趙繼政 莊蒲寧 石富磊 陸 成 董正奇

(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.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

畜牧業(yè)是農(nóng)業(yè)的重要組成部分，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)[1]。近年來(lái)，我國(guó)奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)規(guī)?；潭炔粩嗉由頪2]。在規(guī)?；B(yǎng)殖中，飼養(yǎng)員難以實(shí)現(xiàn)對(duì)每頭奶牛健康狀況進(jìn)行精細(xì)化監(jiān)管，如果奶牛體征異常發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，容易產(chǎn)生較大經(jīng)濟(jì)損失[3]。因此，奶牛健康狀況的自動(dòng)監(jiān)測(cè)是提升奶牛養(yǎng)殖管理水平的關(guān)鍵手段。

瘤胃是奶牛前消化系統(tǒng)的重要組成部分。瘤胃pH值和溫度是瘤胃功能正常與否的重要指標(biāo)[4]。在規(guī)模化奶牛養(yǎng)殖中，為提高牛奶產(chǎn)量，飼喂過(guò)程中大量添加高淀粉、高蛋白質(zhì)、低纖維的精飼料[5]。精飼料發(fā)酵過(guò)程中，產(chǎn)生大量揮發(fā)性脂肪酸，引起奶牛瘤胃pH值降低[6]。當(dāng)瘤胃pH值低于5.0時(shí)，奶牛發(fā)生急性瘤胃酸中毒，臨床癥狀明顯[7]。當(dāng)瘤胃pH值低于5.6且每天持續(xù)時(shí)間超過(guò)3 h[8]或低于5.8超過(guò)5～6 h[9]時(shí)，奶牛將發(fā)生亞急性瘤胃酸中毒(Subacute ruminal acidosis, SARA)。規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)中，SARA發(fā)病率較高[10-11]。SARA的早期臨床癥狀不明顯，難以發(fā)現(xiàn)。后期不僅會(huì)影響奶牛的采食量和產(chǎn)奶量，而且會(huì)誘發(fā)瘤胃炎、跛行、肝臟膿腫、腹瀉等疾病，增加奶牛的淘汰率，降低養(yǎng)殖收益[12-13]。研究表明瘤胃溫度和奶牛體溫存在顯著相關(guān)[14]，而體溫是奶牛健康狀況的直接生理指標(biāo)。因此，監(jiān)測(cè)奶牛瘤胃pH值和溫度可為精準(zhǔn)飼喂和管理提供直接的參考依據(jù)。

傳統(tǒng)瘤胃pH值測(cè)定方法有瘤胃穿刺法[15]、口腔胃管法[16]和瘤胃瘺管取樣法[17-18]。體溫測(cè)量主要使用溫度計(jì)測(cè)定直腸溫度。傳統(tǒng)檢測(cè)主要依賴人工開(kāi)展，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，不能滿足規(guī)模化奶牛養(yǎng)殖普遍、精準(zhǔn)測(cè)量的需求[19]。目前，國(guó)外多項(xiàng)研究機(jī)構(gòu)和公司開(kāi)發(fā)了瘤胃pH值和溫度連續(xù)監(jiān)測(cè)的設(shè)備。

早期產(chǎn)品采用有線裝置連續(xù)測(cè)量瘤胃pH值[20]。隨后，PENNER等[21]設(shè)計(jì)了留置式瘤胃pH值和溫度測(cè)量設(shè)備。在測(cè)量完成后，取出設(shè)備，再連接計(jì)算機(jī)讀取數(shù)據(jù)。之后，MOTTRAM等[22]設(shè)計(jì)了一種無(wú)線瘤胃pH值連續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備，可連續(xù)監(jiān)測(cè)35 d以上，該設(shè)備無(wú)線信號(hào)傳輸可靠性需要進(jìn)一步提高。SATO等[23]設(shè)計(jì)的無(wú)線瘤胃pH值測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量誤差在±0.2內(nèi)。在瘤胃溫度測(cè)量方面，KIM等[24]連續(xù)監(jiān)測(cè)瘤胃溫度，用于奶牛乳腺炎的早期發(fā)現(xiàn)。TIMSIT等[25]開(kāi)發(fā)了瘤胃溫度傳感器，以檢測(cè)犢牛的呼吸系統(tǒng)疾病。國(guó)內(nèi)研究對(duì)瘤胃pH值和溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備的研發(fā)做了初步探索。文獻(xiàn)[26]設(shè)計(jì)了連續(xù)檢測(cè)反芻動(dòng)物瘤胃液pH值的有線設(shè)備。該設(shè)備需要奶牛在固定位置，限制了奶牛的自由活動(dòng)。目前，在無(wú)線瘤胃pH值和溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)方面，國(guó)內(nèi)尚無(wú)商用產(chǎn)品。

本文針對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)方法存在的不足，設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的奶牛瘤胃pH值和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的pH值和溫度檢測(cè)單元長(zhǎng)期放置在奶牛瘤胃內(nèi)，通過(guò)無(wú)線通信方式將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理，實(shí)現(xiàn)瘤胃pH值和溫度的連續(xù)監(jiān)測(cè)，為奶牛健康監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)飼喂提供參考。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 瘤胃pH值和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of rumen pH value and temperature monitoring system

奶牛瘤胃pH值和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)瘤胃pH值和溫度的連續(xù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸、云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括瘤胃pH值和溫度檢測(cè)單元、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)(包括項(xiàng)圈中繼節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)集中器)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理云平臺(tái)。具體工作過(guò)程如下：檢測(cè)單元獲取瘤胃pH值和溫度后，通過(guò)315 MHz無(wú)線信號(hào)將數(shù)據(jù)傳輸至項(xiàng)圈中繼節(jié)點(diǎn)。項(xiàng)圈中繼節(jié)點(diǎn)通過(guò)TI-15.4協(xié)議進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)，數(shù)據(jù)集中器匯集各項(xiàng)圈節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過(guò)串口接收集中器匯集的數(shù)據(jù)，然后，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)按照MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至阿里云平臺(tái)。云平臺(tái)將數(shù)據(jù)解析后，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)端實(shí)時(shí)可視化顯示。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 瘤胃pH值和溫度檢測(cè)單元設(shè)計(jì)

檢測(cè)單元包括信號(hào)檢測(cè)、控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和電源模塊。其中，信號(hào)檢測(cè)模塊包括pH值復(fù)合電極、Pt1000鉑電阻、信號(hào)緩沖和轉(zhuǎn)換電路。電路采用3.6 V鋰電池進(jìn)行供電。硬件組成框圖如圖2所示。

圖2 瘤胃pH值和溫度檢測(cè)單元硬件組成框圖Fig.2 Hardware diagram of rumen pH value and temperature measurement unit

2.1.1瘤胃pH值測(cè)量原理

瘤胃pH值檢測(cè)采用電位測(cè)量法，pH值復(fù)合電極由氫離子敏感玻璃電極和參比電極組成，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)電極之間的電壓計(jì)算pH值。電極電壓遵循能斯特方程[27-28]

(1)

式中Ex——測(cè)量電位,V

E0——標(biāo)準(zhǔn)電極電位,V

T——熱力學(xué)溫度,K

R——?dú)怏w常數(shù),8.314 J/(K·mol)

F——法拉第常數(shù),9.649×104C/mol

pHx——待測(cè)溶液pH值

pHs——標(biāo)準(zhǔn)pH值

標(biāo)準(zhǔn)pH值為7時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)電極電位為0 mV。

瘤胃pH值測(cè)量電路選用上海三信LabSen331 pH值復(fù)合電極。該電極采用預(yù)加壓聚合物參比系統(tǒng)，無(wú)需添加電解液，測(cè)量時(shí)對(duì)放置方向沒(méi)有要求。同時(shí)，電極采用開(kāi)放式隔膜設(shè)計(jì)，可以避免堵塞問(wèn)題。pH值測(cè)量范圍為0～14。

2.1.2溫度測(cè)量原理

溫度傳感器采用兩線制Pt1000鉑電阻，用于瘤胃的溫度測(cè)量和pH值測(cè)量的溫度補(bǔ)償。Pt1000鉑電阻對(duì)導(dǎo)線電阻不敏感，且在本設(shè)計(jì)中與測(cè)量電路間直接相連，導(dǎo)線電阻引入的誤差可以忽略。

Pt1000鉑電阻的電阻與溫度的換算公式[29]為

Rt=R0(1+At+Bt2)

(2)

其中

A=3.908 3×10-3℃-1

B=-5.775×10-7℃-2

式中t——溫度,℃

A、B——IEC751國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)

Rt——溫度為t時(shí)鉑電阻的電阻，Ω

R0——0℃時(shí)鉑電阻的電阻，為1 000 Ω

選用A級(jí)Pt1000鉑電阻，其允許的溫度誤差為±(0.15+0.002|t|)，|t|表示溫度的絕對(duì)值[30]。

2.1.3數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

LabSen331 pH值復(fù)合電極內(nèi)阻典型范圍為107～108Ω，要求測(cè)量電路具有足夠高的輸入阻抗。本設(shè)計(jì)選用ADI公司的AD8603作為電壓跟隨器對(duì)pH值復(fù)合電極輸出電壓進(jìn)行緩沖。AD8603最大輸入偏置電流為1 pA。以LabSen331最大內(nèi)阻108Ω計(jì)算，產(chǎn)生最大誤差為0.1 mV。信號(hào)采集電路原理圖如圖3a所示。

圖3 檢測(cè)電路原理圖Fig.3 Schematic of signal acquisition

模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用ADI公司的AD7792。AD7792具有SPI接口、16位有效分辨率、3通道差分模擬輸入和兩個(gè)內(nèi)置電流源。本設(shè)計(jì)中，通道1用于檢測(cè)Pt1000鉑電阻產(chǎn)生的電壓，通道2用于檢測(cè)pH值復(fù)合電極產(chǎn)生的電壓。AD7792內(nèi)置電流源2輸出210 μA激勵(lì)電流流入Pt1000和2 kΩ(±0.05%)電阻組成的串聯(lián)組合，在2 kΩ精密電阻兩端產(chǎn)生420 mV的電壓作為AD7792的基準(zhǔn)電壓。AD7792工作模式下電流為130 μA，省電模式下電流為1 μA，符合電路低功耗設(shè)計(jì)需求。A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖3b所示。

考慮到實(shí)際應(yīng)用，pH值檢測(cè)范圍設(shè)置為4～10，根據(jù)式(1)可知，pH值電極會(huì)產(chǎn)生±177 mV的電壓。pH值分辨率0.01，對(duì)應(yīng)電壓約為0.6 mV。溫度檢測(cè)時(shí)，Pt1000鉑電阻在210 μA激勵(lì)電流下，0.05℃溫度變化產(chǎn)生的電壓約為0.04 mV。AD7792可分辨0.013 mV電壓，AD7792分辨率能夠達(dá)到要求。

2.1.4主控電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路原理圖如圖4所示。為減小電路功耗，微控制器(Microcontroller unit, MCU)選用意法半導(dǎo)體的STM8L151。該芯片基于8位STM8內(nèi)核，采用超低漏電流工藝，能夠有效降低功耗。在本設(shè)計(jì)中，STM8L151在工作模式和使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘(Real-time clock, RTC)喚醒的休眠模式之間切換。在休眠模式，電流為1.4 μA。

考慮到瘤胃pH值和溫度檢測(cè)單元需要密封，本設(shè)計(jì)采用低功耗霍爾元件CC6203實(shí)現(xiàn)非接觸式電路控制。

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期存儲(chǔ)，本設(shè)計(jì)采用Atmel公司的AT24C512作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片，通過(guò)I2C總線與MCU通信。該芯片可存儲(chǔ)64 KB數(shù)據(jù)。實(shí)際工作中，按照每10 min采樣一次、每次存儲(chǔ)4字節(jié)的數(shù)據(jù)計(jì)算，AT24C512芯片可存儲(chǔ)111 d數(shù)據(jù)。

2.1.5無(wú)線傳輸電路設(shè)計(jì)

無(wú)線傳輸電路采用TI公司的CC1101作為射頻芯片，具有低成本、高靈敏度和低功耗的特點(diǎn)，其休眠電流為0.2 μA，CC1101通過(guò)SPI串行接口與STM8L151連接。由于低頻段信號(hào)能夠較好從動(dòng)物體內(nèi)穿透[31]，CC1101頻率設(shè)定為315 MHz，調(diào)制方式為GFSK，信道間隔為200 kHz，數(shù)據(jù)速率為1.2 kb/s，輸出功率為10 dBm。其接收靈敏度為-109 dBm。

2.1.6瘤胃pH值和溫度檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

瘤胃pH值和溫度檢測(cè)單元3D結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物如圖5所示。其中，pH值電極直徑12 mm、長(zhǎng)度160 mm。檢測(cè)單元上殼頂部壁厚7 mm。為保護(hù)pH值電極，下殼底距pH值電極敏感頭6 mm。設(shè)計(jì)裝配余量2 mm，結(jié)合pH值電極長(zhǎng)度，檢測(cè)單元封裝后長(zhǎng)175 mm。設(shè)計(jì)選用14505型3.6 V鋰電池，該電池直徑14.5 mm，長(zhǎng)度50.5 mm。電路板尺寸為20 mm×40 mm。為防止檢測(cè)單元pH值電極附近的瘤胃內(nèi)容物積聚，pH值電極軸線距檢測(cè)單元下殼內(nèi)壁10 mm。下殼內(nèi)徑設(shè)計(jì)為32 mm，上殼內(nèi)徑設(shè)計(jì)為35 mm，檢測(cè)單元上下殼之間通過(guò)螺紋連接，螺紋為M38。外殼最薄處壁厚設(shè)計(jì)為5 mm，封裝后外殼直徑45 mm。在檢測(cè)單元前端增加SU304不銹鋼配重。該配重直徑30 mm，高15 mm，質(zhì)量為60 g。最終，檢測(cè)單元總體質(zhì)量為260 g，密度為1.05 g/cm3。檢測(cè)單元下殼側(cè)邊開(kāi)孔避免在pH值電極敏感頭處形成氣體空腔造成敏感頭和液絡(luò)部無(wú)法接觸瘤胃液。外殼采用尼龍材料制造，滿足無(wú)毒、無(wú)味、強(qiáng)度高、耐腐蝕的要求。

圖5 瘤胃pH值和溫度檢測(cè)單元Fig.5 Rumen pH value and temperature measurement unit1.上殼 2.pH值復(fù)合電極 3.鋰電池 4.電路板 5.Pt1000鉑電阻 6.配重塊 7.下殼

2.1.7瘤胃pH值和溫度檢測(cè)單元程序設(shè)計(jì)

瘤胃pH值和溫度檢測(cè)單元具備待機(jī)、校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集與傳輸和歷史數(shù)據(jù)傳輸4種模式。程序框圖如圖6所示。

圖6 瘤胃pH值和溫度檢測(cè)單元程序框圖Fig.6 Software flow diagram of rumen pH value and temperature measurement unit

程序初始化完成后，檢測(cè)單元開(kāi)啟外部中斷進(jìn)入休眠。使用磁鐵接近檢測(cè)單元的霍爾傳感器，觸發(fā)外部中斷，程序進(jìn)行工作模式判斷。當(dāng)霍爾傳感器持續(xù)觸發(fā)5 s后，檢測(cè)單元進(jìn)入校準(zhǔn)模式，分別插入到pH值為4.00、6.86和9.18的標(biāo)準(zhǔn)緩沖液進(jìn)行校準(zhǔn)。完成后，如果10 s內(nèi)無(wú)操作重新進(jìn)入待機(jī)模式。如果10 s內(nèi)再次觸發(fā)霍爾傳感器(時(shí)間小于3 s)，程序進(jìn)入數(shù)據(jù)采集和傳輸模式。檢測(cè)單元檢測(cè)間隔時(shí)間可以預(yù)先設(shè)定。在完成數(shù)據(jù)采集與傳輸后，程序進(jìn)入休眠。程序按照檢測(cè)間隔時(shí)間進(jìn)行定時(shí)，利用RTC定時(shí)中斷觸發(fā)新一次的數(shù)據(jù)采集與傳輸。在任何模式下，如果連續(xù)觸發(fā)霍爾傳感器15 s以上，檢測(cè)單元進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)傳輸程序，可以一次讀取AT24C512芯片的所有數(shù)據(jù)。

2.2 無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.2.1無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)包括項(xiàng)圈中繼節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)集中器兩部分。項(xiàng)圈中繼節(jié)點(diǎn)在降低瘤胃pH值檢測(cè)單元功耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸。數(shù)據(jù)集中器負(fù)責(zé)建立和維護(hù)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)采用Sub-1GHz頻段進(jìn)行組網(wǎng)。本設(shè)計(jì)選用基于IEEE802.15.4協(xié)議的TI-15.4協(xié)議組建無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)。

項(xiàng)圈中繼節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)集中器主芯片均采用TI公司的CC1310。芯片內(nèi)部集成了超低功耗射頻收發(fā)器與48 MHz Cortex-M3微控制器。在本設(shè)計(jì)中，CC1310無(wú)線傳輸頻率設(shè)定為433 MHz，傳輸速率為50 kb/s，輸出功率為14 dBm，接收靈敏度為-110 dBm。項(xiàng)圈中繼節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)集中器實(shí)物如圖7所示。

圖7 項(xiàng)圈中繼節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)集中器實(shí)物圖Fig.7 Collar node and data collector

2.2.2無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)在TI-15.4協(xié)議棧程序的基礎(chǔ)上增加瘤胃數(shù)據(jù)采集程序，實(shí)現(xiàn)多頭奶牛的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。TI-15.4協(xié)議使用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持信標(biāo)模式、非信標(biāo)模式以及跳頻3種網(wǎng)絡(luò)通信模式。本設(shè)計(jì)中，無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)使用非信標(biāo)模式。數(shù)據(jù)集中器在初始化完成后，首先進(jìn)行能量掃描，確定干擾最小的信道。然后，掃描該區(qū)域已有網(wǎng)絡(luò)，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)建立網(wǎng)絡(luò)。項(xiàng)圈中繼節(jié)點(diǎn)在初始化完成后廣播信標(biāo)，數(shù)據(jù)集中器響應(yīng)信標(biāo)后，項(xiàng)圈中繼節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。項(xiàng)圈中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)完成后，進(jìn)入休眠以降低功耗。在接收到瘤胃pH值和溫度檢測(cè)單元上傳的數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)集中器。數(shù)據(jù)集中器始終打開(kāi)，不發(fā)送周期性信標(biāo)，實(shí)時(shí)偵聽(tīng)來(lái)自項(xiàng)圈中繼節(jié)點(diǎn)的信號(hào)。數(shù)據(jù)集中器收集各項(xiàng)圈中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后，通過(guò)串口通信發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)程序框圖如圖8所示。

圖8 無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)程序框圖Fig.8 Software flow diagram of wireless transmission network

2.3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和顯示界面設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用阿里云作為云端數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)處理中心。本地物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)程序運(yùn)行在Ubuntu 16.04主機(jī)上，接收到數(shù)據(jù)集中器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)以MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)包發(fā)送給云平臺(tái)。顯示界面使用IoT Studio可視化開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)。云平臺(tái)根據(jù)數(shù)據(jù)包中的設(shè)備憑證解析數(shù)據(jù)包并建立實(shí)際設(shè)備和虛擬設(shè)備的連接。工作人員通過(guò)顯示界面實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史記錄查詢等數(shù)據(jù)的分析工作。云平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示界面如圖9所示，主要有4部分：登錄界面、設(shè)備管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和歷史數(shù)據(jù)查詢。

2005—2015年，我國(guó)廢水排放量由524.50億t/年增至735.30億t/年，復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)3.44%。

圖9 云平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示界面Fig.9 Interface of cloud platform real-time monitoring

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 pH值測(cè)量準(zhǔn)確性試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，以校準(zhǔn)后的標(biāo)準(zhǔn)pH計(jì)(上海三信儀表廠，SX811-WW型，±0.01)測(cè)量溶液的pH值為真實(shí)值，在pH值4～10范圍內(nèi)配制10種不同pH值溶液。首先將盛有溶液的燒杯放置到恒溫水浴鍋中，溫度設(shè)定為39℃。瘤胃pH值和溫度檢測(cè)單元校準(zhǔn)后，將檢測(cè)單元和標(biāo)準(zhǔn)pH計(jì)同時(shí)插入燒杯中，pH計(jì)讀數(shù)在10 min內(nèi)不發(fā)生變化，記錄此次測(cè)量結(jié)果。

試驗(yàn)對(duì)3個(gè)檢測(cè)單元分別進(jìn)行測(cè)試。pH值真實(shí)值與檢測(cè)單元測(cè)量值的對(duì)比結(jié)果如表1所示。測(cè)量結(jié)果顯示檢測(cè)單元的pH值測(cè)量絕對(duì)誤差為±0.02，且一致性良好。

3.2 溫度測(cè)量準(zhǔn)確性試驗(yàn)

為驗(yàn)證溫度測(cè)量準(zhǔn)確性，選用精密直流電阻箱(上海正陽(yáng)儀表廠，ZX76P型，±0.01%)作為Pt1000的等效電阻。奶牛瘤胃內(nèi)正常溫度在39℃左右，奶牛飲用冷水后，瘤胃內(nèi)溫度會(huì)下降到30℃左右，在一段時(shí)間后恢復(fù)到正常水平[32]。故測(cè)試范圍設(shè)定在25～50℃。根據(jù)Pt1000鉑電阻溫度、電阻對(duì)照表，在測(cè)試范圍內(nèi)每隔5℃設(shè)定電阻箱電阻。

測(cè)試結(jié)果如表2所示，設(shè)計(jì)測(cè)溫電路的測(cè)量誤差為±0.05℃。在測(cè)溫范圍內(nèi)，將以上試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與Pt1000鉑電阻的允許溫度誤差相加，測(cè)溫精度在±0.3℃以內(nèi)。

表1 pH值測(cè)量準(zhǔn)確性試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of pH value measurement accuracy

表2 溫度測(cè)量準(zhǔn)確性試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Result of temperature measurement accuracy

3.3 瘤胃pH值和溫度檢測(cè)單元功耗試驗(yàn)

瘤胃pH值和溫度檢測(cè)單元需要長(zhǎng)期留置在奶牛瘤胃內(nèi)，功耗對(duì)檢測(cè)單元的工作壽命具有重要的影響。工作狀態(tài)電流使用低功耗分析儀(是德科技有限公司，N6705C型)測(cè)量。低功耗分析儀通過(guò)USB數(shù)據(jù)線連接計(jì)算機(jī)，采樣間隔設(shè)置為1 ms，使用14585A控制和分析軟件記錄并導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

檢測(cè)單元定時(shí)喚醒，測(cè)量pH值和溫度，并完成無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。工作模式共持續(xù)1 650 ms。通過(guò)計(jì)算，工作模式平均電流為7.4 mA。使用福祿克15B+型萬(wàn)用表測(cè)得休眠模式電流平均值為20 μA。檢測(cè)單元檢測(cè)時(shí)間間隔為10 min時(shí)，計(jì)算可得平均電流值為0.040 3 mA。鋰電池容量為2 200 mA·h，鑒于瘤胃環(huán)境溫度為39℃左右，電池容量按照標(biāo)稱(chēng)容量的80%計(jì)算，電池使用壽命可達(dá)1 800 d。

3.4 無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)可靠性試驗(yàn)

將數(shù)據(jù)集中器連接X(jué)DS110仿真器，XDS110通過(guò)USB數(shù)據(jù)線連接計(jì)算機(jī)，天線固定在牛舍內(nèi)。打開(kāi)Smart RF Studio7頻率設(shè)置為433 MHz，傳輸速率50 kb/s，輸出功率14 dBm。移動(dòng)項(xiàng)圈節(jié)點(diǎn)在牛舍30～240 m范圍內(nèi)每隔50 m項(xiàng)圈節(jié)點(diǎn)發(fā)送1 000個(gè)數(shù)據(jù)包，測(cè)試丟包率。由表3可以看出，通信距離在180 m以內(nèi)能夠可靠通信，滿足實(shí)際需求。

表3 無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)丟包率Tab.3 Packet loss rate of wireless network

3.5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.5.1試驗(yàn)方案

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)畜牧教學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)選擇1頭體質(zhì)量為600 kg、裝有瘤胃瘺管的泌乳期荷斯坦奶牛為試驗(yàn)動(dòng)物。該奶牛每天于07:00和19:30飼喂，全天自由飲水。圖10為奶牛佩戴項(xiàng)圈中繼節(jié)點(diǎn)以及瘤胃pH值和溫度檢測(cè)單元放置圖。數(shù)據(jù)集中器和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)布置在50 m外的牛場(chǎng)辦公室。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)部署Fig.10 Field test deployment diagrams

試驗(yàn)于2021年7月26日19:00開(kāi)始，共5 d。試驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)瘤胃pH值和溫度檢測(cè)單元進(jìn)行校準(zhǔn)。設(shè)定檢測(cè)時(shí)間間隔為10 min。通過(guò)瘺管將檢測(cè)單元放置到瘤胃下部。試驗(yàn)期間，每次人工抽取靠近檢測(cè)單元的瘤胃液100 mL，使用SX-811WW型便攜式pH計(jì)測(cè)定瘤胃液樣品。試驗(yàn)前3 d分別在09:50和18:30進(jìn)行人工采樣。試驗(yàn)后2 d分別在09:50、15:00和18:30采樣。

3.5.2試驗(yàn)結(jié)果

圖11給出了瘤胃pH值和溫度變化曲線。表4給出了人工測(cè)定的pH值與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄的pH值。結(jié)果顯示，瘤胃液人工測(cè)定pH值與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄值平均絕對(duì)偏差為0.10，最大絕對(duì)偏差為0.20。皮爾遜相關(guān)性分析顯示兩種測(cè)量方法顯著正相關(guān)(r=0.961,P<0.05)。

圖11 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄和人工測(cè)量pH值Fig.11 Records of monitoring system and manual pH value measurement

表4 瘤胃pH值測(cè)定結(jié)果Tab.4 Result of rumen pH value test

人工測(cè)定瘤胃液pH值均高于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄值。國(guó)內(nèi)外研究報(bào)道，人工測(cè)定瘤胃液pH值會(huì)高于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量值0.10左右，這是由于從瘤胃中抽取瘤胃液進(jìn)行測(cè)定時(shí)，瘤胃液CO2或揮發(fā)性脂肪酸揮發(fā)，使得瘤胃液樣品測(cè)定值比實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量值高[33-34]。本試驗(yàn)結(jié)果和上述研究結(jié)果相同。盡管本文未對(duì)瘤胃pH值和溫度進(jìn)行聯(lián)合分析，但是基于已有研究[35]，后續(xù)可以綜合瘤胃pH值和溫度變化對(duì)奶牛瘤胃健康水平和飼料配方是否合理提供更加準(zhǔn)確的參考。

4 結(jié)論

(1)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種瘤胃pH值和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)奶牛瘤胃pH值和溫度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

(2)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，瘤胃檢測(cè)單元pH值測(cè)量絕對(duì)誤差為±0.02，溫度測(cè)量絕對(duì)誤差為±0.3℃，采樣間隔時(shí)間設(shè)定為10 min時(shí)，電池使用壽命可達(dá)1 800 d。無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)可在180 m內(nèi)可靠傳輸，并實(shí)現(xiàn)了自組網(wǎng)。

(3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的瘤胃pH值和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測(cè)瘤胃pH值和溫度的動(dòng)態(tài)變化，為奶牛瘤胃酸中毒的診斷和精準(zhǔn)飼喂提供參考。