CN103340599B - 一种对反刍动物进行实时监测的方法 - Google Patents

Abstract

一种对反刍动物进行实时监测的方法，属动物自动监测技术领域。硬件装置包括反刍动物携带装置和舍外监控装置。压电陶瓷片采集到的反刍信号经一系列处理，再经模数转换将信号数字化，单片机再对数字化的信号进行滤波、脉冲整形处理，然后识别出反刍动物的反刍活动并统计出单位时间反刍持续的时间长度，通过无线将存储的反刍时间数据上传给舍外监控装置，由舍外监控装置处理分析后供养殖管理人员，本发明的有益效果是：可以实现反刍信号的自动识别，在反刍动物的规模化养殖中，能为养殖者提供每个动物完整准确的反刍数据。而且因为算法的优越性，实现了低功耗以及低成本的目的。

Description

一种对反刍动物进行实时监测的方法

技术领域

本发明涉及一种对反刍动物进行实时监测的方法，属动物自动监测技术领域。

背景技术

反刍是指进食经过一段时间以后将半消化的食物返回嘴里再次咀嚼。反刍动物采食一般比较匆忙，特别是粗饲料，大部分未经充分咀嚼就吞咽进入瘤胃，经过瘤胃浸泡和软化一段时间后，食物经逆呕重新回到口腔，经过再咀嚼，再次混入唾液并再吞咽进入瘤胃。反刍动物就是有反刍现象的动物，通常是一些草食动物，因为植物的纤维是比较难消化的。反刍动物属哺乳纲，偶蹄目，反刍亚目，如骆驼、鹿、长颈鹿、羊驼、羚羊、牛、羊等。其中牛、羊是人类重要的肉食来源，尤其是奶牛的经济价值更高。现代畜牧业以布局区域化、养殖规模化、品种良种化、生产标准化、经营产业化、商品市场化、服务社会化为特征。而规模化养殖在带来规模化效益的同时却也给养殖管理人员带来了不小的负担。

反刍动物的反刍与其身体健康息息相关。若反刍动物反刍活动出现异常，我们就可以断定其健康出现了问题。我们要做的正是自动识别并监测反刍动物的反刍活动，以帮助饲养员及时发现出现异常的反刍动物，同时为饲养员提供足够的信息以判断反刍动物的病因。因此有必要研究开发一种可以对反刍活动进行一天24小时的自动监测与记录，并可以上传到上位机进行分析的装置。

申请号为200710014345.2、公开号为CN101077295、发明名称为“畜类动物采食量检测方法及智能检测仪”的发明公开了一种畜类动物采食量的智能检测仪，该仪器使用时将一开关式传感器安装在弹性支架组合上，并将弹性支架组合固定到畜类动物头部，使传感器与畜类动物的颞窝部或脸颊部直接接触，由于动物在咀嚼和反刍时会触动传感器而输出反映咀嚼频率与次数、反刍频率与次数的脉冲信号，由单片机对脉冲信号进行计数、保存并作相应的处理即可确定吞咽次数，由每次吞咽的食团质量，即可计算出畜类动物在一段时间内的采食量。该装置结构复杂，并且不够坚固、耗电量大，无法长期使用。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明提供了一种对反刍动物进行实时监测的方法，以达到快速掌握反刍动物健康状况的目的。

本发明的技术方案如下：

一种对反刍动物进行实时监测的方法，由以下装置来实现，该装置包括反刍动物携带装置和舍外监控装置，其中反刍动物携带装置包括压电陶瓷片、放大滤波电路、模数转换器、触发电路、单片机、433MHz通信模块、433MHz天线、锂亚电池、125KHz天线、触发电路，舍外监控装置包括上位机、触摸屏、125KHz发射模块、433MHz接收模块，反刍动物携带装置中的压电陶瓷片连接到放大滤波电路的输入端，放大滤波电路的输出端和模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与单片机相连；125KHz天线与触发电路相连，触发电路与单片机相连；433MHz天线与433MHz通信模块相连，433MHz通信模块和单片机相连，锂亚电池分别和放大滤波电路、单片机、触发电路及433MHz通信模块相连接以为其供电，整个反刍动物携带装置封装在外壳里，压电陶瓷片固定在外壳里面，反刍动物携带装置连同外壳被固定在挂绳上的侧边，挂绳的下端固定配重；舍外监控装置中的上位机分别与125KHz发射模块、433MHz接收模块、触摸屏相连，触摸屏上设置有反刍动物反刍信息的检测、统计、分析、查询界面；反刍动物携带装置和舍外监控装置通过无线信号进行联系，该实时监测方法如下：

压电陶瓷片（传感器）采集到的信号经过放大滤波电路放大滤波并进行检波处理，得到频率较低的脉冲信号，然后经过模数转换器将信号数字化，数字化后的信号进入单片机，单片机对数字化后的信号进行数字滤波（即信号预处理）使信号更加平滑，再经过有动态阈值的脉冲整形程序使脉冲信号变成一个个的方波信号，然后利用单片机识别出反刍脉冲，统计出每两小时内反刍持续的时间长度并存储，在有外部无线触发信号时，将存储的反刍时间数据通过433MHz通信模块上传给舍外监控装置，舍外监控装置中的上位机将反刍信息进行处理分析之后提供给养殖管理人员，单片机的工作方法包括反刍信号预处理、动态阈值产生、脉冲整形、脉冲识别及反刍数据记录，其中反刍信号预处理的方法，步骤如下：

1）开始；

2）初始化一个计数变量i=1，累加和值ADC_sum=0,i的计数个数N=10；

3）读入模数转换器输出端的数据ADC_data；

4）将上述模数转换器输出端的数据加到ADC_sum,即ADC_sum=ADC_sum+ADC_data；

5）判断i是否小于N，若小于N则i=i+1、跳转到步骤3），否则跳转到步骤6）；

6）将ADC_sum除以N输出到动态阈值产生和脉冲整形的输入端；

7）使ADC_sum=0，i=1，跳转到步骤3）；

动态阈值产生的方法，步骤如下：

①开始；

②初始化长度为M的数组Filter_data[M]={0}，设M=10；

③初始化计数变量index=1；

④输入一个数据到Filter_data[index]；

⑤输出Filter_out=sum(Filter_data)/M，即将Filter_data数组中的所有数据求和后除以M作为动态阈值产生的输出Filter_out，送到脉冲整形的输入端；

⑥判断index是否小于M，若小于M则index=index+1、跳转到步骤④，否则index=1、跳转到步骤④；

脉冲整形的方法，步骤如下：

a.开始；

b.初始化状态变量zhuangtai=0；

c.设回差取值为5，输入回差；

d.输入动态阈值信号以及经预处理的反刍信号；

e.判断经预处理的反刍信号是否大于动态阈值信号+回差，且zhuangtai等于0，若是则zhuangtai=1、跳转到步骤d，否则跳转到步骤f；

f.判断经预处理的反刍信号是否小于动态阈值信号-回差，且zhuangtai等于1，若是则zhuangtai=0、跳转到步骤d，否则直接跳转到步骤d；

脉冲识别及反刍数据记录的方法，步骤如下：

（1）开始；

（2）初始化反刍脉冲数RumSum=0，两小时内反刍分钟数TimeSum=0，一分钟定时开始，两小时定时开始；

（3）读入经过脉冲整形的脉冲信号；

（4）统计相邻两个脉冲上升沿之间的时间；

（5）判断统计到的时间是否满足大于0.6秒且小于1.2秒，若满足则RumSum=RumSum+1、跳转到步骤（6），否则直接跳转到步骤（6）；

（6）判断是否一分钟定时时间到，若到了则判断RumSum是否大于25，若是则判定在这一分钟的时间里反刍动物在进行反刍、两小时内反刍分钟数TimeSum=TimeSum+1、反刍脉冲数RumSum=0、一分钟定时重新开始、跳转到步骤（7），否则直接跳转到步骤（7）；

（7）判断是否两小时定时时间到，若到了则存储TimeSum、使TimeSum=0、两小时定时重新开始、跳转到步骤（3），否则直接跳转到步骤（3）。

本发明主要解决的技术问题是提供一种准确识别反刍动物反刍的装置及其工作方法。该装置实现准确识别反刍动物的反刍活动，并且实现每两小时一个记录，记录这两个小时中反刍的总分钟数，一天可记录12个这样的数据。本发明能够实现一天24小时持续工作、90%以上的识别率以及功耗低于800uW。

本发明采用的技术方案是：单片机大部分时间处于休眠状态，而在100Hz时钟到来时，单片机被唤醒，并进行AD采样，然后进行一系列操作识别出反刍信号、存储单位时间(此处是2个小时)中反刍持续的时间长度并且可以通过433MHz通信模块将反刍数据上传给舍外监控装置。本发明在单片机中实现反刍信号的自动识别，同时也实现了低功耗的要求。

本发明的有益效果是：本发明可以实现反刍信号的自动识别，在反刍动物的规模化养殖中，可以为养殖者提供每个动物完整准确的反刍数据。而且因为算法的优越性，实现了低功耗以及低成本的目的。

附图说明

图1是本发明装置中反刍动物携带装置的安装位置示意图；其中：1、反刍动物，2、挂绳，3、配重，4、反刍动物监测装置。

图2是本发明装置的硬件框图；

其中：5、压电陶瓷片，6、放大滤波电路，7、单片机，8、433MHz通信模块，9、433MHz天线，10、433MHz接收模块，11、上位机，12、触摸屏，13、锂亚电池，14、125KHz发射模块，15、125KHz天线，16、触发电路，17、模数转换器。

压电陶瓷片（5）与放大滤波电路（6）相连，放大滤波电路（6）与模数转换器(17)相连,模数转换器(17)与单片机（7）相连，125KHz天线（15）与触发电路（16）相连，触发电路（16）与单片机（7）相连，433MHz天线（9）与433MHz通信模块（8）相连，433MHz通信模块（8）和单片机（7）相连，锂亚电池（13）和放大滤波电路（6）、单片机（7）、触发电路（16）、433MHz通信模块（8）相连，上位机（11）与125KHz发射模块（14）、433MHz接收模块（10）、触摸屏（12）相连。锂亚电池（13）和放大滤波电路（6）、模数转换器(17)、单片机（7）、触发电路（16）、433MHz通信模块（8）相连。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例：

本发明实施例如图1-2所示，一种对反刍动物进行实时监测的方法，有以下装置来实现，该装置包括反刍动物携带装置4和舍外监控装置，其中反刍动物携带装置4包括压电陶瓷片5、放大滤波电路6、模数转换器17、触发电路16、单片机7、Flash存储器、433MHz通信模块8、433MHz天线9、锂亚电池13、125KHz天线15、触发电路16，舍外监控装置包括上位机11、触摸屏12、125KHz发射模块14、433MHz接收模块10，反刍动物携带装置4中的压电陶瓷片5连接到放大滤波电路6的输入端，放大滤波电路6的输出端和模数转换器17的输入端相连，模数转换器17的输出端与单片机7相连；125KHz天线15与触发电路16相连，触发电路16与单片机7相连；433MHz天线9与433MHz通信模块8相连，433MHz通信模块8和单片机7相连，锂亚电池13分别和放大滤波电路6、单片机7、触发电路16及433MHz通信模块8相连接以为其供电，整个反刍动物携带装置4封装在外壳里，压电陶瓷片5固定在外壳外面，反刍动物携带装置4连同外壳被固定在挂绳2上的侧边，挂绳2的下端固定配重3；舍外监控装置中的上位机11分别与125KHz发射模块14、433MHz接收模块10、触摸屏12相连，触摸屏12上设置有奶牛反刍信息的检测、统计、分析、查询界面；反刍动物携带装置4和舍外监控装置通过无线信号进行联系，该实时监测方法如下：

压电陶瓷片（传感器）5采集到的信号经过放大滤波电路6放大滤波并进行检波处理，得到频率较低的脉冲信号，然后经过模数转换器17将信号数字化，数字化后的信号进入单片机7，单片机7对数字化后的信号先进行数字滤波（即信号预处理）使信号更加平滑，再经过有动态阈值的脉冲整形程序使脉冲变成一个个的方波信号，然后利用单片机7识别出反刍脉冲，统计出每两小时内反刍持续的时间长度并存储，在有外部无线触发信号时，将存储的反刍时间数据通过433MHz通信模块8上传给舍外监控装置，舍外监控装置中的上位机11将反刍信息进行处理分析之后提供给养殖管理人员，单片机的工作方法包括反刍信号预处理、动态阈值产生、脉冲整形、脉冲识别及反刍数据记录，其中反刍信号预处理的方法，步骤如下：

1）开始；

2）初始化一个计数变量i=1，累加和值ADC_sum=0,i的计数个数N=10；

3）读入模数转换器输出端的数据ADC_data；

4）将上述模数转换器输出端的数据加到ADC_sum,即ADC_sum=ADC_sum+ADC_data；

5）判断i是否小于N，若小于N则i=i+1、跳转到步骤3），否则跳转到步骤6）；

6）将ADC_sum除以N输出到动态阈值产生和脉冲整形的输入端；

7）使ADC_sum=0，i=1，跳转到步骤3）；

动态阈值产生的方法，步骤如下：

①开始；

②初始化长度为M的数组Filter_data[M]={0}，设M=10；

③初始化计数变量index=1；

④输入一个数据到Filter_data[index]；

⑤输出Filter_out=sum(Filter_data)/M，即将Filter_data数组中的所有数据求和后除以M作为动态阈值产生的输出Filter_out，送到脉冲整形的输入端；

⑥判断index是否小于M，若小于M则index=index+1、跳转到步骤④，否则index=1、跳转到步骤④；

脉冲整形的方法，步骤如下：

a.开始；

b.初始化状态变量zhuangtai=0；

c.设回差取值为5，输入回差；

d.输入动态阈值信号以及经预处理的反刍信号；

e.判断经预处理的反刍信号是否大于动态阈值信号+回差，且zhuangtai等于0，若是则zhuangtai=1、跳转到步骤d，否则跳转到步骤f；

f.判断经预处理的反刍信号是否小于动态阈值信号-回差，且zhuangtai等于1，若是则zhuangtai=0、跳转到步骤d，否则直接跳转到步骤d；

脉冲识别及反刍数据记录的方法，步骤如下：

（1）开始；

（2）初始化反刍脉冲数RumSum=0，两小时内反刍分钟数TimeSum=0，一分钟定时开始，两小时定时开始；

（3）读入经过脉冲整形的脉冲信号；

（4）统计相邻两个脉冲上升沿之间的时间；

（5）判断统计到的时间是否满足大于0.6秒且小于1.2秒，若满足则RumSum=RumSum+1、跳转到步骤（6），否则直接跳转到步骤（6）；

（6）判断是否一分钟定时时间到，若到了则判断RumSum是否大于25，若是则判定在这一分钟的时间里反刍动物在进行反刍、两小时内反刍分钟数TimeSum=TimeSum+1、反刍脉冲数RumSum=0、一分钟定时重新开始、跳转到步骤（7），否则直接跳转到步骤（7）；

（7）判断是否两小时定时时间到，若到了则存储TimeSum、使TimeSum=0、两小时定时重新开始、跳转到步骤（3），否则直接跳转到步骤（3）。

Claims (1)

1.一种对反刍动物进行实时监测的方法，有以下装置来实现，该装置包括反刍动物携带装置和舍外监控装置，其中反刍动物携带装置包括压电陶瓷片、放大滤波电路、模数转换器、触发电路、单片机、433MHz通信模块、433MHz天线、锂亚电池、125KHz天线、触发电路，舍外监控装置包括上位机、触摸屏、125KHz发射模块、433MHz接收模块，反刍动物携带装置中的压电陶瓷片连接到放大滤波电路的输入端，放大滤波电路的输出端和模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与单片机相连；125KHz天线与触发电路相连，触发电路与单片机相连；433MHz天线与433MHz通信模块相连，433MHz通信模块和单片机相连，锂亚电池分别和放大滤波电路、单片机、触发电路及433MHz通信模块相连接以为其供电，整个反刍动物携带装置封装在外壳里，压电陶瓷片固定在外壳外面，反刍动物携带装置连同外壳被固定在挂绳上的侧边，挂绳的下端固定配重；舍外监控装置中的上位机分别与125KHz发射模块、433MHz接收模块、触摸屏相连，触摸屏上设置有反刍动物反刍信息的检测、统计、分析、查询界面；反刍动物携带装置和舍外监控装置通过无线信号进行联系，该实时监测方法如下：

压电陶瓷片采集到的反刍信号经过放大滤波电路放大滤波并进行检波处理，得到频率较低的反刍脉冲信号，然后经过模数转换器将信号数字化，数字化后的信号进入单片机，单片机将数字化后的反刍信号先经过数字滤波使反刍信号更加平滑，再经过有动态阈值的脉冲整形程序使反刍脉冲变成一个个的方波信号，然后利用单片机对方波信号脉冲识别出反刍脉冲，统计出每两小时内反刍持续的时间长度并存储，在有外部无线触发信号时，将存储的每两小时内反刍持续的时间长度数据通过433MHz通信模块上传给舍外监控装置，舍外监控装置中的上位机将反刍信息进行处理分析之后提供给养殖管理人员进行实时监测，单片机的工作方法包括反刍信号预处理、动态阈值产生、脉冲整形、脉冲识别及反刍数据记录，其中反刍信号预处理的方法，步骤如下：

1)开始；

2)初始化一个计数变量i＝0，累加和值ADC_sum＝0,i的计数个数N＝10；

3)读入模数转换器输出端的数据ADC_data；

4)将上述模数转换器输出端的数据加到ADC_sum,即ADC_sum＝ADC_sum+ADC_data；

5)判断i是否小于N，若小于N则i＝i+1跳转到步骤3)，否则跳转到步骤6)；

6)将ADC_sum/N输出；

7)ADC_sum＝0，i＝0，跳转到步骤3)；

动态阈值产生的方法，步骤如下：

①开始；

②初始化长度为N的数组Filter_data[N]＝{0}，设N＝10；

③初始化计数变量index＝0；

④输入一个数据到Filter_data[index]；

⑤输出Filter_out＝sum(Filter_data)/N；

⑥判断index是否小于N，若小于N则index＝index+1、跳转到步骤④，否则index＝0、跳转到步骤④；

脉冲整形的方法，步骤如下：

a.开始；

b.初始化状态变量zhuangtai＝0；

c.设回差取值为5，输入回差；

d.输入动态阈值信号以及经预处理的反刍信号；

e.判断经预处理的反刍信号是否大于动态阈值信号+回差，且zhuangtai等于0，若是则zhuangtai＝1、跳转到步骤d，否则跳转到步骤f；

f.判断经预处理的反刍信号是否小于动态阈值信号-回差，且zhuangtai等于1，若是则zhuangtai＝0、跳转到步骤d，否则直接跳转到步骤d；

脉冲识别及反刍数据记录的方法，步骤如下：

(1)开始；

(2)初始化反刍脉冲数RumSum＝0，两小时内反刍分钟数TimeSum＝0，一分钟定时开始，两小时定时开始；

(3)读入经过脉冲整形的脉冲信号；

(4)统计相邻两个脉冲上升沿之间的时间；

(5)判断统计到的时间是否满足大于0.6秒且小于1.2秒，若满足则RumSum＝RumSum+1、跳转到步骤(6)，否则直接跳转到步骤(6)；

(6)判断是否一分钟定时时间到，若到了则判断RumSum是否大于25，若是则可判定在这一分钟的时间里反刍动物在进行反刍、两小时内反刍分钟数TimeSum＝TimeSum+1、反刍脉冲数RumSum＝0、一分钟定时重新开始、跳转到步骤(7)，否则直接跳转到步骤(7)；

(7)判断是否两小时定时时间到，若到了则存储TimeSum、使TimeSum＝0、两小时定时重新开始、跳转到步骤(3)，直接跳转到步骤(3)。