熊強(qiáng)強(qiáng)，齊志藝，曾美琳2，

（1.南昌理工學(xué)院，江西 南昌 330044；2.江西工業(yè)貿(mào)易職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西南昌 330038；3.南昌蛋訊電子科技有限公司，江西南昌 330029）

我國科學(xué)技術(shù)水平持續(xù)提升，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)應(yīng)當(dāng)積極引入科技實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)改革，尤其是養(yǎng)殖業(yè)，正處于重要改革和發(fā)展時(shí)期。原本不超過千頭的奶牛和肉牛養(yǎng)殖場是以粗放經(jīng)營模式為主，具有信息技術(shù)水平低和管理水平滯后等問題，導(dǎo)致無法顯著提升飼養(yǎng)效果，同時(shí)也難以控制較高的人工成本。對此，基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，完成以LoRa無線傳感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的群養(yǎng)奶牛個(gè)體信息監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)與實(shí)現(xiàn)，使中小規(guī)模奶牛養(yǎng)殖場的奶牛管理信息化水平得以提升。

1 總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)運(yùn)行之后，首先利用RFID 電子耳標(biāo)辨別奶牛身份[1-3]，然后對奶牛的體溫、心率以及運(yùn)動狀態(tài)信息進(jìn)行采集，接著利用LoRa 無線傳感網(wǎng)絡(luò)向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸這些個(gè)體信息，匯聚節(jié)點(diǎn)成功接收信息后對其進(jìn)行分析和處理，再打包成數(shù)據(jù)幀，利用LoRa 無線傳感網(wǎng)絡(luò)向后端監(jiān)控平臺傳遞，從而利用PC 端監(jiān)控群養(yǎng)奶牛個(gè)體信息，而移動終端可以根據(jù)需要拍照或者錄像，并與后端監(jiān)控平臺實(shí)時(shí)交互信息，使奶牛個(gè)體信息得以共享。系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)具體包括移動終端、服務(wù)器端、監(jiān)控端、匯聚節(jié)點(diǎn)以及監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)包含三個(gè)傳感器，分別用于監(jiān)測奶牛體溫、心率血氧以及運(yùn)動狀態(tài)，RFID 電子耳標(biāo)用于辨別奶牛身份[4-5]。

2.1 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)

動物健康情況可通過體溫改變來體現(xiàn)，就如同人類一樣，低燒高燒就表示身體健康存在異常，養(yǎng)殖奶牛時(shí)對于體溫的監(jiān)測也非常重要。MXL90615 傳感器被用來完成體溫的監(jiān)測，其主要優(yōu)勢為精度高，測得的最高溫與最低溫之差高達(dá)155 ℃，正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中最高溫與最低溫之差是125 ℃，并且具有功耗低、尺寸小和成本低的特征；且響應(yīng)速度快，動態(tài)測量奶牛運(yùn)動時(shí)信息更為便捷。紅外信號通過MXL90615向電信號轉(zhuǎn)變，然后進(jìn)行放大和處理，并保存最終運(yùn)算結(jié)果。

中小型奶牛養(yǎng)殖場空間有限，奶?？偭恳膊荒芴?，否則每一頭奶?；顒臃秶矔芟蓿虼四膛＿\(yùn)動行為都有相應(yīng)的規(guī)律。奶牛運(yùn)動行為能夠反映其健康狀態(tài)，將運(yùn)動傳感器安裝到奶牛的頸部，對其運(yùn)動行為監(jiān)測并獲取圖像，利用去除偽跡算法處理圖像，獲取奶牛的側(cè)臥、走動和采食等行為。監(jiān)測奶牛全天運(yùn)動行為，通過算法比較所有圖像，獲取奶牛運(yùn)動位移，進(jìn)而對加速度等進(jìn)行計(jì)算，最后根據(jù)奶牛運(yùn)動量對奶牛健康狀態(tài)進(jìn)行判斷。該研發(fā)系統(tǒng)中測量運(yùn)動的傳感器選用的是LIS2DH，可實(shí)現(xiàn)三軸加速度的測量，低功耗情況下電流只有2 μA，輸出頻率范圍在1 Hz～5.3 kHz，加速度量程為±2g、±4g、±8g、±16g。該傳感器的可編程中斷共兩個(gè)，低功耗狀態(tài)下能夠?qū)\(yùn)動加速度進(jìn)行檢測，并對運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行研究，并使中斷喚醒得以實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)奶牛運(yùn)動數(shù)據(jù)的傳輸。

奶牛體征參數(shù)中心率是非常重要的，一般為70～80次/分（犢牛），40～60次/分（2歲牛），60～80次/分（成年奶牛），30～60 次/分（成年公牛）的心率脈搏指標(biāo)是正常的。如圖2 所示為此模塊電路原理示意圖，光電傳感器是其最主要的器件，監(jiān)測到奶牛脈搏信號后將其轉(zhuǎn)變成光信號，再將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。奶牛體內(nèi)血管血流量會隨著心臟跳動而發(fā)生改變，探測器接收光強(qiáng)受到血流量改變的影響，由此能夠測量出心率值。此模塊對奶牛心率信號采集是通過MAX30100 傳感器來實(shí)現(xiàn)的[6-9]。

圖2 心率信號采集電路

RFID 電子耳標(biāo)負(fù)責(zé)對奶牛體重、年齡和編號等信息進(jìn)行辨別。RFID 器件作為電子耳標(biāo)的核心元件，其電子讀寫器選擇R200 模塊，該模塊工作頻率在840～960 MHz 范圍內(nèi)可調(diào)，讀寫距離最大能夠達(dá)到20 m，主要優(yōu)勢在于距離遠(yuǎn)、尺寸小和功耗低，很好地滿足體積小和成本低的要求。

2.2 匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)硬件由STM32F103ZET6 微控制器、LoRa 數(shù)傳電路等構(gòu)成。每隔5 ms 喚醒監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，同時(shí)打包采集的數(shù)據(jù)利用LoRa 傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，成功接收之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，再利用LoRa 數(shù)傳向STM32 微控制器傳輸，完成解析再與上位機(jī)進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)幀打包，利用LoRa 數(shù)傳連接上位機(jī)。選擇由安信可新推出的LoRa 模塊Ra-02 作為核心模塊，如圖3 所示為LoRa 通信模塊實(shí)物圖[10-13]。

圖3 LoRa通信模塊實(shí)物圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖4 所示。系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，為系統(tǒng)運(yùn)行提供保證，接下來利用RFID 電子耳標(biāo)辨別奶牛個(gè)體信息，以保證奶牛參數(shù)的正確，然后利用相應(yīng)的傳感器對奶牛的運(yùn)動狀態(tài)、血氧、體溫以及心率等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再通過LoRa 無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)獲取信息之后，完成相應(yīng)的處理，具體包括分類、篩選以及壓縮等，打包后向監(jiān)控服務(wù)器傳遞。監(jiān)控端處理數(shù)據(jù)并顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)，以移動端需求為依據(jù)，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送給移動終端。

圖4 主程序流程圖

3.2 無線通信子程序

圖5 所示為LoRa 無線通信接收數(shù)據(jù)子程序流程圖。此程序運(yùn)行之后，首先完成接收模塊的初始化操作，接下來對接收方式進(jìn)行判定。若選擇單一接收模式，對接收通道前導(dǎo)碼不斷查詢，如果是需要的就對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。若選擇連續(xù)接收方式，則接收數(shù)據(jù)開始的判定條件：接收的前導(dǎo)碼長度與SX1278 芯片RegPreambleMsb 寄存器和RegPreambleLsb 寄存器設(shè)置的前導(dǎo)碼長度相同[14-15]。

圖5 LoRa無線通信接收數(shù)據(jù)子程序

圖6 所示為LoRa 無線通信發(fā)送數(shù)據(jù)子程序流程圖。該子程序運(yùn)行后首先進(jìn)行包括時(shí)鐘電路、Flash 閃存電路等的初始化配置，還必須配置載波頻率擴(kuò)頻因子、帶寬發(fā)送功率等通信參數(shù)。SX1278發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先，需要把奶牛的數(shù)據(jù)信息寫入到SX1278 的FIFO 中；然后，設(shè)置RegOpMode 寄存器，以便從休眠模式切換到發(fā)送模式；數(shù)據(jù)發(fā)送后，根據(jù)該芯片ReglrqFlags 寄存器的TxDone 位數(shù)值判斷數(shù)據(jù)發(fā)送是否成功。

圖6 LoRa無線通信發(fā)送數(shù)據(jù)子程序

3.3 監(jiān)控臺軟件設(shè)計(jì)

群養(yǎng)奶牛監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控臺軟件的作用是對采集個(gè)體信息數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、查詢、處理、研究以及展示。上位機(jī)軟件通過Visual Studio 開發(fā)平臺來實(shí)現(xiàn)[16-20]，軟件模塊開發(fā)是利用C#.Net 的窗體應(yīng)用程序來完成，上位機(jī)功能主要包括設(shè)備管理設(shè)定、人際交互頁面以及查詢保存數(shù)據(jù)等。圖7 所示為監(jiān)控臺軟件結(jié)構(gòu)圖。

圖7 監(jiān)控臺軟件

3.4 移動終端子程序

手機(jī)移動端監(jiān)控子程序流程圖如圖8 所示，程序開始運(yùn)行以后，首先通過輸入服務(wù)器的IP 和Port，判斷是否連接正確，如果正確連接則能夠順利顯示監(jiān)控到的視頻信息，相應(yīng)的操作也能夠?qū)崿F(xiàn)，如果連接未成功則程序返回到最開始重新運(yùn)行，重新提示需要輸入正確的服務(wù)器IP 和Port。移動終端的監(jiān)控共分為照片瀏覽、視頻保存和照片保存三種操作，如果不需要同步觀看則退出即可。

圖8 手機(jī)移動端監(jiān)控子程序

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)核心電路板實(shí)物圖如圖9 所示，移動終端示意圖如圖10 所示。

圖9 系統(tǒng)核心電路板實(shí)物圖

圖10 移動終端示意圖

因通信功能為該系統(tǒng)的核心功能，為此設(shè)計(jì)兩個(gè)測試對系統(tǒng)通信效果進(jìn)行檢測，第一個(gè)測試是對后臺監(jiān)控端與監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信狀況進(jìn)行測試，測試環(huán)境包括檢測節(jié)點(diǎn)600 個(gè)，后臺監(jiān)控主機(jī)一臺。測試過程：首先，通過波特率為9 600 bit/s 串口將測試數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，然后，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)利用LoRa 無線傳感網(wǎng)絡(luò)（無線收發(fā)模塊射頻中心的頻率和發(fā)射功率分別為470 MHz 和20 dBm）將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺監(jiān)控主機(jī)。最終，通過后臺監(jiān)控主機(jī)上接收到的數(shù)據(jù)情況，來測試監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與后臺監(jiān)控端傳輸距離與丟包率之間的關(guān)系。測試過程中，每次發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量都會是100 個(gè)。表1 所示為對應(yīng)的測試結(jié)果。

表1 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)至后臺監(jiān)控端通信效果

由表1 中數(shù)據(jù)可知，傳輸距離越大丟包量就越多。傳輸距離不超過2.5 km 的情況下，數(shù)據(jù)丟包率低于15%。

表2 為測試2，是對移動終端與后臺監(jiān)控端通信性能進(jìn)行檢測。具體測試為利用手機(jī)移動終端查看后臺監(jiān)控端所提供的奶牛的視頻圖像。

表2 移動終端至監(jiān)控端通信效果

根據(jù)表2 可知，當(dāng)對30 頭奶牛的信息數(shù)據(jù)同步檢測與查看時(shí)，手機(jī)終端丟包率達(dá)到8.6%～10.3%，且在查看視頻過程中，出現(xiàn)卡頓情況較為嚴(yán)重。

5 結(jié)論

群養(yǎng)奶牛個(gè)體信息監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用了LoRa 無線通信技術(shù)，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)后臺端和監(jiān)測節(jié)點(diǎn)以及移動終端之間的數(shù)據(jù)通信，確保全方位的監(jiān)測群養(yǎng)奶牛的個(gè)體健康情況。系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸也得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)具有功耗小的優(yōu)勢，并且組網(wǎng)也非常簡單和方便。然而該系統(tǒng)也存在一些不足，如移動終端同時(shí)監(jiān)測多頭奶牛的情況下，會導(dǎo)致移動終端對視頻的瀏覽等功能帶來較為明顯的干擾，同時(shí)，整套系統(tǒng)的價(jià)格優(yōu)勢相對來說并不是非常突出，未來對于以上問題和不足還會不斷改進(jìn)，同時(shí)也會不斷完善其他功能。