劉忠超，范靈燕

(南陽(yáng)理工學(xué)院智能制造學(xué)院，河南南陽(yáng)，473004)

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的發(fā)展，已經(jīng)從家庭散養(yǎng)戶(hù)向規(guī)?；B(yǎng)殖轉(zhuǎn)變，因此對(duì)奶牛養(yǎng)殖的智能化管理需求迫切[1-2]。同時(shí)，奶牛發(fā)情的及時(shí)有效檢測(cè)能夠提高奶牛懷孕率，提高奶牛養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益。而奶牛發(fā)情時(shí)運(yùn)動(dòng)量明顯增加，接受其他牛爬跨并追逐爬跨其他牛[3]，因此活動(dòng)量是判斷奶牛發(fā)情的重要依據(jù)之一，及時(shí)地觀察檢測(cè)奶牛的活動(dòng)量變化，有助于對(duì)奶牛的發(fā)情及健康狀態(tài)做出正確判斷[4]。

傳統(tǒng)奶牛發(fā)情檢測(cè)一般采用人工觀察法，該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且勞動(dòng)強(qiáng)度大，同時(shí)人工觀測(cè)不及時(shí)易造成漏檢，不能做到對(duì)奶牛發(fā)情狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[5]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究用計(jì)步器實(shí)現(xiàn)奶牛發(fā)情的自動(dòng)檢測(cè)，以色列阿菲金(Afimilk)公司的牧場(chǎng)管理系統(tǒng)通過(guò)計(jì)步器監(jiān)測(cè)奶牛活動(dòng)量來(lái)判斷發(fā)情[6]。德國(guó)韋斯伐利亞(DairyPlan C21系統(tǒng))與瑞典利拉伐(ALPRO系統(tǒng))通過(guò)將計(jì)步器安裝在奶牛腿腕部或佩戴于奶牛頸部，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上傳奶?；顒?dòng)量信息[7]。國(guó)內(nèi)學(xué)者楊勇[8]通過(guò)自主研發(fā)的奶牛計(jì)步器采集奶?；顒?dòng)量，是國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域較早研究的學(xué)者。蔣曉新等[9]用計(jì)步器對(duì)荷斯坦奶牛進(jìn)行發(fā)情鑒定，與人工觀察相比發(fā)情檢出率提高了24.01%。柳平增等[10]基于TI公司MSP430微控制器，設(shè)計(jì)了計(jì)步器來(lái)監(jiān)測(cè)奶牛發(fā)情。胡劍文等采用振動(dòng)傳感器，基于ARM9設(shè)計(jì)了奶牛運(yùn)動(dòng)量無(wú)線(xiàn)采集系統(tǒng)，但系統(tǒng)采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的星狀無(wú)線(xiàn)通信方式，通信距離較短，不適用大型的奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)。

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)奶牛活動(dòng)量的智能化監(jiān)測(cè)是發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此，提出了一種基于STM32和OneNet云平臺(tái)的奶牛計(jì)步器系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了奶牛計(jì)步器采集終端，借助LabVIEW開(kāi)發(fā)了奶牛計(jì)步器上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)奶?；顒?dòng)量的實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)奶?；顒?dòng)量的無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，奶牛計(jì)步器系統(tǒng)主要由五個(gè)功能模塊組成，即STM32主控器最小系統(tǒng)、活動(dòng)量檢測(cè)單元、WIFI無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)、LabVIEW遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控單元以及OLED現(xiàn)場(chǎng)顯示單元。STM32主控器完成活動(dòng)量數(shù)據(jù)接收、處理以及OLED現(xiàn)場(chǎng)顯示單元的顯示控制，活動(dòng)量檢測(cè)單元主要由加速度傳感器ADXL345完成奶?；顒?dòng)量的檢測(cè)。WIFI無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)完成活動(dòng)量數(shù)據(jù)的OneNet云平臺(tái)發(fā)送。遠(yuǎn)程監(jiān)控單元主要是由基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的奶牛計(jì)步器上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 奶牛計(jì)步器系統(tǒng)總體框圖

為了避免奶?；顒?dòng)量監(jiān)測(cè)過(guò)程中繁雜的布線(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)采用WIFI對(duì)計(jì)步器系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)。WIFI技術(shù)覆蓋范圍廣、信號(hào)傳輸穩(wěn)定且速度快、支持的智能終端種類(lèi)多，傳輸距離在10～300 m，在傳輸距離和速度上能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

奶牛計(jì)步器檢測(cè)終端主要由主控模塊STM32最小系統(tǒng)、ADXL345加速度傳感器、ESP8266 WIFI模塊、OLED顯示單元以及電源模塊組成。

2.1 STM32最小系統(tǒng)

奶牛計(jì)步器終端控制芯片選擇STM32F103C8T6，其工作電壓為2～3.6 V，1個(gè)16位高級(jí)控制定時(shí)器，3個(gè)16位通用定時(shí)器，有2組晶振電路，分別為單片機(jī)和RTC提供時(shí)鐘源。最小系統(tǒng)主要由電源電路、時(shí)鐘電路、BOOT啟動(dòng)電路、調(diào)試下載電路、復(fù)位電路組成，設(shè)計(jì)用到7個(gè)引腳用于連接外設(shè)，PA0和PA1分別連接OLED顯示屏的時(shí)鐘線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)，PA2、PA3以及PB1分別連接WIFI模塊的RXD、RST和TXD，PA4和PA5分別連接加速度傳感器的時(shí)鐘線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)。STM32F103C8T6單片機(jī)與外部接口電路原理圖如圖2所示。

圖2 STM32單片機(jī)接口原理圖

2.2 OLED顯示屏電路設(shè)計(jì)

為了使操作人員便于現(xiàn)場(chǎng)觀察奶牛運(yùn)動(dòng)情況，系統(tǒng)采用0.96寸OLED顯示屏對(duì)奶?；顒?dòng)量進(jìn)行就地現(xiàn)場(chǎng)顯示。該顯示屏具有四個(gè)引腳，分別為GND、VCC、SCL、SDA。該顯示屏支持的電壓范圍為3～5.5 V，其中采用IIC通信方式與STM32通信，其中SCL為IIC通信時(shí)鐘線(xiàn)，SDA為數(shù)據(jù)線(xiàn)。

2.3 ADXL345加速度傳感器

加速度傳感器ADXL345是一款超低功耗的3軸加速度計(jì)，具有分辨率高、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[11]，該傳感器體積小而輕薄，不會(huì)影響奶牛的正?；顒?dòng)，可以滿(mǎn)足奶牛養(yǎng)殖環(huán)境的使用條件，同時(shí)能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)所需的測(cè)量范圍。

ADXL345工作的通訊方式為IIC協(xié)議，只需連接傳感器的四個(gè)引腳即可工作，分別是SCL時(shí)鐘線(xiàn)、SDA數(shù)據(jù)線(xiàn)、3V3和GND，可以方便地與主控器進(jìn)行通信。

2.4 ESP8266硬件電路設(shè)計(jì)

在穿戴式電子設(shè)計(jì)與物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)中，ESP8266具有極高的性?xún)r(jià)比，可以靈活地配置所需的WIFI數(shù)據(jù)傳輸方案，通過(guò)配置可以獲得最低功耗的機(jī)器狀態(tài)[12]。因此系統(tǒng)WIFI模塊選用ESP8266-01，ESP8266-01采用串口與主控設(shè)備STM32進(jìn)行通信。

2.5 計(jì)步器封裝設(shè)計(jì)

計(jì)步器外殼封裝借助于Solid Edge 2020軟件對(duì)奶牛計(jì)步器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行3D建模，結(jié)合PCB的大小以及加速度傳感器、電池、OLED屏的位置等因素，制作合適外殼封裝，主要由外殼底部和外殼頂部組成。選擇無(wú)毒、無(wú)味、柔軟的高密度聚乙烯材料(High density polyethylene，HDPE)來(lái)封裝傳感器[13]，對(duì)奶牛健康和應(yīng)激反應(yīng)影響小。節(jié)點(diǎn)終端外殼由3D打印而成，把OLED屏固定至頂部，把焊接好的PCB板固定至底部，連接對(duì)應(yīng)引腳，裝好電池以及固定腕帶進(jìn)行計(jì)步器封裝。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由系統(tǒng)主程序、ADXL345加速度傳感器程序、ESP8266與OneNet云平臺(tái)通信以及LabVIEW計(jì)步器上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)四部分組成，選擇Keil uVision5作為系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

3.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

系統(tǒng)主程序首先對(duì)單片機(jī)各個(gè)引腳功能進(jìn)行初始化，定義相關(guān)的數(shù)據(jù)變量，在外設(shè)模塊中調(diào)用相應(yīng)的引腳，隨后完成外設(shè)模塊OLED顯示屏、ADXL345和串口的初始化，并對(duì)ESP8266-01模塊進(jìn)行配置，開(kāi)啟服務(wù)器熱點(diǎn)，使WIFI模塊連接相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)使無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入云平臺(tái)，直至接入成功，延時(shí)設(shè)定時(shí)間后讀取加速度傳感器ADXL345數(shù)值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將讀取到的加速度數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)并同時(shí)在顯示屏顯示。

3.2 ADXL345加速度傳感器程序設(shè)計(jì)

為了檢測(cè)奶?；顒?dòng)量的大小，只需實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前步數(shù)和運(yùn)動(dòng)距離。因此在設(shè)計(jì)計(jì)步器硬件電路時(shí)，為了最大限度降低系統(tǒng)的整體功耗，提高計(jì)步器運(yùn)行效率，ADXL345加速度采用定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)來(lái)檢測(cè)奶牛的活動(dòng)情況，減少了三個(gè)軸數(shù)據(jù)檢測(cè)的工作，在數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸上都得到了較好地優(yōu)化，提高了處理的速度。ADXL345加速度傳感器數(shù)據(jù)采用IIC的傳輸模式，首先通過(guò)寫(xiě)功能配置完相應(yīng)的寄存器，完成ADXL345傳感器的初始化。初始化配置成功后直接讀取當(dāng)前值，通過(guò)讀取數(shù)據(jù)線(xiàn)狀態(tài)，定義數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，存儲(chǔ)相應(yīng)X、Y、Z三軸的數(shù)據(jù)。然后進(jìn)行讀位操作，讀取GPIO引腳，配置引腳的輸入輸出模式，根據(jù)IIC傳輸時(shí)序圖，實(shí)現(xiàn)加速度數(shù)據(jù)的有效傳輸。程序流程如圖4所示。

圖4 ADXL345加速度處理流程圖

3.3 ESP8266與OneNet云平臺(tái)通信

系統(tǒng)WIFI模塊與云平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)發(fā)送采用MQTT協(xié)議。WIFI模塊要想實(shí)現(xiàn)加速度數(shù)據(jù)的接收并發(fā)送到OneNet云平臺(tái)，需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的配置，首先配置與上傳服務(wù)器有關(guān)的數(shù)據(jù)中心域名或IP地址、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心端口、產(chǎn)品ID、鑒權(quán)信息、設(shè)備ID和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。然后初始化WIFI模塊，發(fā)送AT指令配置工作模式，設(shè)置串口波特率，清空WIFI模塊的數(shù)據(jù)緩存，將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至WIFI模塊，檢查發(fā)送的命令，若為0表示命令發(fā)送成功，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(tái)，利用WIFI模塊連接服務(wù)器熱點(diǎn)可以得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。利用WIFI模塊實(shí)現(xiàn)上傳云平臺(tái)功能的流程圖如圖5所示。

圖5 WIFI模塊實(shí)現(xiàn)上傳云平臺(tái)功能流程圖

3.4 計(jì)步器上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)采用虛擬儀器(VI)領(lǐng)域中最具有代表性的圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW作為上位機(jī)開(kāi)發(fā)軟件，LabVIEW封裝程度高，基本上不用寫(xiě)程序代碼，編寫(xiě)開(kāi)發(fā)程序速度快[14]。根據(jù)LabVIEW程序設(shè)計(jì)的模塊化思想，設(shè)計(jì)了奶牛運(yùn)動(dòng)信息上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括用戶(hù)登錄、云平臺(tái)數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)顯示和監(jiān)控以及報(bào)表等功能模塊[15]。

1) 用戶(hù)登錄管理界面。用戶(hù)登錄是數(shù)據(jù)管理的重要部分，也是監(jiān)控界面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，該監(jiān)控系統(tǒng)須提供滿(mǎn)足登錄條件的信息，才能進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行操作。在程序VI界面內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的用戶(hù)名和密碼，操作人員輸入信息后，首先會(huì)判斷信息是否正確，當(dāng)用戶(hù)名和密碼輸入無(wú)誤后可以進(jìn)入監(jiān)控主界面。

2) 數(shù)據(jù)顯示及監(jiān)控界面。LabVIEW上位機(jī)監(jiān)控界面如圖6所示，主要功能為顯示奶牛運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)等相關(guān)信息。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，利用從OneNet云平臺(tái)獲取的奶牛計(jì)步運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，通過(guò)截取字符串控件，提取相關(guān)變量。為了界面顯示直觀具有可讀性，上位機(jī)監(jiān)控頁(yè)面內(nèi)添加了運(yùn)動(dòng)儀表，可以觀察儀表盤(pán)指針的動(dòng)態(tài)變化，從而將對(duì)應(yīng)奶牛運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)通過(guò)儀表直觀顯示出來(lái)，并通過(guò)字符串顯示控件顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖6 奶牛運(yùn)動(dòng)信息監(jiān)控界面

3) 數(shù)據(jù)存取及報(bào)表模塊。為了方便用戶(hù)調(diào)出歷史數(shù)據(jù)值進(jìn)行查閱研究和分析，采用將每次記錄的數(shù)據(jù)以EXCEL形式保存到數(shù)據(jù)存放文件夾，每個(gè)表格對(duì)應(yīng)不同編號(hào)的奶牛運(yùn)動(dòng)信息[16]。用戶(hù)運(yùn)行程序之前需選擇事先創(chuàng)建好的EXCEL表格，點(diǎn)擊運(yùn)行，登錄用戶(hù)名和密碼之后，會(huì)彈出相應(yīng)的表格并顯示最小化。在運(yùn)行過(guò)程中，點(diǎn)擊停止按鈕，表格會(huì)自動(dòng)保存相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及分析

設(shè)計(jì)3個(gè)計(jì)步器節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和活動(dòng)量檢測(cè)的準(zhǔn)確性。為了實(shí)時(shí)觀察奶牛的運(yùn)動(dòng)情況，便于分析奶牛運(yùn)動(dòng)變化情況，上位機(jī)系統(tǒng)添加了實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，隨著時(shí)間的變化，根據(jù)曲線(xiàn)的走向可以觀察到某個(gè)時(shí)間段奶牛運(yùn)動(dòng)量的變化，可以更好地便于工作人員對(duì)奶牛運(yùn)動(dòng)變化量進(jìn)行分析，上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 奶牛活動(dòng)量上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控曲線(xiàn)

由于奶牛發(fā)情狀態(tài)需要對(duì)比分析歷史活動(dòng)量，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，通過(guò)獲取歷史數(shù)據(jù)可以清楚地觀察到奶牛運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的詳細(xì)變化，每個(gè)計(jì)步器有對(duì)應(yīng)的編號(hào)、當(dāng)前運(yùn)動(dòng)時(shí)間以及運(yùn)動(dòng)信息等。

對(duì)計(jì)步器系統(tǒng)檢測(cè)奶牛運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)人工觀察計(jì)數(shù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)步數(shù)與計(jì)步器系統(tǒng)檢測(cè)步數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以人工觀察實(shí)際運(yùn)動(dòng)每100步為一次循環(huán)測(cè)試，共測(cè)試5次，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 計(jì)步器系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確率

由測(cè)試結(jié)果可以看出，開(kāi)發(fā)的奶牛計(jì)步器系統(tǒng)計(jì)步精確度較高，準(zhǔn)確率可達(dá)97%以上，OneNet云平臺(tái)端成功接收到ESP8266 WIFI下位機(jī)發(fā)送的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)奶?；顒?dòng)量的實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程、無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)，滿(mǎn)足了奶?；顒?dòng)量及發(fā)情檢測(cè)的需要。

5 結(jié)論

1) 基于STM32和OneNet物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了奶牛計(jì)步器系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，固定方便，奶?；顒?dòng)量檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)97%，能夠有效提高奶?；顒?dòng)量檢測(cè)的便捷性，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

2) 基于LabVIEW開(kāi)發(fā)了奶牛計(jì)步器上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)奶牛活動(dòng)量的無(wú)線(xiàn)、遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高了奶牛發(fā)情監(jiān)測(cè)的智能化水平，對(duì)畜牧領(lǐng)域其他動(dòng)物的活動(dòng)量監(jiān)測(cè)也具有一定的參考意義。