基于ZigBee技術的奶牛活動量采集系統設計

摘要：介紹一種奶牛活動量采集系統的工作原理及實現設計。系統以無線射頻芯片CC2430為核心，利用ZigBee無線傳感器網絡技術，在奶牛養殖場組成一個無線網絡。通過該無線網絡定時采集奶牛的活動量數據，并進行數據分析處理，以判別奶牛是否處于發情期，該系統具有較好的應用前景和經濟效益。
關鍵詞：奶牛活動量；計步器；奶牛發情；ZigBee；CC2430

對于奶牛養殖業，及時準確地識別奶牛發情，適時配種，可以提高產犢率和牛奶產量，增加奶牛養殖企業和奶農的經濟效益，因此，及時準確地檢測奶牛的發情，在奶牛養殖業中具有重要地位。目前大多數養牛場還采用人工觀察，依靠經驗判斷進行奶牛發情識別。這種判斷方法經常會造成漏判和錯判，尤其是夜間更難觀察奶牛的發情行為，會時常錯過奶牛發情期，降低經濟效益，并且此種方法不適合大規模奶牛養殖。
奶牛發情是周期性的，其發情期表現為爬跨、嗅聞、追逐、興奮不安等行為狀態，奶牛的活動量會增加，即奶牛運動的步數增加，發情母牛每小時走動的步數大約比未發情母牛高2～4倍。基于上述原因，本文提出了一種基于ZigBee技術的奶牛活動量采集系統設計方案。將新興的短距離、低復雜、低功耗、低速率、低成本的ZigBee無線通信技術應用于奶牛養殖業，完成對奶牛活動量的準確、穩定和及時的監測，及時判別奶牛是否發情。

1 系統設計方案
本系統應用的環境為奶牛養殖場，對象為奶牛，因此在設計時要考慮幾個方面：如奶牛養殖場的大小，牛舍環境潮濕度、奶牛間的碰撞等。由于這就要求本系統的網絡節點的通信距離要長，無線網絡信號覆蓋范圍依據養殖場的大小可擴展，終端設備可以防水防潮防撞，同時要保證奶牛無論走到哪個位置，都處于無線網絡信號覆蓋下。
ZigBee技術是一種新興的省電、可靠、時延短、安全、網絡容量大的無線通信技術。低功耗是ZigBee技術的優勢，由于工作時間較短、收／發信息功耗低且采用休眠模式，ZigBee節點的電池工作時間可達6個月至2年。同時，ZigBee具有高可靠性、高度擴充性等特性，這些特性可以滿足奶牛養殖場的特殊環境需求。
本系統主要由奶牛計步器(終端節點)、路由節點、中心節點組成，奶牛活動量采集系統結構圖如圖1所示。其中奶牛計步器戴在奶牛的脖子上完成步數的采集；路由節點布置在牛舍的頂部，將終端節點的數據轉發至中心節點；中心節點放置在牛舍旁邊的監控中心，把接收到的數據通過串口發送至監控PC機分析、顯示、存儲。

2 系統硬件設計
本系統的各個節點都采用CC2430作為處理器，CC2430芯片是支持ZigBee協議的片上系統(SoC)CMOS解決方案，該芯片具有高性能低功耗的8051微控制器核，集成符合IEEE802．15．4標準的2．4 GHz的RF無線電收發機，具有32／64／128 kB可編程閃存和8 kB的RAM，優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性，集成AES安全協處理器，較寬的電壓范圍(2.0～3.6 V)，較少的外圍電路等特點。同時CC2430芯片采用0.18μm CMOS工藝生產，工作時電流損耗為27mA；在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA；在待機模式下電流損耗低于0．6μA，適合運用于低功耗的應用。
本系統硬件設計包括奶牛計步器、路由節點、中心節點的設計，其中計步器的設計是關鍵。