CN102100185B - 奶牛发情监控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种奶牛发情监控系统，其特点是，包括安装在奶牛身上的至少一个加速度检测单元，该所有加速度检测单元均与一步伐分析单元连接从而获取并分析奶牛走步的信息，该步伐分析单元与一无线通讯发送单元连接，该无线通讯发送单元通过无线方式与无线通讯接收单元连接，该无线通讯接收单元与一上位计算机连接从而保存奶牛走步信息并结合预设程序分析奶牛的当前状态。本发明的监控系统能准确的检测出奶牛发情、生病等状态，提高发情期揭发率，从而根据揭发的发情时间来决定最佳的配种时间，提高发情期奶牛的受胎率，实现了奶牛发情监测的自动化管理。

Description

奶牛发情监控系统
技术领域
本发明涉及一种奶牛发情监控系统。
背景技术
在奶牛养殖业中，奶牛发情周期的测量，发情和疾病状况的监控在牛群繁殖管理中具有重要意义，及时发现奶牛发情有利于奶牛的及时受孕、产犊并提高奶牛泌乳量，提高奶牛场的经济利益。及时发现奶牛的疾病状况，有利于兽医及时给奶牛治疗，挽回奶牛场的损失。
奶牛处于发情期时会有三个方面的发情表现：第一，奶牛的活动量会增加，主要表现在奶牛的走步步数会增加；第二，奶牛会有爬跨行为；第三，奶牛的体温会有所升高。通过测量这三个方面的信息都能检测出奶牛是否处于发情状态。爬跨行为是由奶牛的个体所决定的，有的奶牛处于发情期时没有爬跨行为，进而会影响奶牛发情检测的准确性。奶牛的体温变化体现在奶牛体内，而表皮温度决定于室外温度，奶牛体内温度的测量是比较困难的。奶牛发情期走步步数的变化是必然的，并且步数的变化是非常容易测量的。
现在的奶牛发情周期的测量，发情和疾病状况的监控的方法主要有以下两种：(1)通过人为观察的方式。人为的观察奶牛的活动量是否增加，有无爬跨行为和奶牛温度是否有所升高。这种方式不但特别的消耗人力财力而且检测奶牛的发情和疾病的成功率较低。(2)采用计量奶牛步伐的方式，但传统的奶牛计步方式是采用简单的机械接触方式来判断是否走步，所以需要剧烈运动才能检测出来。计步准确率太低，达不到高效的检测奶牛发情周期、发情和疾病状况的监控要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种奶牛发情监控系统，能够对奶牛是否发情进行自动监测，其准确率高，节省人力物力，还能够对奶牛的发情周期和疾病状况一并进行监测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种奶牛发情监控系统，其特别之处在于，包括安装在奶牛身上的至少一个加速度检测单元，该所有加速度检测单元均与一步伐分析单元连接从而获取并分析奶牛走步的信息，该步伐分析单元与一无线通讯发送单元连接，该无线通讯发送单元通过无线方式与无线通讯接收单元连接，该无线通讯接收单元与一上位计算机连接从而保存奶牛走步信息并结合预设程序分析奶牛的当前状态。
其中加速度检测单元是三维加速度传感器。
其中步伐分析单元是微型处理器。
其中微型处理器是单片机。
其中在加速度检测单元和步伐分析单元之间还连接有加速度处理单元从而对加速度信号进行滤波处理使其加速度值更精准。
其中加速度检测单元安装在奶牛的脚踝上。
本发明的监控系统能准确的检测出奶牛发情、生病等状态，提高发情期揭发率，从而根据揭发的发情时间来决定最佳的配种时间，提高发情期奶牛的受胎率，实现了奶牛发情监测的自动化管理。本系统还可应用到养猪、养羊等畜牧业中，对其养殖也有重要作用，由于采用了最先进的三维加速度传感器，能够精确的检测出奶牛的步伐从而计算出活动量，还具有方便安装，低功耗等优点。
附图说明
附图1为本发明的逻辑原理框图；
附图2为本发明的数据处理流程图；
附图3为本发明中奶牛走步的姿势剖面图；
附图4为本发明中奶牛在走步时左右运动距离变化俯视图；
附图5为本发明中奶牛走步时加速度变化原理图。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明做进一步详细的说明：
如图1所示，本发明主要由步伐测量部分和接收处理部分组成，具体包括安装在奶牛身上的至少一个(一般为1-4个)加速度检测单元，该所有加速度检测单元均与一步伐分析单元连接从而获取并分析奶牛走步的信息，该步伐分析单元与一无线通讯发送单元连接，该无线通讯发送单元通过无线方式与无线通讯接收单元连接，该无线通讯接收单元与一上位计算机连接从而保存奶牛走步信息并结合预设程序分析奶牛的当前状态并在必要时提示用户，其中加速度检测单元采用三维加速度传感器，其中步伐分析单元采用微型处理器，具体为单片机，而上位计算机采用上位计算机。另外在加速度检测单元和步伐分析单元之间还连接有加速度处理单元从而对加速度信号进行滤波处理使其加速度值更精准，使用时加速度检测单元安装在奶牛的脚踝上。
本发明提供一种通过检测奶牛步伐活动量来计算奶牛活动量、奶牛发情周期、奶牛是否处于发情状态和奶牛是否处于疾病状态的系统。
包括加速度检测单元、加速度处理单元、步伐分析单元、无线通讯发送单元、无线通讯接收单元和上位计算机。加速度检测单元用于检测三维的加速度，并根据检测的结果分别输出三维的加速度数值。加速度处理单元用于对加速度数值的接收，并对其进行滤波去噪处理，当然该单元并非必须，如果采用的三维加速度传感器输出信号质量高，噪声小的情况下完全可以省略这一部分。步伐分析单元用于对滤波去噪处理后的加速度数值进行步伐分析，计算出走步步数信息。无线通讯发送单元用于将计算出的走步步数信息通过无线方式发送出去。无线通讯接收单元用于接收无线通讯发送单元发送的走步步数信息。而上位计算机用于对数据的综合分析保存并显示分析结果。
本发明的监控步骤如下：
(1)加速度检测单元：不断地提取奶牛在走步时奶牛脚踝前后、左右和上下的加速度值。
(2)加速度处理单元：采用有限冲击响应数字滤波消除运动频率以上的噪声。
(3)步伐分析单元：通过对多个三维加速度值的步伐分析，分析出走步时加速度值的变化规律，消除三维加速度传感器放置不平衡时引起的误差。通过将加速度值与存储的步伐规律进行比较，分析出奶牛运动时三维加速度传感器的三维方向与奶牛的前后、左右和上下方向的对应关系，再通过对三维加速度的分析去除噪声的影响，比较加速度值的增大和减小的规律，判断出是否走步。
(4)无线通讯发送单元将计算出的走步步数信息通过无线方式发送给无线通讯接收单元，无线通讯接收单元再将信息传送至上位计算机。
(5)上位计算机处理单元用于对数据的综合分析保存并显示分析结果。
本发明设计的对奶牛发情周期的测量，发情和疾病状况的监控是通过对奶牛走步时加速度变化的检测实现对其走步活动量的测量，从而计算出奶牛发情周期，监控奶牛发情和疾病状况。所以需要将三维加速度传感器固定在奶牛的脚踝，与脚踝一同运动，感知奶牛走步时的加速度变化通过计算得出走步信息。因为该发明使用的是三维加速度传感器，计算时是通过综合分析三维的加速度数值变化来确定走步的，所以在安装加速度传感器时可以任意方向。
加速度采样时会有一些噪声影响，首先是传感器自身的噪声，其次就是采样噪声。所以可以根据需要在传感器周围加上了一些外围滤波电路，在采样的同时进行滤波，这样获得的加速度就比较准确。
获得滤波后的加速度后就要对其进行步伐分析，步伐分析需要对比奶牛走步时加速度变化规律进行换算得出步伐。奶牛走步时加速度大致变化规律如下：奶牛走步时蹄、腿、腰部都在运动，他们的运动会产生相应的加速度。加速度的整体变化趋势有三个过程：一是加速度首先有一个增大的过程，这一过程主要在奶牛行走迈出步伐的时候发生，这时牛蹄给地面一个作用力，由于力的作用是相互的，地面相对给脚一个反作用力(实际是摩擦力)，这时加速度就会呈现增加的状态；二是在迈出牛蹄后的一个很短暂时间内加速度达到一个最大值；三是牛蹄着地之前加速度达到最大值之后的一个过程，该过程中加速度是一个减小的过程。从牛蹄部角速度的变化来检测步数是最准确的。图3所示奶牛走步的姿势剖面图，图4是奶牛在走步时左右运动距离变化俯视图，脚踝变化说明奶牛走步时会在平面的水平方向产生变化的加速度，并且会出现先增加到最大值，然后从最大值减小两个过程。综上所述，我们知道奶牛在行走时，不仅在前后会产生一个加速度变化的过程，左右和上下也会有加速度的变化过程，这三个加速度变化的整体过程大体是一致的。因此我们要做到精确统计步数的话必须从三维(三个方向)的角度来进行判断所走的步数。只有三个走步条件都满足时，我们就能精确判断走出一步，才能做到精确统计步数。
当加速度平放时水平方向上前后的加速度值为零，左右的加速度值也为零，而竖直方向上的加速度值由于有重力加速度影响所以加速度值为重力加速度g。当奶牛在走步时是向前运动的，所以前后方向的加速度变化是最明显的，其次是上下方向的加速度变化，最后是左右方向的。假设设向前为正向，奶牛走步时的加速度变化为：加速度首先是正向的增大，此时速度向前逐渐增加；当加速度达到正向最大值时速度变化最快；然后是加速度正向的减小，此时速度还是向前逐渐增加，只是增加的速度减小；再次就是加速度变为零值，此时速度达到最大值；之后加速度就变为负向的增加，速度就逐渐减小；再然后加速度达到负向的最大值，此时速度减小最快；再然后加速度负向的减小，速度还是在减小；最后加速度为零，速度也为零。这样就完成了一个走步。通过分析发现奶牛走步的加速度变化值近似一条正弦曲线，无论奶牛慢走还是快跑，每走一步都会有一个上升沿和一个下降沿，这个规律是固定不变的，所以我们通过如下操作来检测步数：
首先求出加速度值的中间值，因为加速度传感器静止平放时竖直输出的加速度值是重力加速度值，而且加速度传感器在测步数时不一定是平放的，此情况下静止时前后左右输出的加速度值也不一定是零，所以通过求十次读取数据的平均值来确定加速度值的中间值(即相对零值)。
检测上升沿的到来，我们通过检测切线的斜率方式来确定上升沿的到来。判断是否有一值小于中间值的值，若有就再判断第一个大于中间值的值。通过这两点来判断斜率是否为正值，若为正值就说明奶牛走了一步，将计步变量自加一。由于是不断地读取加速度值，所以此两值的斜率几乎为曲线的切线斜率。
此算法计算起来最为简单，只需要比较两个数值的变化。此算法不受走步时间的影响，奶牛是走走停停，还是连续走步，对计步数据都没有影响。此算法不受峰值波动的影响，因为峰值的波动集中在中间值的一边，所以比较两端时会很稳定。
得到的数据通过无线通讯发送单元发送给无线通讯接收单元，无线通讯接收单元再将信息传送至上位计算机。
上位计算机通过分析处理判断出奶牛发情周期，发情和疾病状况。
本发明的硬件电路部分由三维加速度传感器、微型处理器和无线收发芯片以及外围电路等构成。
加速度检测单元是由三维加速度传感器LDE35构成的，它被固定在奶牛的脚踝处。该传感器集成了高通滤波器，能够滤除缓慢变化或不变的加速度，该传感器还可以设置两种模式：正常工作模式(＜0.5mA)和掉电模式(＜1μA)。采用本传感器可以实现低功耗的功能。传感器被平放在与奶牛脚踝平衡。此时X轴为前后方向，Y轴为左右方向，Z轴为上下方向。设前方为X轴的正方向，左方为Y轴的正方向，上方为Z轴的正方向。
加速度检测单元不断地读取加速度值，在读取的同时通过加速度处理单元将其做滤波处理，使其加速度值精准，然后将其送给步伐分析单元。加速度处理单元是由加速度传感器周围的常规滤波电路组成的。
步伐分析单元由MSP4301121单片机组成的，此单元的处理则较为复杂。MSP4301121单片机是一块MSP系列的微型处理器，它具有如下特点：低电源电压范围：1.8v-3.6v；超低功耗6μ安4KHZ，2.2V；250μ安1MHZ，2.2v；5种节电模式，等待方式0.8μ安；RAM保持的节电方式0.1μ安。从等待方式唤醒时间0.1μ安。
首先步伐分析单元将读取的前10个加速度值通过求平均的方式求得加速度的相对零值，如图5所示。然后每获得一个加速度值就将原10个值的一个值去掉，在加上新的加速度值求相对零值。这样防止奶牛变化之态时受重力加速度值的影响相对零值变化。再通过将最新的加速度值与相对零值进行比较的方式，比较现在的加速度值是大于相对零值，还是小于相对零值。此处假设小于相对零值，如图5。经过时间等于m(s)时加速度值变成等于相对零值，此时就取m(s)前的加速度值假设为-a存储起来，再等待下一个m(s)时的加速度值的到来，假设此值为b。通过计算这两个点所定的直线斜率的正负来判断此段时间是否走步。此斜率也近似等于在相对零值这一点的切线斜率。得到有步伐这一信息后，就在内部记录下来。为了节省耗电，可以将两个小时的步伐数据存储在一个单元中，然后将时间信息记录下来。通过奶牛在挤奶时将数据读取出来。通过无线通讯发送单元将计算出的走步步数信息通过无线方式发送给无线通讯接收单元，无线通讯接收单元再将信息传送至上位计算机。无线通讯发送和接收单元是由CC1100芯片与其外围电路组成的。CC1100是一种低成本真正单片的UHF收发器，为低功耗无线应用而设计。电路主要设定为在315、433、868和915MHz的ISM(工业，科学和医学)和SRD(短距离设备)频率波段，也可以容易地设置为300-348MHz、400-464MHz和800-928MHz的其他频率。
上位计算机将接收的步伐数据进行保存起来，通过计算奶牛月平均值并用每天的值的方法推算出奶牛的发情周期，当前是否处于发情状态，是否疾病的信息，并且在必要时给出提示。

Claims (6)

1.一种奶牛发情监控系统，其特征在于：包括安装在奶牛身上的至少一个加速度检测单元，所有加速度检测单元均与一步伐分析单元连接从而获取并分析奶牛走步的信息，该步伐分析单元与一无线通讯发送单元连接，该无线通讯发送单元通过无线方式与无线通讯接收单元连接，该无线通讯接收单元与一上位计算机连接从而保存奶牛走步信息并结合预设程序分析奶牛的当前状态；所述步伐分析单元通过加速度值分析出奶牛走步的加速度变化值为一条正弦曲线，通过求加速度值的平均值确定该正弦曲线的相对零值，再将最新的加速度值与该相对零值进行比较，若该最新的加速度值小于该相对零值，就再判断第一个大于该相对零值的值，通过上述大于和小于相对零值的两个加速度值所定的直线斜率的正负来判断奶牛是否走步。
2.如权利要求1所述的奶牛发情监控系统，其特征在于：其中加速度检测单元是三维加速度传感器。
3.如权利要求1所述的奶牛发情监控系统，其特征在于：其中步伐分析单元是微型处理器。
4.如权利要求3所述的奶牛发情监控系统，其特征在于：其中微型处理器是单片机。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的奶牛发情监控系统，其特征在于：其中在加速度检测单元和步伐分析单元之间还连接有加速度处理单元从而对加速度信号进行滤波处理使其加速度值更精准。
6.如权利要求1至4中任意一项所述的奶牛发情监控系统，其特征在于：其中加速度检测单元安装在奶牛的脚踝上。
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Owner name: YINCHUAN AOTOSO INFORMATION TECHNOLOGY CO., LTD.

Free format text: FORMER NAME: YINCHUAN AUTE SOFTWARE CO., LTD.

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Address after: 750002, the Ningxia Hui Autonomous Region Yinchuan hi tech Zone small and medium-sized enterprises Pioneer Park No. 1 workshop

Patentee after: YINCHUAN AOTOSO INFORMATION TECHNOLOGY CO., LTD.

Address before: 750002 Ningxia Software Park, No. 159, Xinchang East Road, hi tech Zone, the Ningxia Hui Autonomous Region, Yinchuan 5012

Patentee before: Yinchuan Aote Software Co., Ltd.