CN106484014A - 基于物联网和单片机技术的奶牛精细化饲养系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于物联网和单片机技术的奶牛精细化饲养系统，包括设置在奶牛身上的传感器监测模块、中央控制模块、无线数据传输模块和设置在监测中心的上位机数据监控模块，所述传感器监测模块包括设置在奶牛身上用于监测其体表温度的温度传感器和测量其运动方向及速度的三轴加速度传感器，所述中央控制模块包括单片机，所述无线数据传输模块包括zigbee模块，所述上位机数据监控模块包括工控机、数据库服务器。本发明通过温度传感器固定在奶牛身上测量体温，通过三轴加速度传感器测量奶牛的运动情况，并结合单片机技术和无线传输技术进行数据高效传输，可以时刻监测奶牛体温并计算奶牛的运动量，与奶牛进食量相结合实现对奶牛的精细化饲养。

Description

基于物联网和单片机技术的奶牛精细化饲养系统

技术领域

本发明涉及畜牧养殖与农业技术领域，具体涉及一种基于物联网和单片机技术的奶牛精细化饲养系统。

背景技术

奶牛养殖场是将数量众多的奶牛进行集约化饲养，以便于对奶牛进行统一的监控管理。近年来随着无线网络，传感器技术的发展，精准农业已经成为畜牧工作者关注的热点。奶牛在养育过程中，畜牧场环境和奶牛的生理健康参数对其生长、发育、产奶有着重要的影响。

进入21世纪，在经济高速发展的作用下我国奶牛业迎来了良好的市场前景，奶牛的饲养方式从传统的散养与圈养方式也逐渐向数字化的精准饲养方式发展。传统饲养方式的低效作业已经无法满足经济效益的最大化，所以探讨出一套高效、精准、专业的饲养方式已成为当下的需求。2003年，我国初步将精细化养殖列入了研究课题的范围内，为实现奶牛的精细化饲养探索开启了先例。随后许多的企业也加入到了精细化饲养项目的研发在当中，但是目前我国的总体水平仍处于尝试阶段，数字化牛场饲养方式还未被应用到实际中。

在这个信息化的时代，通过对奶牛身体指标的大数据样本统计与分析可以很方便的分析出奶牛饲养的需求量。我国在精细化饲养方面仍然处于探索成长阶段，相对缺乏创新研究。相较外国的饲养模式，我国的饲养模式产量仍然很低，所以如何增产，如何提高经济效益，是我们现在所需解决的问题。

申请号为201510012844.2的发明公开了一种基于智能手机和移动互联网的奶牛移动数据管理系统及其方法，包括一奶牛手机客户端，一奶牛服务器端和一奶牛网页浏览器端。用户可以使用奶牛手机客户端向奶牛服务器端发送奶牛的实时数据，奶牛服务器端从奶牛网页浏览器端接收经过科研单位分析过的数据结果，用于奶牛饲养中。科研单位通过网页浏览器端浏览奶牛服务器端的实时数据，研究分析结果指导用户生产。奶牛移动数据管理系统可以广泛应用于牛场，奶牛散户，科研机构等奶牛饲养个相关领域，科学严谨，易于使用，对我国农业信息化和现代化具有积极的推动作用。但是该发明虽然能够发现问题，但是对于问题的如何产生无法了解，做不到精细化饲养的要求。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种基于物联网和单片机技术的奶牛精细化饲养系统，通过温度传感器固定在奶牛身上测量体温，通过三轴加速度传感器测量奶牛的运动情况，并结合单片机技术和无线传输技术进行数据高效传输，可以时刻监测奶牛体温并计算奶牛的运动量，与奶牛进食量相结合实现对奶牛的精细化饲养。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于物联网和单片机技术的奶牛精细化饲养系统，包括设置在奶牛身上的传感器监测模块、中央控制模块、无线数据传输模块和设置在监测中心的上位机数据监控模块，所述传感器监测模块包括设置在奶牛身上用于监测其体表温度的温度传感器和测量其运动方向及速度的三轴加速度传感器，所述中央控制模块包括单片机，所述无线数据传输模块包括zigbee模块，所述上位机数据监控模块包括工控机、数据库服务器，所述传感器监测模块、中央控制模块、无线数据传输模块和上位机数据监控模块依次连接。

进一步的，所述温度传感器通过椭圆形固定机构设置在所述奶牛的脖子上，所述固定机构包括两个椭圆形固定环，两个所述椭圆形固定环通过横杆连接，所述椭圆形固定环之间通过按压机构设置所述温度传感器。

进一步的，所述按压机构包括两个所述椭圆形固定环之间设置的V型支架，所述V型支架向内设置压缩弹簧，所述压缩弹簧的端部设置所述温度传感器。

进一步的，所述V型支架两端对应所述温度传感器设置斜向支撑弹簧。

进一步的，所述压缩弹簧端部对应所述温度传感器设置半圆形罩体，所述罩体采用橡胶制件。

进一步的，牛栏内设置称重模块，所述称重模块包括电子秤和第一蓝牙模块，所述奶牛身上设置与所述中央控制模块相连接的第二蓝牙模块。

进一步的，所述温度传感器采用DS18B20。

进一步的，所述三轴加速度传感器采用ADXL345加速度传感器。

进一步的，所述ADXL345加速度传感器获取X、Y、Z三个坐标轴方向的加速度，Ax、Ay、Az分别代表从ADXL345三轴加速度传感器读到的X、Y、Z方向的加速度值，通过Ax、Ay、Az求得奶牛实际运动方向的弧度值如下：

加速度传感器Z轴与自然坐标系Z轴夹角转换：:，

加速度传感器X轴与自然坐标系X轴夹角转换：，

加速度传感器Y轴与自然坐标系Y轴夹角转换：，

再经过弧度与角度的转换，将三个弧度值转换为角度值，从而得到奶牛的实际运动方向，再与加速度值相配合，便可求得奶牛的实际运动距离和速度。

本发明提供了一种基于物联网和单片机技术的奶牛精细化饲养系统，传感器监测模块的温度传感器设置在奶牛身上，可以时刻对奶牛的温度进行采集，并通过无线传输数据模块发送至上位机数据监测模块，对奶牛的体表温度实现时时采集，该接触式测温的准确度较高，解决了非接触式测温的误差问题。三轴加速度传感器可以对奶牛的运动情况进行采集，时刻掌握奶牛的运动量，并判断处奶牛消耗的卡路里，与奶牛日常进食量相结合，可以判断出奶牛的健康状况。中央控制模块作为下位机与上位机数据监控模块进行数据交换，对传感器监测模块进行控制，将监测到的温度和加速度信息汇总后控制无线数据传输模块发送至上位机，中央控制模块采用单片机，单片机采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，可以对大量的监测数据进行处理并接收上位机控制指令。上位机数据监控模块包括工控机和数据库服务器，工控机共有五部分数据显示，分别是温度的实时监测曲线绘制、温度的数据显示、奶牛运动步数的显示、奶牛的运动路程显示以及奶牛的卡路里消耗显示，通过这些数据可以对奶牛的情况进行了解，数据库服务器可以对这些数据进行存储，便于调用以前的奶牛资料，对奶牛各项信息进行历史对比，更容易发现奶牛的健康问题。

温度传感器是通过固定机构设置在奶牛脖子上，固定机构为契合脖子截面形状的椭圆形，包括两个椭圆形固定环，椭圆形固定环之间通过按压机构设置温度传感器，这样可以保证温度传感器与奶牛脖子的贴合，使得温度的测量更加精准。且采用两个固定环，可以避免温度传感器在脖子上发生偏移，从而影响温度测量的准确性。固定环可以采用橡胶制件，既能加大与奶牛脖子的摩擦力，防止固定环移动，也因为本身具备弹性降低对奶牛的影响，不会影响到奶牛的进食与呼吸。按压机构采用V型支架与V型支架向内设置的压缩弹簧，这样可以保证压缩弹簧处在两个固定环的中心位置，固定环手里均匀，降低其偏移的几率。仅仅采用一个压缩弹簧，奶牛的脖子动作时温度传感器可以会歪斜，从而影响测量结果，因此在V型支架两端对应温度传感器设置斜向支撑弹簧，对温度传感器的两侧施加支撑力度，避免温度传感器歪斜，保证测量的精度。温度传感器上设置罩体，避免进入杂物在奶牛与温度传感器之间，影响测量的质量，也避免大风等天气对测量的影响。

因为奶牛脖子上有毛的存在，测温的结果可能会存在误差，温度传感器上设置储水箱，储水箱通过电磁阀控制可以对温度传感器的两侧喷洒水雾，对温度传感器与奶牛接触面进行湿润，这样可以保证奶牛与温度传感器的贴合，也能够保证温度传递的稳定性与快速性，保证测量的精准，效果更好。

本发明通过温度传感器固定在奶牛身上测量体温，通过三轴加速度传感器测量奶牛的运动情况，并结合单片机技术和无线传输技术进行数据高效传输，可以时刻监测奶牛体温并计算奶牛的运动量，与奶牛进食量相结合实现对奶牛的精细化饲养，实现每头奶牛的定制饲养，做到饲养效益的最大化。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步描述：

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明中央控制模块的数据流程图；

图3是本发明温度传感器的流程图；

图4是本发明三轴加速度传感器的流程图；

图5是本发明上位机数据监控模块的流程图；

图6是本发明固定机构的结构示意图；

图7是本发明实施例三的结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图7对本发明技术方案进一步展示，具体实施方式如下：

实施例一

如图1至图5所示：本实施例提供了一种基于物联网和单片机技术的奶牛精细化饲养系统，包括设置在奶牛身上的传感器监测模块12、中央控制模块4、无线数据传输模块3和设置在监测中心的上位机数据监控模块1，所述传感器监测模块12包括设置在奶牛身上用于监测其体表温度的温度传感器7和测量其运动方向及速度的三轴加速度传感器6，所述中央控制模块4包括单片机，所述无线数据传输模块3包括zigbee模块，所述上位机数据监控模块1包括工控机2、数据库服务器5，所述传感器监测模块12、中央控制模块4、无线数据传输模块3和上位机数据监控模块1依次连接。

所述温度传感器7采用DS18B20。

所述三轴加速度传感器6采用ADXL345加速度传感器。

传感器监测模块的温度传感器设置在奶牛身上，可以时刻对奶牛的温度进行采集，并通过无线传输数据模块发送至上位机数据监测模块，对奶牛的体表温度实现时时采集，该接触式测温的准确度较高，解决了非接触式测温的误差问题。三轴加速度传感器可以对奶牛的运动情况进行采集，时刻掌握奶牛的运动量，并判断处奶牛消耗的卡路里，与奶牛日常进食量相结合，可以判断出奶牛的健康状况。中央控制模块作为下位机与上位机数据监控模块进行数据交换，对传感器监测模块进行控制，将监测到的温度和加速度信息汇总后控制无线数据传输模块发送至上位机，中央控制模块采用单片机，单片机采用Stm32芯片，处理信息并将数据通过ZIGBEE模块传输到上位机上。由于本系统所采用的DS18B20与ADXL345是数字型传感器，故不需要利用ADC进行转换，只需遵守传感器各自的协议，便可读到数据。

上位机数据监控模块包括工控机和数据库服务器，工控机共有五部分数据显示，分别是温度的实时监测曲线绘制、温度的数据显示、奶牛运动步数的显示、奶牛的运动路程显示以及奶牛的卡路里消耗显示，通过这些数据可以对奶牛的情况进行了解，数据库服务器可以对这些数据进行存储，便于调用以前的奶牛资料，对奶牛各项信息进行历史对比，更容易发现奶牛的健康问题。

STM32上电后首先初始化系统时钟以及开启串口中断，然后初始化DS18B20与ADXL345加速度传感器，初始化工作完成后读取温度传感器与加速度传感器的数据，设置每40ms读取一次数据。当读到数据后此刻将数据通过串口发送出去，同样设置每50ms发送一次，将温度传感器的数据与角度变换成的步伐数以数组的形式发送，程序流程如图2所示。

由于DS18B20是单总线通信，在实际的单片机开发中并不存在单总线，所以要向对DS18B20实现读写必须利用软件的延时功能模仿其时序电路，最终实现单总线通信的模拟。流程如图3所示，首先发送SKIPROM命令，然后发送开始转换命令，开启延时和复位，然后发送SKIPROM命令发送读取命令，实现数据获取，如果无法读取，则继续返回发送SKIPROM命令。

所述ADXL345加速度传感器获取X、Y、Z三个坐标轴方向的加速度，Ax、Ay、Az分别代表从ADXL345三轴加速度传感器读到的X、Y、Z方向的加速度值，通过Ax、Ay、Az求得奶牛实际运动方向的弧度值如下：

加速度传感器Z轴与自然坐标系Z轴夹角转换：:，

加速度传感器X轴与自然坐标系X轴夹角转换：，

加速度传感器Y轴与自然坐标系Y轴夹角转换：，

再经过弧度与角度的转换，将三个弧度值转换为角度值，从而得到奶牛的实际运动方向，再与加速度值相配合，便可求得奶牛的实际运动距离和速度，整体流程如图4所示。

上位机负责接收下位机的数据并进行相应的处理。上位机总共有五部分数据显示，分别是温度的实时监测曲线绘制、温度的数据显示、奶牛运动步数的显示、奶牛的运动路程显示以及奶牛的卡路里消耗显示。通过这些数据的监测可以判断出一头奶牛的体征是否正常，当温度有明显的上升时，温度曲线图会有一个明显的波峰，正常情况下应该趋于平稳，在结合奶牛当前的运动量与卡路里消耗，就可以判定奶牛的健康状况，并可以针对此等状况进行相应的调整，总体的程序框如图5所示。

当从串口读取数据后，首先需要验证获得的数据是否符合自己制定的通行协议，上位机与下位机的协议为：0xff、0xfe、奶牛标号、温度数据、运动步伐数据、0xaa。其中前两位为数据头，最后一位为结束标志，当数据通过串口接收到缓存区中后，只需要判断数据起始位与结束位是否为预先设计的标志，若是就直接提取中间的数据进行相应的处理，若不是则舍弃这一组数据，重新等待接收。

实施例二

如图6所示：其与实施例一的区别在于：

所述温度传感器7通过椭圆形固定机构设置在所述奶牛的脖子上，所述固定机构包括两个椭圆形固定环13，两个所述椭圆形固定环13通过横杆14连接，所述椭圆形固定环13之间通过按压机构设置所述温度传感器7。

所述按压机构包括两个所述椭圆形固定环13之间设置的V型支架15，所述V型支架15向内设置压缩弹簧17，所述压缩弹簧17的端部设置所述温度传感器7。

所述V型支架15两端对应所述温度传感器7设置斜向支撑弹簧16。

所述压缩弹簧17端部对应所述温度传感器7设置半圆形罩体18，所述罩体18采用橡胶制件。

温度传感器是通过固定机构设置在奶牛脖子上，固定机构为契合脖子截面形状的椭圆形，包括两个椭圆形固定环，椭圆形固定环之间通过按压机构设置温度传感器，这样可以保证温度传感器与奶牛脖子的贴合，使得温度的测量更加精准。且采用两个固定环，可以避免温度传感器在脖子上发生偏移，从而影响温度测量的准确性。固定环可以采用橡胶制件，既能加大与奶牛脖子的摩擦力，防止固定环移动，也因为本身具备弹性降低对奶牛的影响，不会影响到奶牛的进食与呼吸。按压机构采用V型支架与V型支架向内设置的压缩弹簧，这样可以保证压缩弹簧处在两个固定环的中心位置，固定环手里均匀，降低其偏移的几率。仅仅采用一个压缩弹簧，奶牛的脖子动作时温度传感器可以会歪斜，从而影响测量结果，因此在V型支架两端对应温度传感器设置斜向支撑弹簧，对温度传感器的两侧施加支撑力度，避免温度传感器歪斜，保证测量的精度。温度传感器上设置罩体，避免进入杂物在奶牛与温度传感器之间，影响测量的质量，也避免大风等天气对测量的影响。

实施例三

如图7所示：其与实施例二的区别在于：

所述压缩弹簧17端部通过安装基座19设置所述温度传感器7，所述安装基座19上设置储水箱20，所述储水箱20通过电磁阀21与出水管22连通，所述出水管22另一端设置喷头23，所述喷头23设置在所述温度传感器7的侧面，所述电磁阀21与所述中央控制模块4连接。

因为奶牛脖子上有毛的存在，测温的结果可能会存在误差，温度传感器上设置储水箱，储水箱通过电磁阀控制可以对温度传感器的两侧喷洒水雾，对温度传感器与奶牛接触面进行湿润，这样可以保证奶牛与温度传感器的贴合，也能够保证温度传递的稳定性与快速性，保证测量的精准，效果更好。

实施例四

如图1所示：其与实施例一的区别在于：

牛栏内设置称重模块10，所述称重模块10包括电子秤11和第一蓝牙模块9，所述奶牛身上设置与所述中央控制模块4相连接的第二蓝牙模块8。承重模块设置在牛栏的门口，在奶牛出牛栏活动时，会依次经过承重模块，便可对养殖场的奶牛体重进行称量。称量采用电子秤来进行，电子秤通过蓝牙模块与奶牛身上的中央控制模块进行通信，蓝牙模块的覆盖范围调整为电子秤的范围即可，当奶牛站在电子秤上时，蓝牙模块连通并将称量结果通过无线的形式发送到对应承重奶牛的中央控制模块，当奶牛走过电子秤后，蓝牙断开，可以实现对奶牛的远程承重，且准确度很高，与监测到的奶牛运动情况、温度情况进行配合，实现对奶牛的精细化饲养。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于物联网和单片机技术的奶牛精细化饲养系统，其特征在于：包括设置在奶牛身上的传感器监测模块、中央控制模块、无线数据传输模块和设置在监测中心的上位机数据监控模块，所述传感器监测模块包括设置在奶牛身上用于监测其体表温度的温度传感器和测量其运动方向及速度的三轴加速度传感器，所述中央控制模块包括单片机，所述无线数据传输模块包括zigbee模块，所述上位机数据监控模块包括工控机、数据库服务器，所述传感器监测模块、中央控制模块、无线数据传输模块和上位机数据监控模块依次连接。

2.如权利要求1所述的基于物联网和单片机技术的奶牛精细化饲养系统，其特征在于：所述温度传感器通过椭圆形固定机构设置在所述奶牛的脖子上，所述固定机构包括两个椭圆形固定环，两个所述椭圆形固定环通过横杆连接，所述椭圆形固定环之间通过按压机构设置所述温度传感器。

3.如权利要求2所述的基于物联网和单片机技术的奶牛精细化饲养系统，其特征在于：所述按压机构包括两个所述椭圆形固定环之间设置的V型支架，所述V型支架向内设置压缩弹簧，所述压缩弹簧的端部设置所述温度传感器。

4.如权利要求3所述的基于物联网和单片机技术的奶牛精细化饲养系统，其特征在于：所述V型支架两端对应所述温度传感器设置斜向支撑弹簧。

5.如权利要求4所述的基于物联网和单片机技术的奶牛精细化饲养系统，其特征在于：所述压缩弹簧端部对应所述温度传感器设置半圆形罩体，所述罩体采用橡胶制件。

6.如权利要求1所述的基于物联网和单片机技术的奶牛精细化饲养系统，其特征在于：牛栏内设置称重模块，所述称重模块包括电子秤和第一蓝牙模块，所述奶牛身上设置与所述中央控制模块相连接的第二蓝牙模块。

7.如权利要求1所述的基于物联网和单片机技术的奶牛精细化饲养系统，其特征在于：所述温度传感器采用DS18B20。

8.如权利要求1所述的基于物联网和单片机技术的奶牛精细化饲养系统，其特征在于：所述三轴加速度传感器采用ADXL345加速度传感器。

9.如权利要求8所述的基于物联网和单片机技术的奶牛精细化饲养系统，其特征在于：所述ADXL345加速度传感器获取X、Y、Z三个坐标轴方向的加速度，Ax、Ay、Az分别代表从ADXL345三轴加速度传感器读到的X、Y、Z方向的加速度值，通过Ax、Ay、Az求得奶牛实际运动方向的弧度值如下：

加速度传感器Z轴与自然坐标系Z轴夹角转换：:，

加速度传感器X轴与自然坐标系X轴夹角转换：，

加速度传感器Y轴与自然坐标系Y轴夹角转换：，

再经过弧度与角度的转换，将三个弧度值转换为角度值，从而得到奶牛的实际运动方向，再与加速度值相配合，便可求得奶牛的实际运动距离和速度。