智能牛项圈关键技术研究

智能牛项圈关键技术研究

柳芳 ,王江

贵州航天智慧农业有限公司，贵州 贵阳 550000

摘要 牲畜的健康状况与牧场的经济效益息息相关。传统对牲畜的健康监测依旧依靠人为判断，效率低下。实现对牲畜体征参数的自动化监测是畜牧业未来的发展方向。智能牛项圈的研究设计，改变了传统的人工查情、人工查病、人工查找牛耳号和人工读号的方式，通过自动化监测设备可及时准确地采集牛的活动状态与位置信息，对牲畜的健康状况进行及时诊断，并可检测设备是否被剪断或拆除，根据采集到的异常信息可发出警报或者直接将活动状态发送到远端的服务器，以便牧民及时发现牛的活动状态并做出相应的处理，减少了因为没有及时地发现牛的发情或者生病使得交配时间和治疗时间，带来不必要的损失。

关键词 智能牛项圈；活动状态采集；防剪断装置；定位；

0.引言

随着生活水平的不断提高，牛肉越来越受到广大消费者的喜爱，但现有的养牛技术还是相对落后，仍需要耗费大量的人力物力。如现在大多养牛场都是采用人工查情、人工查病、人工查找牛耳号和人工读号的方式，这种方式不仅使得养殖工人的工作量特别大，而且对牛只的应激反应也比较大，还容易造成病牛漏查，妨碍及时治疗。这些都给养牛效果带来了极多的负面影响。本研究旨在开发一种更为科学记录和追踪牛群状态的智能牛项圈，以减轻养殖工人工作量，提升养牛质量。

1.研究现状

实时监测农场牛只的健康、发情状况及监测农场放牧强度需要连续且大量的获取牲畜的行为特征数据和位置信息数据，可穿戴物联网技术的研究与发展为此提供了可行性的解决方案。通过给牧牛佩戴传感器设备来建立物联网系统,进而来获取牲畜的行为特征和位置信息数据。

目前传感器设备的安装方式主要分为三种。一种是通过项圈安装在牛的颈部，一种是通过腿环安装在牛的腿部，另外一种是通过耳标安装在牛的耳部。在应用中发现，由于存在放牧环境复杂，牛只活动范围大等情况，实际上牛会在几小时或者几天内破坏耳标或者腿环。耳标大部分是通过摩擦树木或与其他牛合作将其咀嚼掉的，腿环大部分是在牛通过水泊或者有树枝的地方破坏的。最佳解决方案是将传感器嵌入到项圈中。

市场上现有的许多智能牛羊项圈，因其功能单一，较多也只有计步或定位功能，无法满足养殖户当前的畜牧需求，且长期佩戴在动物身上，易造成动物产生不适感，甚至恐惧感，使其不受广大牧民所接受。

2.系统总体设计

2.1系统整体功能框图

如图1所示，该系统主要包括无线通讯模块、MCU、电源模块、太阳能充电模块、防剪断电路模块、三轴加速度传感器模块、GPS定位模块及外壳等。

图1 智能牛项圈系统框图

2.2.工作原理

三轴传感器采集牛只运动信息，并把立体空间上的数据转换成X、Y、Z轴数据输出，每个轴上的数据以重力加速度的方式体现，其数据为12位。单片机收到数据后对数据进行分析处理，计算出活动量；设备以环状方式穿戴在牛脖子上，其编织带内部有导导线，形成闭合回路，当项圈被拆卸或者剪断时，产生跳变沿信号，触发单片机外部中断，设备开启定位，获取当前位置信息，同时通过NB模组，将数据发送到平台上去；当设备未工作时，系统进入休眠待机状态，断开外设电源，使得系统耗电流最小，达到低功耗待机的目的。

3技术实现路径

3.1 低功耗无线通信协议研究

针对畜牧之间的无线通信，研究低功耗、高可靠性无线传感网络的通信协议，针对无线传感网络中多对一的情况设计相应处理算法，设计具有快速响应的通信时序以及较低通信数据量的数据格式，模块间采用统一格式，减少程序解析时间，可以降低无线传输时间，实现低功耗网络。

3.2 定位监控与实时报警设计

通过在智能牛项圈内置GPS卫星定位模块，可准确采集牛只的位置信息，还可通过设置活动区域范围，一旦牛只活动范围超出特定区域，可以发出报警信息，并采用物联网技术发送到系统平台以便牧民能够实时掌握各牛只的位置信息，方便对它们进行管理。

3.3牛只活动量分析算法设计

智能牛项圈内嵌有三轴加速度传感器可对牲畜的运动量和动作进行识别。当牛出现躺卧、站立、反刍、进食、行走、爬跨等行为时，佩戴在牛颈部的项圈会产生不同的加速度数据。加速度数据和GPS位置信息数据为分析放牧牛只的运动轨迹、健康状况和发情状况提供数据支撑。

三轴加速度传感器采用ADI公司的ADXL362 MEMS芯片，一款超低功耗三轴加速度计，在唤醒模式下的功耗不足100 nA。输出分辨率为12位支持±2g、±4g及±8g三种工作范围，±2g范围内的分辨率为1mg/LSB。电路图如图2所示。

图2 剪断预警电路

3.4 防拆报警装置设计

防拆报警装置的主体部分设计为盒式结构，盒体两侧采用螺丝压合导线带，导线带与帆布编织袋交织在一起，末端采用按压式卡扣闭合，颈带的两端相连的位置能够相对调整。其中防拆定位设备包括定位和导电项圈，定位装置包括盒体和设于盒体内的检测模块，导电项圈穿设于盒体内的检测模块并穿设盒体，与检测模块连接，检测模块用于检测导电项圈是否断路以及发出无线警示信号，以使牲畜的养主能够及时的发现牲畜失窃，提升牲畜管理的可靠性。

剪断预警设计由NMOS和阻容器件构成，如图4所示。标签LINE连接外部导线，与GND形成回路，当未剪断时，NOMS管U5的栅极-源极之间的压差小于开启电压，NOMS不导通；当线圈被剪断时，R4上拉，使得UG电压接近于3.0V，UGS大于开启电压，NMOS导通，CUT由高电平变为低电平，产生沿信号改变，触发单片机中断IO，唤醒单片机，同时开启定位，获取位置信息并上传。

图3 剪断预警电路

4.结语

通过研究智能牛项圈，实现身份识别、运动情况分析、牛只定位、快速寻找、防剪断立即触发报警等众多功能，可以实时掌握牛只的运动轨迹、疫病特征、生理异常、位置范围等，取代了人工定期巡检的成本和不及时性，极大提高了畜牧养殖的效率和提升牧民的收入水平。

参考文献

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