感器節(jié)點(diǎn)加入相應(yīng)的無線加速度傳感器網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)在接收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的采集數(shù)據(jù)命令后，定期向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己采集的3個(gè)方向的加速度值。為了減小系統(tǒng)功耗，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在定時(shí)時(shí)間未到時(shí)處于低功耗狀態(tài)（睡眠狀態(tài)），加速度節(jié)點(diǎn)在未收到采集加速度傳感器數(shù)值命令時(shí)也處于低功耗狀態(tài)（睡眠狀態(tài)）。

5 試驗(yàn)和結(jié)果分析

2013年12月12日到19日在江蘇省金壇市永康農(nóng)牧科技有限公司進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，選用12頭長(zhǎng)白母豬為試驗(yàn)對(duì)象，實(shí)物如圖4所示，將傳感器節(jié)點(diǎn)利用松緊帶固定在母豬頸部下方進(jìn)行24 h監(jiān)測(cè)，母豬佩戴節(jié)點(diǎn)后無異常反應(yīng)。實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)以圖5方式顯示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，加速度傳感器節(jié)點(diǎn)能夠不間斷采集三軸加速度的數(shù)值，在特定時(shí)間內(nèi)，母豬的行為模式和運(yùn)動(dòng)量趨于穩(wěn)定，當(dāng)活動(dòng)量加劇或減少及異常行為出現(xiàn)時(shí)，可作為妊娠、分娩、疾病等情況的識(shí)別特征，該節(jié)點(diǎn)也可用其他牛、羊等大家畜的行為、位移、步數(shù)等數(shù)據(jù)量記錄。

6 結(jié)論

本研究以三軸加速度傳感器MMA7361和無線射頻模塊CC2430為核心，通過移植協(xié)議棧設(shè)計(jì)了1款新型的無線加速度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以方便組建低成本、低傳輸速率、高效率的無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)對(duì)象動(dòng)作的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在永康豬場(chǎng)配對(duì)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，無線加速度傳感器節(jié)點(diǎn)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定，具有較低的丟包率以及較低的成本，可以廣泛應(yīng)用于家畜（豬、牛、羊）行為監(jiān)測(cè)和運(yùn)動(dòng)能量的前期數(shù)據(jù)采集。

參考文獻(xiàn)：

[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，F(xiàn)loréen 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]趙 偉，周玲玲. 加速度傳感器在筆記本電腦中的應(yīng)用[J]. 電信快報(bào)，2008（5）：37-39.

[6]Iso T，Yamazaki K. Gait analyzer based on a cell phone with a single three-axis accelerometer[C]. Helsinki，F(xiàn)inland：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，劉財(cái)興，洪添勝，等. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的奶牛行為特征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（3）：203-208，彩插四.

[9]劉龍申. 母豬行為體征實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，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.