基于ZigBee技術(shù)的奶?；顒?dòng)量采集系統設計

摘要：介紹一種奶牛活動(dòng)量采集系統的工作原理及實(shí)現設計。系統以無(wú)線(xiàn)射頻芯片CC2430為核心，利用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，在奶牛養殖場(chǎng)組成一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)該無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )定時(shí)采集奶牛的活動(dòng)量數據，并進(jìn)行數據分析處理，以判別奶牛是否處于發(fā)情期，該系統具有較好的應用前景和經(jīng)濟效益。
關(guān)鍵詞：奶牛活動(dòng)量；計步器；奶牛發(fā)情；ZigBee；CC2430

對于奶牛養殖業(yè)，及時(shí)準確地識別奶牛發(fā)情，適時(shí)配種，可以提高產(chǎn)犢率和牛奶產(chǎn)量，增加奶牛養殖企業(yè)和奶農的經(jīng)濟效益，因此，及時(shí)準確地檢測奶牛的發(fā)情，在奶牛養殖業(yè)中具有重要地位。目前大多數養牛場(chǎng)還采用人工觀(guān)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(huì )造成漏判和錯判，尤其是夜間更難觀(guān)察奶牛的發(fā)情行為，會(huì )時(shí)常錯過(guò)奶牛發(fā)情期，降低經(jīng)濟效益，并且此種方法不適合大規模奶牛養殖。
奶牛發(fā)情是周期性的，其發(fā)情期表現為爬跨、嗅聞、追逐、興奮不安等行為狀態(tài)，奶牛的活動(dòng)量會(huì )增加，即奶牛運動(dòng)的步數增加，發(fā)情母牛每小時(shí)走動(dòng)的步數大約比未發(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?；顒?dòng)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)應用于奶牛養殖業(yè)，完成對奶?；顒?dòng)量的準確、穩定和及時(shí)的監測，及時(shí)判別奶牛是否發(fā)情。

1 系統設計方案
本系統應用的環(huán)境為奶牛養殖場(chǎng)，對象為奶牛，因此在設計時(shí)要考慮幾個(gè)方面：如奶牛養殖場(chǎng)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的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的通信距離要長(cháng)，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )信號覆蓋范圍依據養殖場(chǎng)的大小可擴展，終端設備可以防水防潮防撞，同時(shí)要保證奶牛無(wú)論走到哪個(gè)位置，都處于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )信號覆蓋下。
ZigBee技術(shù)是一種新興的省電、可靠、時(shí)延短、安全、網(wǎng)絡(luò )容量大的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。低功耗是ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢，由于工作時(shí)間較短、收／發(fā)信息功耗低且采用休眠模式，ZigBee節點(diǎn)的電池工作時(shí)間可達6個(gè)月至2年。同時(shí)，ZigBee具有高可靠性、高度擴充性等特性，這些特性可以滿(mǎn)足奶牛養殖場(chǎng)的特殊環(huán)境需求。
本系統主要由奶牛計步器(終端節點(diǎn))、路由節點(diǎn)、中心節點(diǎn)組成，奶?；顒?dòng)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(diǎn)布置在牛舍的頂部，將終端節點(diǎn)的數據轉發(fā)至中心節點(diǎn)；中心節點(diǎn)放置在牛舍旁邊的監控中心，把接收到的數據通過(guò)串口發(fā)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(gè)節點(diǎn)都采用CC2430作為處理器，CC2430芯片是支持ZigBee協(xié)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(wú)線(xiàn)電收發(fā)機，具有32／64／128 kB可編程閃存和8 kB的RAM，優(yōu)良的無(wú)線(xiàn)接收靈敏度和強大的抗干擾性，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(diǎn)。同時(shí)CC2430芯片采用0.18μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)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(diǎn)、中心節點(diǎn)的設計，其中計步器的設計是關(guān)鍵。