基于ZigBee技术的奶牛活动量采集系统设计

摘要：介绍一种奶牛活动量采集系统的工作原理及实现设计。系统以无线射频芯片CC2430为核心，利用ZigBee无线传感器网络技术，在奶牛养殖场组成一个无线网络。通过该无线网络定时采集奶牛的活动量数据，并进行数据分析处理，以判别奶牛是否处于发情期，该系统具有较好的应用前景和经济效益。
关键词：奶牛活动量；计步器；奶牛发情；ZigBee；CC2430

对于奶牛养殖业，及时准确地识别奶牛发情，适时配种，可以提高产犊率和牛奶产量，增加奶牛养殖企业和奶农的经济效益，因此，及时准确地检测奶牛的发情，在奶牛养殖业中具有重要地位。目前大多数养牛场还采用人工观察，依靠经验判断进行奶牛发情识别。这种判断方法经常会造成漏判和错判，尤其是夜间更难观察奶牛的发情行为，会时常错过奶牛发情期，降低经济效益，并且此种方法不适合大规模奶牛养殖。
奶牛发情是周期性的，其发情期表现为爬跨、嗅闻、追逐、兴奋不安等行为状态，奶牛的活动量会增加，即奶牛运动的步数增加，发情母牛每小时走动的步数大约比未发情母牛高2～4倍。基于上述原因，本文提出了一种基于ZigBee技术的奶牛活动量采集系统设计方案。将新兴的短距离、低复杂、低功耗、低速率、低成本的ZigBee无线通信技术应用于奶牛养殖业，完成对奶牛活动量的准确、稳定和及时的监测，及时判别奶牛是否发情。

1 系统设计方案
本系统应用的环境为奶牛养殖场，对象为奶牛，因此在设计时要考虑几个方面：如奶牛养殖场的大小，牛舍环境潮湿度、奶牛间的碰撞等。由于这就要求本系统的网络节点的通信距离要长，无线网络信号覆盖范围依据养殖场的大小可扩展，终端设备可以防水防潮防撞，同时要保证奶牛无论走到哪个位置，都处于无线网络信号覆盖下。
ZigBee技术是一种新兴的省电、可靠、时延短、安全、网络容量大的无线通信技术。低功耗是ZigBee技术的优势，由于工作时间较短、收／发信息功耗低且采用休眠模式，ZigBee节点的电池工作时间可达6个月至2年。同时，ZigBee具有高可靠性、高度扩充性等特性，这些特性可以满足奶牛养殖场的特殊环境需求。
本系统主要由奶牛计步器(终端节点)、路由节点、中心节点组成，奶牛活动量采集系统结构图如图1所示。其中奶牛计步器戴在奶牛的脖子上完成步数的采集；路由节点布置在牛舍的顶部，将终端节点的数据转发至中心节点；中心节点放置在牛舍旁边的监控中心，把接收到的数据通过串口发送至监控PC机分析、显示、存储。

2 系统硬件设计
本系统的各个节点都采用CC2430作为处理器，CC2430芯片是支持ZigBee协议的片上系统(SoC)CMOS解决方案，该芯片具有高性能低功耗的8051微控制器核，集成符合IEEE802．15．4标准的2．4 GHz的RF无线电收发机，具有32／64／128 kB可编程闪存和8 kB的RAM，优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性，集成AES安全协处理器，较宽的电压范围(2.0～3.6 V)，较少的外围电路等特点。同时CC2430芯片采用0.18μm CMOS工艺生产，工作时电流损耗为27mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA；在待机模式下电流损耗低于0．6μA，适合运用于低功耗的应用。
本系统硬件设计包括奶牛计步器、路由节点、中心节点的设计，其中计步器的设计是关键。

2．1 奶牛计步器设计
考虑到奶牛计步器应用的特殊场合环境，就要求计步器要具有防水、防潮、防撞、体积小，重量轻、功耗低等特点，因此需要把所有的器件全密封于计步器的塑料盒内。由于天线也密封于计步器盒内，这将会减小节点间的通信距离。同时，为了降低功耗，使计步器电池工作时间尽可能长，不在计步器里使用功放器件。另外，计步器佩戴在奶牛脖子上，当奶牛卧倒时，计步器距离地面的高度降低，也会减小通信距离，在试验中，发现当计步器距离地面约1 m时，其与中心节点的通信距离约60 m，若将计步器放置在地面上，这个距离只能为20 m。给路由节点加装功率放大器可以解决这个通信距离的问题。
奶牛运动的步数采集传感器采用CLA-3全向微型振动传感器，此种传感器具有全向检测、灵敏度可调、抗干扰能力强、体积小、可靠性高、全密封式封装防水防尘等特点，输出开关信号可直接与TTL电路或单片机电路接口。
奶牛计步器由3．6 V的电池供电，其结构图如图2所示。

2．2 路由节点设计
路由节点固定布置在牛舍的顶棚下，布置时应根据节点间的通信距离合理布置，使得每个终端节点都处于ZigBee无线网络信号的覆盖范围内，其结构如图3所示。

其中，CC2591是一款高性能、低成本的2．4 GHz射频(RF)前端，集成了可将输出功率提高+22 dBm