CN208113758U - 基于uwb定位的奶牛运动状态实时监测系统 - Google Patents

基于uwb定位的奶牛运动状态实时监测系统 Download PDF

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张海洋
王俊
贺智涛
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Abstract

基于UWB定位的奶牛运动状态实时监测系统，包括均匀分布在定位区域内的多个定位基站、绑定在奶牛腿上位于基站范围内的监测装置以及计算机终端，所述定位基站包括主控芯片Ⅰ、UWB定位接收模块以及电源模块Ⅰ；所述监测装置包括主控芯片Ⅱ、三轴加速度传感器、UWB定位发送模块、电源模块Ⅱ以及无线传输模块。本实用新型有益效果：本实用新型将各个模块集合构成集成电路板绑定在奶牛腿上，极大地减少了电路的结构尺寸，降低了电路的功耗；该系统实时、精确地测定奶牛运动状态，极大地减轻了养殖人员的劳动强度，解决规模化奶牛养殖过程中奶牛运动状态判定耗时耗力和精准度的问题。

Description

基于UWB定位的奶牛运动状态实时监测系统
技术领域
本实用新型涉及畜牧业智能化管理技术领域，具体地说是基于UWB定位的奶牛运动状态实时监测系统。
背景技术
畜牧业是农业的重要组成部分，近年来，由于我国养牛场养殖规模小、散养殖方式粗放，现代化管理手段缺乏，致使奶牛饲养成本上升、奶牛产奶量相对较低，严重影响我国奶牛养殖业健康发展。
现如今我国奶牛业正在向现代化，集约化的管理方式进行转变，运用计算机技术对奶牛业进行信息化是必要的。由于奶牛行为活动的变化越来越被认为是奶牛饲喂量、健康、和发情期的有用指标，对奶牛行为状态进行实时监测为奶牛健康饲养和科学产奶提供有力支持。因此设计一种基于UWB定位的奶牛运动状态实时监测系统，将奶牛三轴加速度运动信息和奶牛位置信息结合，用来精准识别奶牛行为，这将会极大地减轻养殖人员的劳动强度，提升奶牛的科学管理水平。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供基于UWB定位的奶牛运动状态实时监测系统，精准识别奶牛行为，解决规模化奶牛养殖过程中奶牛行为监测耗时耗力和精准度的问题。
本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于UWB定位的奶牛运动状态实时监测系统，包括均匀分布在定位区域内的多个定位基站、绑定在奶牛腿上位于基站范围内的监测装置以及计算机终端，所述定位基站包括主控芯片Ⅰ、UWB定位接收模块以及电源模块Ⅰ，主控芯片Ⅰ与UWB定位接收模块之间互相连接，主控芯片Ⅰ通过WIFI将UWB定位接收模块传输过来的信号传递至计算机终端，电源模块Ⅰ为主控芯片Ⅰ和UWB定位接收模块提供电源；所述监测装置包括主控芯片Ⅱ、三轴加速度传感器、UWB定位发送模块、电源模块Ⅱ以及无线传输模块，三轴加速度传感器和UWB定位发送模块分别与主控芯片Ⅱ相连接，主控芯片Ⅱ通过无线传输模块与计算机终端相连接，电源模块Ⅱ为主控芯片Ⅱ、三轴加速度传感器、UWB定位发送模块及无线传输模块提供电源，所述定位基站中的UWB定位接收模块通过天线接收监测装置中UWB定位发送模块发送的定位信号。
本实用新型所述电源模块Ⅰ和电源模块Ⅱ均由锂电池装置、3.7V转3.3V降压电路和3.3V转1.8V降压电路构成，其中3.7V转3.3V降压电路采用芯片ME6206-3.3，3.3V转1.8V降压电路采用芯片LXDC2HL。
本实用新型所述UWB定位接收模块和UWB定位发送模块均由DW1000芯片、晶振电路、滤波电路和HHM1595A射频增强芯片组成。
本实用新型所述主控芯片Ⅰ和主控芯片Ⅱ均选用MSP430-F149单片机。
本实用新型所述的无线传输模块采用CC1101芯片。
本实用新型的有益效果是：本实用新型将各个模块集合构成集成电路板绑定在奶牛腿上，极大地减少了电路的结构尺寸，降低了电路的功耗；该系统实时、精确地测定奶牛运动状态，极大地减轻了养殖人员的劳动强度，解决规模化奶牛养殖过程中奶牛运动状态判定耗时耗力和精准度的问题；该系统采用了射频信号增强方案，该射频增强电路将DW1000芯片输出的射频信号经巴伦送至双工器再送至放大模块放大后发射，提高了UWB定位的准确性。
附图说明
图1为本实用新型模块连接示意图；
图2为本实用新型单片机MSP430-F149的引脚排列及基本外围连接设计图；
图3为本实用新型ADXL345三轴加速度传感器模块的电路连接图；
图4为本实用新型CC1101无线收发模块电路连接图；
图5为本实用新型3.7V转3.3V降压电路采用芯片ME6206-3.3的电路连接图；
图6为本实用新型3.3V转1.8V降压电路采用芯片LXDC2HL的电路连接图；
图7为本实用新型UWB定位发送模块或UWB定位接收模块的引脚排列及基本外围连接设计图。
具体实施方式
如图1所示，基于UWB定位的奶牛运动状态实时监测系统，包括均匀分布在定位区域内的多个定位基站、绑定在奶牛腿上位于定位区域内的监测装置以及计算机终端，所述定位基站包括主控芯片Ⅰ、UWB定位接收模块以及电源模块Ⅰ，主控芯片Ⅰ与UWB定位接收模块之间互相连接，主控芯片Ⅰ通过WIFI将UWB定位接收模块传输过来的信号传递至计算机终端，电源模块Ⅰ为主控芯片Ⅰ和UWB定位接收模块提供电源；所述监测装置包括主控芯片Ⅱ、三轴加速度传感器、UWB定位发送模块、电源模块Ⅱ以及无线传输模块，将主控芯片Ⅱ、三轴加速度传感器、UWB定位发送模块、电源模块Ⅱ以及无线传输模块集合构成集成电路板绑定在牛腿上，三轴加速度传感器和UWB定位发送模块分别与主控芯片Ⅱ相连接，主控芯片Ⅱ通过无线传输模块与计算机终端相连接，电源模块Ⅱ为主控芯片Ⅱ、三轴加速度传感器、UWB定位发送模块及无线传输模块提供电源，所述定位基站中的UWB定位接收模块通过天线接收监测装置中UWB定位发送模块发送的定位信号。
进一步，所述电源模块Ⅰ和电源模块Ⅱ均由锂电池装置、3.7V转3.3V降压电路和3.3V转1.8V降压电路构成，其中3.7V转3.3V降压电路采用芯片ME6206-3.3，3.3V转1.8V降压电路采用芯片LXDC2HL。
进一步，所述UWB定位接收模块和UWB定位发送模块均由DW1000芯片、晶振电路、滤波电路和HHM1595A射频增强芯片组成，UWB定位接收模块和UWB定位发送模块通过SPI接口与主控芯片通讯。
进一步，所述主控芯片Ⅰ和主控芯片Ⅱ均选用MSP430-F149单片机。
进一步，所述的无线传输模块采用CC1101芯片。
本实用新型工作原理：监测装置实时发送UWB信号确认奶牛的位置，定位基站实时接收监测装置发送的UWB信号，然后将数据打包通过WIFI发送给交换机，交换机通过以太网传输将数据传输给计算机终端，计算机终端将由定位基站接收的定位数据通过特定算法计算出监测装置即奶牛与定位基站之间的距离，从而可以精确计算出监测装置即奶牛的具体位置；三轴加速度传感器将采集到的奶牛的三轴加速度数据传输给主控芯片Ⅱ，主控芯片Ⅱ通过无线传输模块将三轴加速度数据传递至计算机终端，计算机终端通过事先设定好的算法将奶牛的运动状态进行区分；最后将奶牛的运动状态和奶牛的位置结合，从而更精确的确认奶牛的运动状态。
本实用新型具体工作过程：监测装置中的UWB定位发送模块实时通过天线发送奶牛的定位信息，定位基站中的UWB定位接收模块实时通过天线接收UWB定位发送模块发送的定位信息并将该信息传递至主控芯片Ⅰ，主控芯片Ⅰ通过WIFI将该定位信息发送至计算机终端；三轴加速度传感器实时采集奶牛的三轴加速度数据并将该数据发送至主控芯片Ⅱ，主控芯片Ⅱ将接收到的数据通过无线传输模块传送至计算机终端，计算机终端将接收到的定位信息和三轴加速度数据进行处理，从而对奶牛的运动状况进行分析并得出结论；主控芯片Ⅰ可控制UWB定位接收模块的工作状态，主控芯片Ⅱ可控制三轴加速度传感器、UWB定位发送模块的工作状态。
如图2所示，为单片机MSP430-F149的引脚排列及基本外围连接设计图。主要包含单片机芯片引脚排列、晶振电路和复位电路。P1为数据下载接口，脚1和4为电源和信号地，工作电压范围为3.3~5V;脚2和3为二线串行数字接口，脚2接单片机的P3.7/RXD口，脚3接单片机的P3.6/TXD口。
如图3所示，为ADXL345三轴加速度传感器模块的电路连接图。脚1为电源，脚2、4、5为信号地；脚6经过电阻R1接到电源；脚7经过保护电阻R3接到电源；脚12经过电阻R5使模块单点接地；脚13接单片机P3.1/WR口,经保护电阻R5接到电源；脚14接单片机P3.7/SDA口，经保护电阻R4接到电源；脚3、8、9、10、11未连接。
如图4所示，为CC1101无线收发模块电路连接图。脚1/SCLK通过保护电阻R8接到单片机P1.3口；脚2/SO(GDO1) 通过保护电阻R9接到单片机P6.5口；脚3/GOD2通过保护电阻R10接到单片机P6.3口；脚6/GDO0通过保护电阻R11接到单片机P6.4口；脚7/CSn通过保护电阻R12接到P1.4口；脚8/XOSC_Q1与脚10/XOSC_Q2之间跨接一个晶体振荡器XTAL，并分别经过电容C12和C16接地；脚5/DCOUPL通过电容C9接地；脚16/GND、脚19/GND接地；脚17/RBLAS通过电阻R14接地；脚4/DVDD、脚9/AVDD、脚11/AVDD、脚14/AVDD、脚15/AVDD、脚18/DGUARD连到电源3V3；脚12/RF_P与脚13/RF_N之间跨接一个电线，脚12/RF_P通过L1、C20串联接地，L1和C20在高频和低频时都是开路的，中频时短路，进行中频滤波；脚13/RF_N通过电容C19接地，电容C19起到高频滤波的作用，防止高频干扰；电感L2与电容C23构成谐振电路，用来产生一种高频正弦波信号；电感L3、L4与电容C26、C32 构成典型的π型滤波电路，电容C29起到滤波作用。
如图5所示，为3.7V转3.3V降压电路采用芯片ME6206-3.3的电路连接图。该芯片的脚1、脚3通过开关S1接主电源模块输出的3.7V电源，经过电容C1、C3接地；脚5输出3.3V电压，经过电阻R6、发光二极管LED1接地；C4、C6滤波；脚2接地；脚4未接。
如图6所示，为3.3V转1.8V降压电路采用芯片LXDC2HL的电路连接图。芯片的脚1接输入电压3.3V，经过电容C2接地；脚2接DW1000模块 EXTON接口；脚3输出电压1.8V，经过电容C5接地；脚4接地。
如图7所示，为UWB定位发送模块或UWB定位接收模块的引脚排列及基本外围连接设计图。主要包含DW1000芯片引脚排列、晶振电路、滤波电路和HHM1595A射频增强电路。DW1000正常工作电压为3.3 V，部分片上资源可以直接由外部3.3 V供电，部分资源需通过降压模块LXDC2HL降压至1.8 V供电，这些LDO需通过相关管脚外接去耦电容，如图7中VDDLDO2、VDDMS、VDDCLK、 VDDSYN、VDDIO、VDDIF、VDDVCO分别通过电容C28、电容C33、电容C34、电容C35、电容C36、电容C37、电容C39去耦接地。VDDLDO1、 VDDDIG分别通过电容C22和电容C24、电容C25和电容C27接地。
为了提高UWB定位的准确性，该系统采用了射频信号增强方案，该射频增强电路将DW1000芯片输出的射频信号经巴伦送至双工器再送至放大模块放大后发射。巴伦选用UWB专用芯片HHM1595A，该芯片的脚3 BAL1通过电容30与DW1000芯片引脚RF-N相连；脚4 BAL2通过电容31与DW1000芯片引脚RF-P相连；脚2、5接地；脚1 UNBAL通过电容38连接到UWB天线上。
DW1000中SPICSn、SPICLK、SPIMOSI和SPIMISO引脚分别连接至主控芯片MSP430-F149中P6.3、P5.3、P5.1和P5.2引脚，作为DW1000与MSP430-F149的通信接口。

Claims (5)

1.基于UWB定位的奶牛运动状态实时监测系统，其特征在于：包括均匀分布在定位区域内的多个定位基站、绑定在奶牛腿上位于基站范围内的监测装置以及计算机终端，所述定位基站包括主控芯片Ⅰ、UWB定位接收模块以及电源模块Ⅰ，主控芯片Ⅰ与UWB定位接收模块之间互相连接，主控芯片Ⅰ通过WIFI将UWB定位接收模块传输过来的信号传递至计算机终端，电源模块Ⅰ为主控芯片Ⅰ和UWB定位接收模块提供电源；所述监测装置包括主控芯片Ⅱ、三轴加速度传感器、UWB定位发送模块、电源模块Ⅱ以及无线传输模块，三轴加速度传感器和UWB定位发送模块分别与主控芯片Ⅱ相连接，主控芯片Ⅱ通过无线传输模块与计算机终端相连接，电源模块Ⅱ为主控芯片Ⅱ、三轴加速度传感器、UWB定位发送模块及无线传输模块提供电源，所述定位基站中的UWB定位接收模块通过天线接收监测装置中UWB定位发送模块发送的定位信号。
2.根据权利要求1所述的基于UWB定位的奶牛运动状态实时监测系统，其特征在于：所述电源模块Ⅰ和电源模块Ⅱ均由锂电池装置、3.7V转3.3V降压电路和3.3V转1.8V降压电路构成，其中3.7V转3.3V降压电路采用芯片ME6206-3.3，3.3V转1.8V降压电路采用芯片LXDC2HL。
3.根据权利要求1所述的基于UWB定位的奶牛运动状态实时监测系统，其特征在于：所述UWB定位接收模块和UWB定位发送模块均由DW1000芯片、晶振电路、滤波电路和HHM1595A射频增强芯片组成。
4.根据权利要求1所述的基于UWB定位的奶牛运动状态实时监测系统，其特征在于：所述主控芯片Ⅰ和主控芯片Ⅱ均选用MSP430-F149单片机。
5.根据权利要求1所述的基于UWB定位的奶牛运动状态实时监测系统，其特征在于：所述的无线传输模块采用CC1101芯片。
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