奶牛体温植入式传感器及实时检测系统研究

摘要

奶牛的体温与其发情、妊娠及疾病等生理状态密切相关，实时感知奶牛的体温，对奶牛疾病的预测、精细养殖、牛奶产量的提高均具有重要意义。针对国内外检测奶牛体温信息时存在测量结果不准确、实时性差、信号传输性差、应用范围小等问题，本研究设计了一套实时检测系统，以实现奶牛体温信息的高精度、实时监测。本文以荷斯坦奶牛为对象，在设计并探明植入式温度传感器较优外形和尺寸、固定方式及奶牛活体组织对植入式温度传感器传输性能影响的基础上，研究阴道植入式体温传感器节点及奶牛体温实时监测系统方案，设计开发体温检测传感器节点及信号传输、处理软硬件系统，可实时、高精度获取奶牛个体体温变化，通过无线传感网络将奶牛体温信息实时发送至计算机，为奶牛发情期预测、奶牛疾病预防提供新的有效途径。论文主要工作和结论如下： （1）提出一种奶牛体温实时检测系统方案。在分析、对比了几种常见的通信技术优劣势的基础上，设计了将433M无线技术与2.4GHz的ZigBee技术相结合的无线传感网络，解决了无线信号在奶牛体内传输性差，功耗高、等问题。 （2）创新设计、开发了一种奶牛植入式体温传感器。根据奶牛体温高精度检测实际需求，提出一种植入式体温传感器设计方案，在分析比较的基础上，选择PT1000作为温度传感器，设计了恒流源模块电路、电压采集模块电路、温度信号处理模块电路及无线通信模块电路，铂电阻采用四线制的电路接线方法、24位的模数转换器和间歇测量模式，可提高测温精度并降低功耗，同时对传感器进行外形和封装设计，确保其可在奶牛阴道内长期、稳定工作。测试结果表明，植入式传感器发出的射频信号能有效的传输至奶牛项圈节点。所设计的奶牛体温植入式传感器（无毒、无味、对奶牛无不良影响），测量误差在0.05℃内，12h内温度最大波动为0.02℃，在15s内测量结果达到稳定，具有良好的传输性、测量精度高、稳定性好的特点。 （3）设计了奶牛项圈节点、路由器和协调器节点。对无线传感网络中所需芯片进行选型，详细阐述了整个监测系统中各个模块的硬件参数和电路设计，包括温度传感器节点、项圈节点、路由器和协调器节点。主要论述了项圈节点电路设计及路由器和协调器节点的芯片选型和组网方式。所设计的无线传感网络可有效的解决奶牛养殖场内网络无法自组网的问题，同时，所设计的项圈节点可扩展成为其他节点如计步器、PH传感器等的中继节点，更加有效的实现网络的低功耗。 （4）设计整个监测系统程序。包括温度传感器的采集电压程序、电压信号转温度信号程序、节能程序和信息发送程序，并对温度信号进行优化处理，使测量结果更加稳定，整个监测系统的耗电量小，待机时间长。克服了传统温度传感器传输性差，耗电量高的问题。在对Z-Stack协议分析的基础上设计协调器组网函数和项圈节点的发送函数，实现协调器网络数据的建立、自组网、项圈节点的接入与退出等功能。可在PC端实时监测每头奶牛的体温值，并自动保存历史体温数据，方便用户查看。 （5）设计的监测系统性能稳定，安全可靠。在完成各个节点硬件设计和软件设计的基础上，根据牛场内奶牛的活动范围和情况，将各个节点模块布置在牛场内，对布置后的监测系统进行性能测试，试验结果表明，整个系统的丢包率不超过1.2%，温度信息可稳定上传至PC端，满足高精度、实时监测奶牛体温信息的要求，完成预期目标。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 存在问题

1.4 研究内容

1.5 研究方法和技术路线

1.6 论文组织结构

第二章 奶牛体温监测系统总体方案分析与设计

2.1 设计需求分析

2.2 奶牛温度信息传输方法的分析与选择

2.3 系统总体方案设计

2.4 系统开发环境

2.5本章小结

第三章 奶牛体温监测系统硬件设计

3.1 系统节点功能分析

3.2 植入式测温传感器节点设计

3.3 项圈节点设计

3.4 路由器和协调器节点

3.5 植入式温度传感器性能测试

3.6 本章小结

第四章 节点程序及系统软件设计

4.1 植入式温度传感器驱动程序设计

4.2 植入式温度传感器休眠和唤醒设置

4.3 无线传感网络传输流程设计

4.4 PC端软件设计

4.5 本章小结

第五章 系统部署与性能试验

5.1植入式温度传感器传输性测试

5.2整体系统可靠性测试

5.3本章小结

第六章 结论

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

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