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基于Zigbee的动物健康监测系统
摘要
一种监测生理因素比如反刍、体温和受周围温度和湿度影响的心率的动物健康监测系统已经被开发出来。该系统也能根据热湿度指数分析压力等级。基于IEEE802.15.4、IEEE1451.2标准协议传感器模块已经很成熟。zigbee设备和PIC18F4550单片机用于执行传感器模块。根据IEEE1451.1标准，图形用户界面（GUI）在LabVIEW 9中实现，GUI PC上可以实时监控生理和行为参数。该设备对廉价的牲畜保健是非常有帮助的，原型模块已经开发出来并通过测试可获得高精度测试结果
关键词：Zigbee 传感器 无线传输 生理因素 热湿度指数
一 介绍
近期由于对流层气温持续上升，世界各地的牲畜养殖者面临着牛的健康问题。动物健康的温度变化具有导致诸如口蹄疫，猪瘟，牛海绵状脑病（疯牛病），牛鼻气管炎，鳞状细胞癌，疣，网撕裂，坏死性荚膜皮炎，脊髓萎缩症，低血镁症clostridiadisease和低血糖症等疾病的有害作用。世卫组织报告指出，严重急性呼吸综合征冠状病毒（SARS-CoV）据说是一种容易传播给其他动物并直接影响到人类的动物病毒。人类感染的证据首先在2002年广东省南部被告，从那时起至2003年，全球26个国家报告了由SARS引起的感染。这导致经济损失约占东亚GDP总量（国内生产总值）的2％。出于这些原因，需要一个系统来持续监测动物健康状况，并控制和预防大规模疾病的爆发。技术已经成为现代农业的一部分，并随着更先进的系统和工具的推出而发挥越来越大的作用。近些年，电子畜牧业已是最大的发展领域之一。许多研究都集中在动物健康远程监测系统的开发上。健康监测取决于两种方法，直接接触（侵入性）或间接接触（非侵入性）。基本上，原型远程监控系统由传感单元和接收单元与PC组成。史密斯等人提出了一个牛健康监测系统，他们专注于头部运动，核心体温和心率。该系统的核心是转接微控制器板上的AMD186处理器。Mottram等人提出了对奶牛加速度的测量。它们赋予奶牛的机动性，并且还与奶牛的机动性相关。Janzekovic等人提出了一种基于极坐标的心率监测方法运动测试仪（PST）。体温和心率参数也用作不同动物的疾病检查。Wietrzyk和Radenkovic等人定义了基于特定无线传感器网络的牛的健康监测，并得出结论，通过使用实测数据，牲畜养殖者可以预防疾病的传播。测量数据的分析也与生产力下降和有价值的死亡有关。Hopster等人提出了奶牛的两种压力测量技术，基于极坐标测试仪（PST）和心电图仪（ECG）的技术。他们也得到相应研究的结果。发现PST是用于动物心率测量的合适技术，并且还分析了心率是动物行为研究的相关参数。郭等人提出了一种基于无线传感器网络的家畜监测和控制方法。所提出的方法也适用于把动物的倾向和行为分类。它使用了Fleck2处理器板，并测量了GPS信息，加速计，磁力计和温度等四个参数。Nadimi等人提出了基于无线传感器网络的监测和动物行为分类。他们使用基于2.4 GHz频率的通信模块，并且所提出的设计具有以下优点，通信一致性，高能效和最小丢包率。多跳通信和握手协议用于系统的开发。 使用基于多层感知（MLP）的人工神经网络（ANN）将所测量的行为参数转换成相应的行为模式。 人工神经网络的性能在均方误差方面取得了很好的效果，神经网络还训练了诸如Nguyen Widrow和Levenberg-Marquardt反向传播等算法。 Huircan等人提出了基于zigbee在农田中进行牛的监测，并在无线传感器网络中使用定位方案。比例度量矢量迭代算法被实现并且用局部测量修改工作而不是通常的（RSSI）接收信号强度指示。Hancock等人提出了基于动物行为监测的无线传感器网络、GPS项圈和卫星，并提出了环境影响因素。它们结合了地面传感器和感测卫星图像，实现动物景观交互。Allen等人提出热应激与牛的行为，并定义行为是一个有价值的牛奶生产参数。Lovett等人提出了一种用于牛的红外热成像测量技术，有助于检查牛的口蹄疫。Stewart等人定义了基于红外热成像的奶牛间接应力测量。 Krishnamurthi等人基于X射线计算机断层扫描的小动物成像，他们正在研究生理测量的可重复性。尽管所有这些研究在进步，拟议系统的实际应用尚未完成。市场上没有实时动物健康监测产品，大多数兽医人员通过手动检查生理参数。目前，家畜农场主在监测牲畜健康方面面临很多问题，因此在仪器仪表中持续推荐进行修改。大多数可用的系统仅关注心率测量以预测动物。文献综述显示，用于实时动物健康监测的可穿戴系统是帮助兽医工作人员和医务人员的关键技术并且测量参数可以提供非常准确的动物健康信息。如果这样，牲畜保健将价格便宜。在本文中，我们报告了动物健康监测系统的一个新设计目标，该系统能够根据IEEE802.15.4，IEEE1451.2和IEEE1451.1标准来监测心率、体温、反刍以及周围环境的温度和湿度。它具有很多特色，如高速度，高能效，小型化，智能化，低成本的新材料，便携性和高性能。
二 系统总览
图1描绘了动物健康监测（AHM）系统的框图。AHM系统是根据IEEE 1451和IEEE802.15.4标准开发的。所开发的AHM系统可用于利用环境参数（周围温度和湿度）来检测动物生理参数，诸如反刍，心率和体温。周围温度和相对湿度基于温度湿度指数（THI）的实时计算，并且也已经将动物的压力水平分类。开发的传感器模块的输出信号通过zigbee模块发送到主机。可以在GUI PC上显示体温，周围湿度，周围温度，反刍，心率，应力水平和TH指数（THI）的值。AHM系统的设计是一种自主设备，如果您需要监测其他健康参数，添加额外的传感器模块相对容易。
三 传感模块
传感单元是开发的动物健康监测（AHM）系统的主要组件。 传感单元由传感器，处理器和zigbee模块组成。在本文中，我们使用了反刍传感器，心率传感器，温度传感器和湿度传感器等四个传感器。这些测量的参数已被用于不同的动物物种健康判断，由此我们可以指出动物的窘境。传感器的模拟输出被馈送到微控制器的内置ADC。下面是传感器模块的详细设计。
A.温度传感器模块
家畜的核心体温（CBT）范围内的代谢功能没有改变，称为热中性区。 通常，核心体温
比环境温度高，以确保代谢产生的热量流向环境。偏离这个相对较窄的范围之外的偏差导致静息代谢的增加、生物化学和细胞生理学的改变以及动物的行为。一头健康的成年牛体温范围大约为38.5°C（101.5°F）至39.5°C（103°F），如果牛体温超过该范围，则可称为牛不健康。根据南非的天气服务，每天的极端温度迄今为止在南非记录的温度一直是33.7°C，最低温度是4.8°C。因此，考虑到配比，我们的环境温度监测应用的良好范围是-15°到 40°C。我们选择了此应用的温度传感器是热敏电阻（TTC05102）。 热敏电阻是利用高灵敏度电阻与温度的关系（Delta;RVs温度）。 这意味着最重要的功能是通过改变温度来揭示电阻的变化。
热敏电阻的一个重要特性是它们对相对微小的温度变化极其敏感。 NTC（负温度系数）热敏电阻的电阻随温度升高而降低。与其他各种类型的温度传感器相比，它们响应速度快，质量小，电路复杂度低，成本低。温度传感器的优点和缺点在[30]中报道。
热敏电阻传感器的原理图如图2所示。热敏电阻的信号处理电路分为两部分，分压器和电压跟随器。在电压跟随器电路中，我们选择了OP0运放，增益为3。分压器网络主要依赖于串联电阻RS和参考电压VREF。在这个电路中，R1和C1的组合形成一个低通滤波器消除噪声。根据公式1选择RS。开发的热敏电阻传感器模块范围固定在-15°C到 45°C之间，因此获得了三个参考温度下的热敏电阻阻值（RT）[30]，[31]，如低点（RT1 = 6.5K），中点 RT2 = 3K）和高点（RT3 = 0.450K）。温度的计算使用Steinhart-Har方程。
B．湿度传感器模块
环境参数直接和间接影响动物的表现和健康。环境因素包括气温，空气流动，湿度和辐射热。 在本文中，我们只关注环境温度和湿度。基于这些参数，我们计算了热湿度指数（THI）并分析了动物的压力水平。使用DHT11传感器来感知周围环境的湿度。在[32]中报道了DHT11规范的概述，优势和劣势。DHT11传感器和微处理器之间的电路连接如图3所示。传感器数据以五段（每段8位）的形式接收。 第一个两段代表湿度（积分和小数），第三和第四段代表以°C为单位的温度，其余（最后）段代表校验和。最后一个段是四个第一段的总和，如果校验和值不等于四个第一段的总和，则意味着接收的数据不正确。 接收到的数据结构如图4所示。开发模块的工作电压固定在3.3V，周围湿度和温度感应范围分别设定为20％至90％和0℃至50℃。
C．心率传感器模块
心率是健康评估中最重要的参数。 成年健康牛的心率在每分钟48到84次之间。 心率的变化通常反映了压力，动机，运动，力量和各种疾病。 基本上，心率测量是一种间接方法。一些研究人员使用极坐标测试仪（PST）测量心率，在[33] - [38]中报道。据此，我们选择极地马T56H发射器设备用于牛的心率测量。 极坐马发射机T56H是一种基于织物电极的心脏监测设备。 心率传感器模块如图5所示。导电柔性纤维制成的电极绝对适应心跳。 这种设备符合人体工程学设计，动物会非常舒服。纤维电极可渗透，以确保与皮肤的稳定接触并保证传达心率信号的基本潮湿环境。发射器T56H接收心脏发射的非常小的电脉冲，正确读取心率，它支持2.4GHz频率，将实时数据发送给主机电脑。心率传感器的输出窗口如图6所示。在实验过程中，我们收到的奶牛心率约为每分钟75次。
D．反刍传感器模块
反刍是动物健康和健康的直接指标，也是动物消化食物过程的重要组成部分。 最低反刍动物显示Q热[39]。 据兽医介绍，这种反刍是动物吃过的东西以及他/她能够休息的功能。 通常，动物每天花费大约三分之一（9-10小时）时间反刍。 反刍的变化表明疾病，如乳腺炎，代谢产犊疾病，食物消化等。此外，反刍的回归是治疗成功的极好标志。对动物的反刍监测是兽医的需要，因为反刍监测可以提供动物健康的非常准确的指示[40] - [43]。
在反刍监测中，我们使用了加速度计。 反刍传感器模块根据IEEE802.15.4和IEEE1451.2标准开发，用于提供动物的三轴响应。 开发的反刍传感器模块的框图和照片示于图1和2中。 7和8。在反刍传感器的开发中使用了ADXL335加速计。 基本上ADXL335是一款高效节能，紧凑且价格低廉的设备，可以测量plusmn;3g范围内的3轴加速度。 此外，ADXL335输出信号是与加速度成正比的模拟电压。[44] - [46]报告了优点，缺点和规格。也可以在加速度的静态和动态测量中工作，振动，运动，冲击等都可以应用。在本文中，我们已经使用动物反刍时间的嘴部运动监测 并且它被固定在嘴的左侧。ADXL335模块的工作电压范围为1.8V-3.6V，工作在3.3V的固定电压。在3.3V时，加速度计的最大输出电压为X轴为-560mV，Y轴为 560mV，Z轴为 960mV。电容器CX = CY = CZ =0.1mu;F已分别连接到加速度计的输出信号XOUT，YOUT和ZOUT。 0.1mu;F已去除低频噪声，否则在测量加速度时会产生误差。PIC18F4550微控制器通过zigbee模块与加速度计连接。 结果通过zigbee模块发送到运行主机的图形用户界面，并将实时数据保存到主机底层数据库，开发的反刍动物传感器输出信号以波形的形式显示在GUI上。反刍动物传感器输出如图9所示。如果传感器输出信号是对应于x，y和z方向的向上和向下，这意味着动物正在做反刍动物，并且动物身体健康，否则动物身体不好。这个结果
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