基于无线传感器网络的产前母猪行为监测系统设计

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随着现代养猪业的不断发展,我国养猪业也在逐步朝着现代化和信息化发展,自动化养殖方式已经成为我国养猪业发展趋势。而在养猪的整个环节中,母猪的分娩尤为关键。但是在传统的养猪业中,母猪的分娩时间主要是依靠饲养员人工值守,通过直觉和经验来判断。该方法不仅浪费人力、且工作效率不高,经常出现因人为疏忽造成的猪仔死亡现象。  针对上述问题,本文旨在设计一种基于无线传感器网络的产前母猪行为监测系统,该系统能够通过加速度传感器采集母猪的行为数据,并通过有线和无线相结合的方式将数据传输至监测中心的监测平台上,由监测平台完成对母猪站立、躺卧、进食和筑巢四种典型行为的识别,并将识别结果进行显示,对出现筑巢以及不进食等异常行为的母猪进行预警;利用无线传感器网络对预警猪只进行定位,方便饲养人员查找;利用数据库对母猪行为的识别结果进行存储,为今后对产前母猪行为的深度了解和疾病预测模型的建立提供数据支持。本文主要工作如下:  (1)行为监测系统方案设计。系统方案包括数据采集与传输系统方案、舍内猪只定位系统方案以及监测平台方案三部分。选择三轴加速度传感器采集母猪的行为数据,通过ZigBee无线网络实现舍内母猪行为数据和定位命令的传输,通过以太网实现分娩舍内无线网络与监测平台的数据交互;在监测中心的监测平台上实现对母猪行为的识别,在图形用户界面上对识别结果进行显示并利用数据库对识别结果进行存储。  (2)数据采集与传输系统设计。在硬件设计上,ZigBee核心使用CC2530芯片,构建舍内无线通信网络,结合ADXL345加速度传感器完成传感器采集节点电路设计;网关节点处选择STM32微控制器,实现舍内猪只定位算法;选择内部硬件集成TCP/IP协议的以太网控制器W5500实现以太网数据传输;选择TFT电阻屏实现人机交互功能。在软件开发上,结合Z-Stack协议栈任务调度机制,在应用层完成对加速度数据的采集,通过结构化传感器数据帧发送至网关节点。  (3)舍内猪只定位系统设计。为辅助饲养员快速定位到预警母猪,通过分析基于测距和无需测距的定位算法的优缺点,在三边测距定位算法的基础上,针对分娩舍内具体环境提出直角四边加权质心定位算法,并根据测距分析确定节点部署方案;在 MATLAB平台上对两种定位算法进行仿真比较,验证了本文采用的算法的可行性;在数据采集与传输系统硬件上,设计了定位流程,由网关节点完成本文采用的定位算法;经实验测试,本文采用的定位算法平均误差在1m之内,可以满足系统定位需求。  (4)行为监测平台设计。行为监测平台通过提取母猪行为数据的时域特征,利用支持向量机分类算法,识别出产前母猪的四种典型行为;在MFC框架下进行图形用户界面的开发,对行为识别结果进行实时显示,对出现异常行为的母猪进行预警;利用 SQL Server数据库对母猪行为识别结果进行存储和查询。  实验测试表明,本文设计的基于无线传感器网络的产前母猪行为监测系统能够较准确地识别出产前母猪的四种典型行为,对出现异常行为的母猪进行预警,并能够较准确地实现母猪的定位,有效地减轻工作人员负担,提高工作效率,对于目前养猪业的自动化养殖水平的提高具有一定的参考价值。
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