基于ZigBee技術(shù)的奶?；顒恿坎杉到y(tǒng)設(shè)計

摘要：介紹一種奶牛活動量采集系統(tǒng)的工作原理及實現(xiàn)設(shè)計。系統(tǒng)以無線射頻芯片CC2430為核心，利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在奶牛養(yǎng)殖場組成一個無線網(wǎng)絡(luò)。通過該無線網(wǎng)絡(luò)定時采集奶牛的活動量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，以判別奶牛是否處于發(fā)情期，該系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：奶牛活動量；計步器；奶牛發(fā)情；ZigBee；CC2430

對于奶牛養(yǎng)殖業(yè)，及時準(zhǔn)確地識別奶牛發(fā)情，適時配種，可以提高產(chǎn)犢率和牛奶產(chǎn)量，增加奶牛養(yǎng)殖企業(yè)和奶農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，因此，及時準(zhǔn)確地檢測奶牛的發(fā)情，在奶牛養(yǎng)殖業(yè)中具有重要地位。目前大多數(shù)養(yǎng)牛場還采用人工觀察，依靠經(jīng)驗判斷進(jìn)行奶牛發(fā)情識別。這種判斷方法經(jīng)常會造成漏判和錯判，尤其是夜間更難觀察奶牛的發(fā)情行為，會時常錯過奶牛發(fā)情期，降低經(jīng)濟(jì)效益，并且此種方法不適合大規(guī)模奶牛養(yǎng)殖。
奶牛發(fā)情是周期性的，其發(fā)情期表現(xiàn)為爬跨、嗅聞、追逐、興奮不安等行為狀態(tài)，奶牛的活動量會增加，即奶牛運動的步數(shù)增加，發(fā)情母牛每小時走動的步數(shù)大約比未發(fā)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(shù)的奶牛活動量采集系統(tǒng)設(shè)計方案。將新興的短距離、低復(fù)雜、低功耗、低速率、低成本的ZigBee無線通信技術(shù)應(yīng)用于奶牛養(yǎng)殖業(yè)，完成對奶牛活動量的準(zhǔn)確、穩(wěn)定和及時的監(jiān)測，及時判別奶牛是否發(fā)情。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案
本系統(tǒng)應(yīng)用的環(huán)境為奶牛養(yǎng)殖場，對象為奶牛，因此在設(shè)計時要考慮幾個方面：如奶牛養(yǎng)殖場的大小，牛舍環(huán)境潮濕度、奶牛間的碰撞等。由于這就要求本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信距離要長，無線網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋范圍依據(jù)養(yǎng)殖場的大小可擴(kuò)展，終端設(shè)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(wǎng)絡(luò)信號覆蓋下。
ZigBee技術(shù)是一種新興的省電、可靠、時延短、安全、網(wǎng)絡(luò)容量大的無線通信技術(shù)。低功耗是ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢，由于工作時間較短、收／發(fā)信息功耗低且采用休眠模式，ZigBee節(jié)點的電池工作時間可達(dá)6個月至2年。同時，ZigBee具有高可靠性、高度擴(kuò)充性等特性，這些特性可以滿足奶牛養(yǎng)殖場的特殊環(huán)境需求。
本系統(tǒng)主要由奶牛計步器(終端節(jié)點)、路由節(jié)點、中心節(jié)點組成，奶牛活動量采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)的采集；路由節(jié)點布置在牛舍的頂部，將終端節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至中心節(jié)點；中心節(jié)點放置在牛舍旁邊的監(jiān)控中心，把接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至監(jiān)控PC機(jī)分析、顯示、存儲。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
本系統(tǒng)的各個節(jié)點都采用CC2430作為處理器，CC2430芯片是支持ZigBee協(xié)議的片上系統(tǒng)(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(biāo)準(zhǔn)的2．4 GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)，具有32／64／128 kB可編程閃存和8 kB的RAM，優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性，集成AES安全協(xié)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(chǎn)，工作時電流損耗為27mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA；在待機(jī)模式下電流損耗低于0．6μA，適合運用于低功耗的應(yīng)用。
本系統(tǒng)硬件設(shè)計包括奶牛計步器、路由節(jié)點、中心節(jié)點的設(shè)計，其中計步器的設(shè)計是關(guān)鍵。