劉忠超 何東健

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100； 2.南陽(yáng)理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院， 南陽(yáng) 473000；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)奶牛養(yǎng)殖業(yè)在國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策支持下得到了快速發(fā)展，2018年100頭以上規(guī)模的奶牛養(yǎng)殖存欄量已達(dá)到500萬(wàn)頭，根據(jù)國(guó)家奶牛養(yǎng)殖業(yè)規(guī)劃，“十三五”末期100頭以上奶牛規(guī)模化養(yǎng)殖將達(dá)到70%[1]。隨著規(guī)模化、集約化養(yǎng)殖的推進(jìn)，對(duì)奶牛的飼養(yǎng)和管理方式提出了更高的要求，必須依靠信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)奶牛的精準(zhǔn)養(yǎng)殖，從而降低人工成本，提高奶牛養(yǎng)殖的科學(xué)管理水平和生產(chǎn)效率。奶牛養(yǎng)殖中的繁殖管理是奶牛生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[2-3]，及時(shí)有效的發(fā)情鑒定是成功進(jìn)行奶牛人工授精及受孕的基礎(chǔ)[4-5]。

傳統(tǒng)奶牛發(fā)情監(jiān)測(cè)主要依靠飼養(yǎng)人員觀察奶牛的外部表現(xiàn)和精神狀態(tài)，該方式不僅對(duì)飼養(yǎng)人員水平要求較高，而且檢出效率低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，導(dǎo)致奶牛發(fā)情期受胎率只有40%～50%[6-7]，無(wú)法滿足規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖要求。為了實(shí)現(xiàn)奶牛發(fā)情的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者基于奶牛發(fā)情時(shí)的活動(dòng)量[8-14]、體溫[15-16]、聲音[17-18]和爬跨行為[19-22]等特征變化，通過(guò)慣性傳感器、溫度傳感器、聲音傳感器和視頻監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)體征參數(shù)和發(fā)情爬跨行為的自動(dòng)采集、傳輸和分析，進(jìn)而判斷奶牛是否處于發(fā)情期。傳感器和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用使奶牛發(fā)情監(jiān)測(cè)自動(dòng)化水平顯著提高，但目前基于活動(dòng)量的自動(dòng)化發(fā)情鑒定檢出率僅為70.23%，并且在使用中尚存在以下一些問(wèn)題：①接觸式傳感器安裝在奶牛的不同部位，對(duì)奶牛的日常行為產(chǎn)生影響，且部分奶牛存在“假發(fā)情”，通過(guò)活動(dòng)量的發(fā)情監(jiān)測(cè)不能精確判斷排卵和輸精時(shí)間，從而錯(cuò)過(guò)受孕的最佳時(shí)機(jī)。②視頻監(jiān)控具有非接觸、實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，但是養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、光照變化較大，導(dǎo)致視頻監(jiān)控技術(shù)不能有效識(shí)別群居性奶牛中的發(fā)情個(gè)體，以及無(wú)法識(shí)別沒(méi)有明顯發(fā)情行為特征的奶牛個(gè)體。③奶牛夜間發(fā)情占比較高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，夜間(19:00—07:00)安靜發(fā)情(無(wú)發(fā)情外在表現(xiàn))奶牛約占全部發(fā)情奶牛的65%[23]，產(chǎn)后3個(gè)月的奶牛也容易發(fā)生安靜發(fā)情，因此僅靠活動(dòng)量和視頻監(jiān)控?zé)o法實(shí)現(xiàn)奶牛的安靜發(fā)情預(yù)警，造成生產(chǎn)上的損失。④一些年老體衰的奶牛發(fā)情時(shí)，外部行為特征表現(xiàn)不明顯，常規(guī)的外部行為鑒定法容易造成發(fā)情漏查。

奶牛內(nèi)在生理體征的變化可以準(zhǔn)確、有效地用于發(fā)情鑒定，如奶牛子宮頸和陰道粘液的pH值、電阻性和陰道粘膜細(xì)胞形態(tài)等[24-25]。發(fā)情奶牛陰道粘液電阻呈現(xiàn)規(guī)律性變化，主要為黃體期電阻最高，卵泡發(fā)育期電阻較低，在排卵前25 h電阻達(dá)到最低值[26]。同時(shí)，基于奶牛陰道電阻的發(fā)情鑒定具有較高的靈敏性與特異性[27]。因此，根據(jù)電阻值表征奶牛發(fā)情體征，能夠確定奶牛發(fā)情最佳輸精時(shí)間。文獻(xiàn)[28]用普通萬(wàn)用表和35～40 cm的聚氯乙烯絕緣鋁線做電極，檢測(cè)發(fā)情母牛陰道15～20 cm處電阻變化，確定母牛輸精時(shí)機(jī)；文獻(xiàn)[29]利用萬(wàn)用表、絕緣電線和導(dǎo)尿管做成簡(jiǎn)易母牛發(fā)情鑒定儀，對(duì)奶牛陰道電阻進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)陰道電阻判斷奶牛發(fā)情，可使奶牛受孕率達(dá)86.3%；RORIE等[30]采用由探針、處理器和9 V電池組成的Draminski(德銘斯基)排卵測(cè)定儀，測(cè)量費(fèi)時(shí)、費(fèi)力；文獻(xiàn)[31]用Draminski排卵測(cè)定儀手動(dòng)檢測(cè)陰道粘液電阻，確定雜交奶牛與小母牛的發(fā)情與授精適宜時(shí)間。

陰道分泌物粘液電阻變化與卵泡發(fā)育程度有關(guān)，是奶牛發(fā)情體征的最直接、最根本體現(xiàn)。奶牛發(fā)情周期中陰道內(nèi)電阻變化最大的地方是陰道前庭粘膜，在接近排卵時(shí)其陰道前庭粘膜電阻降低到最小值，這是授精的最佳時(shí)間。人工測(cè)量奶牛陰道電阻時(shí)，容易引起交叉感染，且奶牛的移動(dòng)性造成讀數(shù)不準(zhǔn)，同時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低下，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

本文基于奶牛發(fā)情時(shí)陰道生理粘液電阻的變化，設(shè)計(jì)小型化、高精度的奶牛陰道植入式電阻傳感器，并與2.4 GHz的ZigBee網(wǎng)絡(luò)無(wú)線連接，實(shí)現(xiàn)奶牛陰道電阻數(shù)據(jù)的無(wú)線實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸，為奶牛發(fā)情24 h內(nèi)自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精確判斷輸精時(shí)間提供生理數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)需求

本研究以河南省南陽(yáng)市育陽(yáng)奶牛養(yǎng)殖基地為試驗(yàn)場(chǎng)所，針對(duì)目前規(guī)模化奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)奶牛數(shù)量較多，養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境復(fù)雜，通過(guò)對(duì)奶牛場(chǎng)實(shí)地考察和咨詢養(yǎng)殖專家，得出奶牛陰道植入式電阻無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要需求包括：

(1)陰道植入式電阻傳感器體積小、質(zhì)量輕，外殼材質(zhì)柔軟且無(wú)毒無(wú)害，不會(huì)對(duì)奶牛產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)。

(2)植入式電阻傳感器應(yīng)在奶牛陰道內(nèi)固定牢固，安裝方便，并在授精前易于取出。

(3)植入式電阻傳感器無(wú)線信號(hào)在奶牛體內(nèi)傳輸衰減小，陰道電阻能實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸，可實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，滿足規(guī)模化監(jiān)測(cè)的需求。

(4)荷斯坦牛發(fā)情周期最長(zhǎng)為24 d，發(fā)情持續(xù)期最短僅6 h，最長(zhǎng)可達(dá)36 h，因此系統(tǒng)需要能夠在奶牛陰道內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間工作，最少需要對(duì)奶牛陰道電阻進(jìn)行一個(gè)發(fā)情周期的持續(xù)監(jiān)測(cè)，以便根據(jù)奶牛陰道電阻的變化判斷授精的最佳時(shí)機(jī)。

1.2 總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)奶牛陰道植入式電阻傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際需求，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由陰道植入式電阻傳感器、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee協(xié)調(diào)器和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控中心4部分組成[32]。

圖1 奶牛陰道電阻無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of wireless monitoring system for cow’s vaginal resistance

(1)陰道植入式電阻傳感器：該傳感器可植入奶牛陰道內(nèi)，通過(guò)2個(gè)電極與陰道粘液充分接觸，將陰道粘液的電阻傳輸給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)處理器。

(2)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)：終端節(jié)點(diǎn)不僅具有ZigBee路由器功能，而且與植入式電阻傳感器的檢測(cè)電極連接，測(cè)算兩電極之間的陰道粘液電阻。該設(shè)計(jì)把電阻的信號(hào)處理交給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)處理器完成，減少了系統(tǒng)成本和電路復(fù)雜度。

(3)ZigBee協(xié)調(diào)器：通過(guò)2.4 GHz網(wǎng)絡(luò)與終端節(jié)點(diǎn)建立通信組網(wǎng)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和維護(hù)，并允許終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)通過(guò)RS485通信把數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳送到監(jiān)控中心個(gè)人計(jì)算機(jī)。

(4)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控中心：個(gè)人計(jì)算機(jī)通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件對(duì)奶牛陰道電阻進(jìn)行無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)，同時(shí)可對(duì)相應(yīng)奶牛的發(fā)情狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，植入式電阻傳感器留置于奶牛陰道內(nèi)，終端節(jié)點(diǎn)封裝后捆綁固定于奶牛尾根上部，距離奶牛陰道口較近，可以方便地與陰道植入電阻傳感器相連，避免了無(wú)線信號(hào)在奶?；铙w組織內(nèi)傳輸時(shí)的衰減以及對(duì)奶牛陰道組織造成的機(jī)理?yè)p傷，同時(shí)也方便植入式電阻傳感器在檢測(cè)到發(fā)情狀態(tài)后及時(shí)取出，順利地對(duì)奶牛進(jìn)行人工授精。ZigBee協(xié)調(diào)器可安裝于奶牛場(chǎng)屋頂鋼結(jié)構(gòu)上面，通過(guò)RS485總線和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控中心個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行有線通信，通信距離在奶牛場(chǎng)內(nèi)可達(dá)1 200 m。本設(shè)計(jì)方案不但充分利用了ZigBee無(wú)線自組網(wǎng)的功能，而且彌補(bǔ)了ZigBee通信距離短的弊端。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 植入式電阻傳感器設(shè)計(jì)

2.1.1電阻測(cè)量方案

傳統(tǒng)的萬(wàn)用表伏安法測(cè)量電阻精度低，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)奶牛陰道電阻的自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，鑒于555測(cè)頻法[33]精度高，故用該方法測(cè)量奶牛陰道電阻，能夠滿足對(duì)奶牛陰道電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。

2.1.2電阻測(cè)量探頭設(shè)計(jì)

植入式電阻傳感器主要由電阻檢測(cè)電極和支撐探桿構(gòu)成，圖2為植入式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。由于電極材料對(duì)測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性至關(guān)重要，因此植入式電阻傳感器的電極選用導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能好、材質(zhì)便宜、易于加工的黃銅。同時(shí)電阻傳感器前端設(shè)計(jì)兩個(gè)圓環(huán)形凹槽，電極設(shè)計(jì)為圓環(huán)狀并分別裝在兩個(gè)圓環(huán)形凹槽內(nèi)，能夠保證植入奶牛陰道的電阻傳感器電極與陰道穹隆部位小池粘液的充分接觸，使其對(duì)宮頸口的陰道粘液沒(méi)有阻擋作用，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，且不會(huì)對(duì)奶牛陰道粘膜造成損傷。每個(gè)圓形凹槽側(cè)面設(shè)計(jì)一個(gè)直徑為3 mm孔洞，將兩個(gè)銅環(huán)電極引線通過(guò)孔洞由探桿內(nèi)部連接至ZigBee終端節(jié)點(diǎn)處理器，避免銅環(huán)電極引線裸露在傳感器探桿外部對(duì)奶牛陰道組織造成損傷。

圖2 奶牛陰道植入式電阻傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure charts of cow’s vaginal implantable resistance sensor1.凸形圓滑前端 2.圓環(huán)形凹槽 3.凹槽側(cè)面孔洞 4.探桿 5.防滑凸指 6.尾部拉環(huán) 7.尾部?jī)?nèi)嵌式孔洞

2.1.3電阻傳感器尺寸及封裝設(shè)計(jì)

根據(jù)植入式電阻傳感器設(shè)計(jì)方案和裝配兩個(gè)銅環(huán)電極的需要，傳感器前端采用分段式結(jié)構(gòu)，以便于固定安裝銅環(huán)電極。為了避免植入式傳感器對(duì)奶牛陰道粘膜的損傷并便于放入奶牛陰道，傳感器頂端采用凸形圓滑結(jié)構(gòu)。

具有生育功能的成年奶牛陰道長(zhǎng)度為220～280 mm，寬約55 mm，奶牛陰道前庭粘膜電阻在一個(gè)發(fā)情周期內(nèi)變化最大，因此該位置是測(cè)量陰道電阻的最佳位置。為了保證傳感器植入奶牛陰道后牢固，防止在奶牛運(yùn)動(dòng)時(shí)脫落，根據(jù)奶牛陰道深處穹隆較大的特點(diǎn)，植入式電阻傳感器尾部設(shè)計(jì)采用4×2的防滑落8爪式固定。每個(gè)防滑落凸指向外傾斜30°，長(zhǎng)度為35 mm，且凸指分為2節(jié)，使其在穹腔處形成一個(gè)雙層的固定卡位[34]。

如圖2a所示，在傳感器末端設(shè)計(jì)直徑為20 mm的半圓形拉環(huán)，便于植入式電阻傳感器放入奶牛陰道并于授精前取出。

為了將銅環(huán)電極通過(guò)導(dǎo)線引出到終端節(jié)點(diǎn)處理器從而進(jìn)行電阻的測(cè)量計(jì)算，探桿內(nèi)部設(shè)計(jì)了兩個(gè)通道用于引出電極導(dǎo)線，并在末端設(shè)計(jì)了直徑為2 mm的內(nèi)嵌式孔洞，如圖2b所示。

由于植入式電阻傳感器要放置于奶牛陰道內(nèi)，傳感器封裝材質(zhì)的選擇非常重要，從奶牛健康和保護(hù)其陰道組織的角度考慮，選擇無(wú)毒、無(wú)味、比較柔軟的高密度聚乙烯材料(High density polyethylene，HDPE)來(lái)封裝傳感器。傳感器外殼3D打印而成，直徑為20 mm，長(zhǎng)度為200 mm，封裝后的陰道植入式電阻傳感器如圖3所示，質(zhì)量為46 g，不及Draminski發(fā)情電阻檢測(cè)儀質(zhì)量(300 g)的1/6。柔軟的高密度聚乙烯材料封裝避免了文獻(xiàn)[28-29]中人工使用探針電極和導(dǎo)線對(duì)奶牛陰道組織造成損傷的問(wèn)題。

圖3 封裝后的植入式電阻傳感器Fig.3 Assembled implantable resistance sensor

2.1.4電阻傳感器的植入及應(yīng)激分析

植入式電阻傳感器需要放置于奶牛陰道內(nèi)，使探頭與陰道前庭穹隆部位粘液進(jìn)行接觸。根據(jù)文獻(xiàn)[35-36]以及調(diào)研、咨詢奶牛養(yǎng)殖專家，植入式電阻傳感器放入奶牛陰道前需要將表面擦凈，并用酒精擦拭消毒，待干燥后植入。放置時(shí)，奶牛要站姿固定于牛舍內(nèi)，將尾巴拉于一側(cè)，清洗外陰并用酒精進(jìn)行擦拭消毒，輕輕分開(kāi)奶牛外陰，將消過(guò)毒的植入式電阻傳感器的探棒緩緩地沿陰道背壁插入宮頸口處的陰道前庭，并輕輕移動(dòng)使其與穹隆部的陰道粘液充分接觸。電阻傳感器植入奶牛陰道后的位置見(jiàn)圖4。

圖4 電阻傳感器植入奶牛陰道示意圖Fig.4 Schematic of resistance sensor implanted in cow’s vagina1.輸卵管 2.卵巢 3.陰道前庭穹隆 4.奶牛直腸 5.陰道 6.植入式電阻傳感器 7.膀胱 8.子宮頸 9.子宮角 10.子宮體

文獻(xiàn)[35-36]采用合成塑料棒探桿和鉑黑電極測(cè)試奶牛陰道粘液，其連續(xù)50 d的測(cè)量未見(jiàn)明顯陰道刺激和任何異常分泌物，也未見(jiàn)其他不良反應(yīng)。本文設(shè)計(jì)的傳感器采用HDPE封裝，HDPE是生物惰性材料，與生物組織的相容性極佳，對(duì)生物組織和細(xì)胞無(wú)毒性反應(yīng)，無(wú)排斥[37-38]，已成為人造器官的重要材料，主要用于制作人工氣管、人工骨、矯形外科修補(bǔ)材料等。因此，采用HDPE材質(zhì)封裝的傳感器植入奶牛陰道后，不會(huì)對(duì)奶牛健康帶來(lái)不良影響，也不會(huì)引起奶牛陰道刺激、損傷、分泌物異常等應(yīng)激反應(yīng)。

2.2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)電源電路、ZigBee最小系統(tǒng)(CC2530微處理器)以及NE555方波輸出電路等模塊，其硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5中陰道植入式傳感器輸出的電阻信號(hào)變化引起NE555振蕩電路頻率的變化，通過(guò)CC2530微處理器測(cè)量NE555振蕩電路頻率可以得到奶牛陰道粘液電阻。

圖5 終端節(jié)點(diǎn)電路硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Terminal node circuit structure diagram

2.2.1電源電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，為了實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)對(duì)奶牛陰道電阻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理，以及對(duì)奶牛陰道電阻進(jìn)行至少一個(gè)發(fā)情周期的監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)選用體積小、供電穩(wěn)定、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的7.4 V/6 500 mA·h可充電鋰電池為終端節(jié)點(diǎn)供電。同時(shí)系統(tǒng)采用低壓差穩(wěn)壓芯片LM2940將7.4 V電源電壓降為5 V，為工作電壓為5 V的NE555電路供電。采用AMS1117-3.3V穩(wěn)壓芯片將5 V電壓降為3.3 V，為工作電壓為3.3 V的CC2530微處理器供電。

2.2.2NE555方波發(fā)生電路

由NE555芯片和R1、R2、C1組成如圖6所示的多諧方波振蕩輸出電路，電路輸出脈沖頻率由R1、R2、C1確定。

圖6 NE555方波發(fā)生電路圖Fig.6 Circuit diagram of square wave generation for resistance measurement

由圖6電路可知，電路輸出的脈沖頻率為

(1)

式中f——電路輸出脈沖頻率，Hz

R1——與電路輸出脈沖頻率相關(guān)的電阻，Ω

R2——待測(cè)奶牛陰道電阻，Ω

C1——振蕩電路充放電電容，μF

由式(1)可知，可以通過(guò)測(cè)量輸出脈沖頻率來(lái)計(jì)算被測(cè)電阻R2，即

(2)

根據(jù)奶牛陰道電阻從間情期到發(fā)情期在150～600 Ω之間變化，設(shè)計(jì)R2測(cè)量量程為1～1 000 Ω。考慮CC2530微控制器可接受的脈沖頻率為0～20 kHz，以及電阻功耗不能太大，選擇R1為500 Ω(精密電阻)，C1為1 μF(獨(dú)石電容)。

2.2.3終端節(jié)點(diǎn)控制器

終端節(jié)點(diǎn)主要完成奶牛陰道電阻數(shù)據(jù)的采集、處理和發(fā)送。采用TI公司的CC2530F256主控芯片，該芯片是一個(gè)具有2.4 GHz頻率和IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)ZigBee功能的片上系統(tǒng)，內(nèi)置增強(qiáng)型8051CPU，只需少量外圍器件即可組成性能強(qiáng)大的ZigBee節(jié)點(diǎn)。為了降低終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的功耗，采用電源休眠技術(shù)，工作時(shí)喚醒，以滿足終端節(jié)點(diǎn)低功耗要求。

2.3 無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

考慮到規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)奶牛數(shù)量較多，需要建立自組網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)群體奶牛陰道電阻值的無(wú)線傳輸。目前較為成熟的無(wú)線技術(shù)均工作在免費(fèi)ISM頻段，如藍(lán)牙、WiFi和ZigBee等。藍(lán)牙通信距離較短，WiFi通信協(xié)議復(fù)雜、成本較高，而ZigBee專用芯片的成本和自身功耗都較低、算法簡(jiǎn)單，且具有較高的可靠性和安全性。故選擇基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee組網(wǎng)。

奶牛陰道電阻無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成。終端節(jié)點(diǎn)接收陰道植入式傳感器的電阻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電阻由奶牛體內(nèi)到體外的測(cè)量傳輸，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù)。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建立及管理，采用CC2530微控制器，具有由休眠模式轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，能夠滿足植入式傳感器低功耗的要求。由于ZigBee無(wú)線傳輸距離有限，為了降低系統(tǒng)的丟包率，將協(xié)調(diào)器布置在奶牛養(yǎng)殖活動(dòng)區(qū)的中心，有利于數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

為了實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)信號(hào)到上位機(jī)監(jiān)控中心的遠(yuǎn)距離傳輸，將ZigBee協(xié)調(diào)器串口發(fā)送出的TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換為負(fù)邏輯電平的485信號(hào)，通過(guò)RS485現(xiàn)場(chǎng)總線遠(yuǎn)距離傳輸?shù)絺€(gè)人計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控中心，其數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)100 Kb/s，且傳輸穩(wěn)定可靠。

2.4 終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的封裝

終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在硬件電路上基本相同，只是協(xié)調(diào)器上不需要植入傳感器信號(hào)處理電路。采用將ZigBee處理器和系統(tǒng)功能分成上、下兩層板設(shè)計(jì)，電路板上留有液晶屏接口和系統(tǒng)狀態(tài)指示燈，便于調(diào)試和維護(hù)。同時(shí)對(duì)PCB電路板進(jìn)行合理布局，并采用貼片元器件和集成電路使其電路板達(dá)到4 cm×4 cm×2 cm的較小體積。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)固定于牛舍內(nèi)，對(duì)防水和封裝無(wú)太多要求，采用6 cm×5 cm×4 cm、透明的ABS材質(zhì)的防水盒進(jìn)行封裝。固定裸露于奶牛尾根部的終端節(jié)點(diǎn)，采用防水盒來(lái)實(shí)現(xiàn)防水。防水盒質(zhì)量90 g左右，韌性好，防撞、防水、防潮。盒子側(cè)面開(kāi)口安裝有可與植入式傳感器連接的防水接線端子和天線裸露端子。

圖7為終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器的電路板及封裝實(shí)物圖，電池及相應(yīng)的電路處理部分分別固定封裝在盒子中。為了避免防水盒對(duì)天線信號(hào)傳輸造成衰減，終端節(jié)點(diǎn)通信天線露置于殼體外部，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線準(zhǔn)確傳輸，如圖7a中紅色圓圈所示。防水盒的接線端子和天線露出位置均采用防水尼龍接口進(jìn)行處理。

圖7 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器實(shí)物圖Fig.7 Photos of ZigBee terminal node and coordinator1.ZigBee處理器模塊 2.傳感器連接端 3.系統(tǒng)功能底板 4.天線連接端子 5.ABS防水封裝盒子 6.終端處理器模塊 7.電池模塊 8.植入式傳感器接線防水接口 9.裸露天線防水接口 10.協(xié)調(diào)器模塊 11.電池模塊 12.ABS塑料封裝盒 13.天線

2.5 終端節(jié)點(diǎn)奶牛尾部固定及應(yīng)激分析

2.5.1奶牛尾部的固定方法

現(xiàn)有牛只用傳感器主要通過(guò)項(xiàng)圈佩戴懸掛于脖頸、捆綁于腿部或固定于奶牛尾部。終端節(jié)點(diǎn)懸掛于脖頸會(huì)影響奶牛進(jìn)食、飲水等活動(dòng)，由文獻(xiàn)[39-43]可知，奶牛尾部固定傳感器已有實(shí)際應(yīng)用，如用于奶牛體溫測(cè)定、奶牛分娩時(shí)尾部翹起和移動(dòng)的重力監(jiān)測(cè)等。終端節(jié)點(diǎn)安裝固定于奶牛尾根部可以使節(jié)點(diǎn)盡量避開(kāi)牛只之間的碰撞，且距離植入式傳感器較近，便于信號(hào)的傳輸。故本文采用將終端節(jié)點(diǎn)固定在奶牛尾根部的方案。根據(jù)文獻(xiàn)[41-43]以及奶牛的尾部結(jié)構(gòu)形狀，設(shè)計(jì)奶牛尾夾固定器，如圖8所示，主要由雙環(huán)形緊固扎帶孔、螺釘過(guò)孔、防水盒固定支架座組成。

圖8 奶牛尾夾示意圖Fig.8 Schematic of cowtail clip1.雙環(huán)形緊固扎帶 2.螺釘過(guò)孔 3.防水盒固定支架座

防水盒固定支架座可采用高密度聚乙烯板或環(huán)氧玻璃纖維板，尺寸為6 cm×6 cm×1 cm，無(wú)毒易加工、韌性較好，具有4個(gè)螺釘過(guò)孔以便與圖7a防水封裝盒連接。通過(guò)調(diào)整兩端扎帶將防水盒固定于牛尾部。

2.5.2奶牛尾部應(yīng)激分析

奶牛尾部的功能主要是驅(qū)趕蚊蟲、蒼蠅以及撓癢。將封裝后質(zhì)量?jī)H為210 g的終端節(jié)點(diǎn)固定于奶牛尾根上部，不會(huì)影響奶牛尾巴甩動(dòng)，也不會(huì)影響奶牛尾巴驅(qū)趕蚊蠅等功能，應(yīng)激反應(yīng)小。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

奶牛陰道電阻無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括電阻采集與處理模塊、無(wú)線信號(hào)傳輸模塊以及奶牛陰道電阻上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)3部分。

3.1 系統(tǒng)工作流程

奶牛陰道電阻至少需要一個(gè)發(fā)情周期的連續(xù)監(jiān)測(cè)，為了減少整個(gè)系統(tǒng)的功耗，根據(jù)奶牛的發(fā)情特征(發(fā)情狀態(tài)持續(xù)1～2 d)，系統(tǒng)采用定時(shí)喚醒的工作機(jī)制，每2 h進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集和傳輸。系統(tǒng)通電后進(jìn)行終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的初始化，完成系統(tǒng)組網(wǎng)。終端節(jié)點(diǎn)處理奶牛陰道內(nèi)傳感器采集的電阻，通過(guò)組建好的星型網(wǎng)絡(luò)，將不同奶牛佩戴的終端節(jié)點(diǎn)所采集的陰道電阻發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)RS485總線上傳到遠(yuǎn)程個(gè)人計(jì)算機(jī)后，上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件對(duì)數(shù)據(jù)解碼處理后將電阻實(shí)時(shí)顯示并記錄保存。系統(tǒng)主程序流程圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.9 Flow charts of system main program

3.2 上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

Visual Basic(VB)軟件具有功能強(qiáng)大、控件豐富、能夠與外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)串口通信等特點(diǎn)，因此選用Microsoft VB 6.0軟件開(kāi)發(fā)奶牛陰道電阻上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括：系統(tǒng)登陸、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面、電阻實(shí)時(shí)變化曲線、電阻歷史曲線、奶牛發(fā)情狀態(tài)顯示等。

每頭奶牛所佩戴的終端節(jié)點(diǎn)配置不同的數(shù)據(jù)幀頭，因此上位機(jī)接收到無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)不同，需要在后臺(tái)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同奶牛陰道電阻與發(fā)情狀態(tài)監(jiān)測(cè)。圖10所示為奶牛陰道電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主界面，該界面主要分為4部分：參數(shù)設(shè)置、奶牛陰道電阻信息區(qū)、奶牛發(fā)情狀態(tài)顯示區(qū)以及奶牛陰道電阻實(shí)時(shí)變化曲線。參數(shù)設(shè)置功能用于選擇個(gè)人計(jì)算機(jī)可用串口，設(shè)置串口的通信屬性，以及根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置發(fā)情期電阻閾值和陰道電阻采樣時(shí)間間隔。串口通信參數(shù)設(shè)置完成后，選擇奶牛對(duì)應(yīng)的編號(hào)，系統(tǒng)即響應(yīng)和顯示所選奶牛的電阻，并根據(jù)設(shè)置的發(fā)情期電阻閾值判斷奶牛是否處于發(fā)情期。電阻實(shí)時(shí)顯示曲線可顯示所監(jiān)測(cè)奶牛24 h內(nèi)陰道電阻變化，方便進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和發(fā)情期預(yù)測(cè)。系統(tǒng)還具有奶牛陰道電阻數(shù)據(jù)保存、歷史電阻曲線查看等功能。

圖10 奶牛陰道電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主界面Fig.10 Real-time monitoring interface of cow’s vaginal resistance

3.3 發(fā)情預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

奶牛在一個(gè)發(fā)情周期中根據(jù)其生理變化分為發(fā)情期和間情期，發(fā)情期電阻最低，間情期電阻最高。根據(jù)文獻(xiàn)[27-31]研究結(jié)果，奶牛陰道前庭電阻在180～220 Ω時(shí)處于發(fā)情期，且為最佳受孕時(shí)間；在間情期時(shí)電阻較大，可達(dá)300～600 Ω。同時(shí)越接近發(fā)情排卵期，其陰道電阻呈迅速下降趨勢(shì)，排卵期過(guò)后電阻又逐漸升高并恢復(fù)至間情期水平，且在奶牛陰道電阻降至最低時(shí)為奶牛的最佳授精時(shí)間。在上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到奶牛陰道電阻后，通過(guò)與發(fā)情期電阻閾值進(jìn)行判別并給出奶牛的發(fā)情狀態(tài)。上位機(jī)發(fā)情預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的奶牛發(fā)情期陰道電阻閾值為220 Ω，還可以根據(jù)奶牛陰道電阻的變化曲線來(lái)判斷奶牛的發(fā)情狀態(tài)。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 電阻測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證電阻測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，考慮到奶牛陰道電阻在150～600 Ω之間，選用1 kΩ高精度可調(diào)電位器(上海天逸電器有限公司，精度±0.25%，電位器、刻度盤和旋鈕一體化)測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)時(shí)，為了直觀顯示終端節(jié)點(diǎn)振蕩電路頻率和測(cè)量電阻，在終端節(jié)點(diǎn)上安裝3.2寸薄膜晶體管(Thin film transistor，TFT)來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。為了驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用Tektronix MDO3052型示波器(泰克公司，美國(guó))進(jìn)行555振蕩電路頻率信號(hào)的測(cè)量，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)將采集的頻率和電阻顯示在TFT屏上。當(dāng)測(cè)試的精密電位器阻值為150 Ω時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)TFT和示波器顯示結(jié)果如圖11所示。

圖11 植入式電阻傳感器準(zhǔn)確性測(cè)試結(jié)果Fig.11 Implanted resistance sensor accuracy test results

為了使測(cè)試電阻與奶牛實(shí)際陰道電阻范圍相一致，調(diào)整電位器的阻值在100～800 Ω范圍內(nèi)，用普通萬(wàn)用表和植入式電阻無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試比較，結(jié)果如表1所示。

根據(jù)精密標(biāo)準(zhǔn)電阻的測(cè)試結(jié)果，分別對(duì)植入式電阻傳感器和普通萬(wàn)用表測(cè)試結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析，其擬合關(guān)系分別為

表1 電阻測(cè)量準(zhǔn)確性對(duì)比Tab.1 Accuracy comparison of resistance test Ω

Y0=0.998 1x+0.813 7

(3)

Y1=1.002 1x+0.837 0

(4)

式中x——可調(diào)電位器真實(shí)值，Ω

Y0——植入式電阻傳感器測(cè)量值，Ω

Y1——普通萬(wàn)用表測(cè)量值，Ω

由式(3)、(4)可知，測(cè)量值與真實(shí)值的決定系數(shù)R2分別為0.992 0和0.999 9。表明植入式電阻傳感器的測(cè)量結(jié)果可以真實(shí)地表征奶牛的陰道電阻。從表1可以看出，植入式電阻傳感器系統(tǒng)測(cè)量精度穩(wěn)定在±2%，解決了文獻(xiàn)[28-29]中用萬(wàn)用表和導(dǎo)線探針測(cè)量奶牛陰道電阻精度不高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題。

4.2 電阻測(cè)量穩(wěn)定性試驗(yàn)

圖12 植入式電阻傳感器穩(wěn)定性試驗(yàn)Fig.12 Stability test of implantable resistance sensor1.植入式電阻傳感器1 2.示波器 3.植入式電阻傳感器2 4.終端節(jié)點(diǎn)1 5.協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) 6.終端節(jié)點(diǎn)2

為了驗(yàn)證植入式電阻傳感器測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，室溫條件下在2個(gè)聚丙烯槽里放置3 L的NaCl溶液，通過(guò)添加NaCl來(lái)調(diào)整濃度，用高精度數(shù)字萬(wàn)用表(FLUKE 15B)測(cè)量其電阻分別為180、220 Ω。奶牛陰道電阻在180～220 Ω時(shí)最適宜授精，選取這兩個(gè)阻值可以真實(shí)地模擬奶牛陰道電阻變化。試驗(yàn)時(shí)選取2個(gè)植入式電阻傳感器投入兩個(gè)聚丙烯槽內(nèi)，穩(wěn)定性試驗(yàn)如圖12所示。

根據(jù)奶牛發(fā)情特點(diǎn)以及陰道電阻的變化狀態(tài)，連續(xù)測(cè)量觀察24 h，每隔2 h通過(guò)終端節(jié)點(diǎn)液晶屏讀取所測(cè)電阻，2個(gè)傳感器在標(biāo)準(zhǔn)電阻為180 Ω和220 Ω時(shí)測(cè)得結(jié)果如圖13所示。由圖13可以看出，在設(shè)定的2個(gè)電阻下傳感器測(cè)量的電阻穩(wěn)定性較好，連續(xù)24 h內(nèi)電阻變化不大，最大波動(dòng)為2 Ω，未發(fā)生明顯的阻值波動(dòng)異?，F(xiàn)象，傳感器具有較好的穩(wěn)定性，能夠較好地測(cè)量奶牛陰道的實(shí)時(shí)電阻，避免了文獻(xiàn)[28-30]人工操作接觸不良導(dǎo)致測(cè)量不穩(wěn)定的問(wèn)題。

圖13 穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Fig.13 Stability test result

4.3 系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)

4.3.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與RS485工業(yè)總線相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。根據(jù)實(shí)際調(diào)研情況，奶牛陰道電阻采集頻率不用太高，一般2 h或更長(zhǎng)時(shí)間采集1次，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量比較小。為了進(jìn)一步避免網(wǎng)絡(luò)堵塞，系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的停止等待應(yīng)答協(xié)議，協(xié)調(diào)器每次發(fā)送1幀數(shù)據(jù)后，停止發(fā)送，等待上位機(jī)確認(rèn)應(yīng)答。在協(xié)調(diào)器收到確認(rèn)反饋幀后則繼續(xù)發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到確認(rèn)反饋幀，則重發(fā)上一幀數(shù)據(jù)，從而保證了數(shù)據(jù)在協(xié)調(diào)器和上位機(jī)之間傳輸不丟包。

系統(tǒng)通過(guò)采用RS485 “主從式”通信模式和簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳輸停止等待協(xié)議雙重措施，使得485通信線路中不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞和數(shù)據(jù)的丟包，保證了數(shù)據(jù)的正確及時(shí)傳輸。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)丟包主要發(fā)生在終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間的無(wú)線通信上。

4.3.2系統(tǒng)丟包率測(cè)試

奶牛養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境復(fù)雜，其傳輸距離、養(yǎng)殖場(chǎng)建筑物遮擋等因素均會(huì)導(dǎo)致無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)乃p，導(dǎo)致數(shù)據(jù)在終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間發(fā)生丟包現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的可靠性。為了測(cè)試系統(tǒng)的通信傳輸距離對(duì)數(shù)據(jù)丟包率的影響，選擇河南省南陽(yáng)市育陽(yáng)奶牛養(yǎng)殖基地的奶?；顒?dòng)區(qū)進(jìn)行測(cè)試，活動(dòng)區(qū)面積為30 m×15 m，設(shè)置植入式傳感器終端節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率為1 dBm的，信道頻率為2.4 GHz，工作電壓為3.3 V。測(cè)試場(chǎng)地和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)安裝位置如圖14所示，將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(圖中黃色區(qū)域)固定于距離水平地面高度為3 m的養(yǎng)殖場(chǎng)鋼棚橫梁上。

圖14 丟包率測(cè)試場(chǎng)地Fig.14 Packet loss rate test site

在奶?；顒?dòng)區(qū)人工移動(dòng)植入式傳感器終端節(jié)點(diǎn)，并逐漸增加收發(fā)距離，使其與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信距離分別為5、10、20、40、80、100 m，測(cè)試點(diǎn)對(duì)點(diǎn)丟包率。測(cè)試時(shí)同一位置每次發(fā)送1 000個(gè)數(shù)據(jù)包，采用TI公司的SmartRF Studio7軟件進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)通信距離與丟包率測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of system communication distance and packet loss rate test results

由表2可知，由于奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，隨著測(cè)試距離的增大，數(shù)據(jù)丟包率增大，接收靈敏度不斷變小。在測(cè)試距離為20 m時(shí)，網(wǎng)絡(luò)幾乎沒(méi)有丟包現(xiàn)象，數(shù)據(jù)包在100 m范圍內(nèi)，丟包率不高于1.5%，能夠?qū)崿F(xiàn)自組網(wǎng)和奶牛陰道電阻的無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸。

4.4 終端節(jié)點(diǎn)能量可用性試驗(yàn)

植入式電阻傳感器的終端節(jié)點(diǎn)采用電池供電，當(dāng)電池電量低于一定閾值時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)將不能正常工作。為了驗(yàn)證終端節(jié)點(diǎn)的連續(xù)工作性，選用7.4 V/6 500 mA·h可充電鋰電池，采用定時(shí)喚醒的工作機(jī)制，測(cè)試時(shí)設(shè)置終端節(jié)點(diǎn)為每2 h進(jìn)行一次采樣，每次連續(xù)采樣5個(gè)電阻值，且每個(gè)電阻值采集間隔1 min。對(duì)采集到的5個(gè)電阻采用均值濾波處理，作為當(dāng)前采樣時(shí)刻的電阻值，該方法有利于終端節(jié)點(diǎn)以最小能耗傳輸數(shù)據(jù)。

在連續(xù)測(cè)量的第38天時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)電池電壓降為6 V，不能滿足CC2530控制器3.3 V正常工作電壓的需要。因此可以在一個(gè)發(fā)情周期內(nèi)對(duì)奶牛陰道電阻進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到電阻降低到220 Ω以下時(shí)，表明奶牛處于發(fā)情期，可取出植入式傳感器給終端節(jié)點(diǎn)充電，并對(duì)奶牛進(jìn)行輸精操作。植入式電阻傳感器僅在奶牛1個(gè)發(fā)情周期內(nèi)留置于陰道內(nèi)，時(shí)間較短，可最大程度減小奶牛的應(yīng)激反應(yīng)。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)奶牛發(fā)情時(shí)陰道粘液電阻變化，設(shè)計(jì)了一種基于陰道電阻變化的奶牛發(fā)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確有效地監(jiān)測(cè)奶牛陰道電阻的變化，可實(shí)現(xiàn)24 h奶牛發(fā)情全覆蓋監(jiān)測(cè)，對(duì)奶牛的安靜發(fā)情也能較好地進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(2)設(shè)計(jì)了一種由銅環(huán)電極、8爪防滑裝置構(gòu)成的奶牛陰道植入式電阻傳感器，完成了終端節(jié)點(diǎn)的防水封裝，設(shè)計(jì)了一種固定終端節(jié)點(diǎn)的新型奶牛尾夾，實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的奶牛陰道電阻遠(yuǎn)程無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明，奶牛陰道植入式電阻傳感器體積小，質(zhì)量?jī)H為46 g，測(cè)量精度為±2%，連續(xù)24 h內(nèi)電阻測(cè)量值最大波動(dòng)為2 Ω，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快，上位機(jī)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)奶牛陰道電阻。終端節(jié)點(diǎn)在7.4 V/6 500 mA·h鋰電池供電下，可連續(xù)工作38 d，能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)發(fā)情周期內(nèi)對(duì)奶牛陰道電阻的連續(xù)檢測(cè)。

(4)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)合理，穿透性強(qiáng)，系統(tǒng)可靠性高，數(shù)據(jù)發(fā)送成功率不低于98.5%，能夠方便地實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，為奶牛發(fā)情程度和排卵時(shí)間的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)提供了一種新的方法。