基于物联网技术的生猪存亡远程监测系统设计与验证

陈桂鹏，秦文婧，丁建，万明春，郭雷风，王文生



基于物联网技术的生猪存亡远程监测系统设计与验证

陈桂鹏1,2，秦文婧3，丁建2，万明春4，郭雷风1，王文生1

（1中国农业科学院农业信息研究所，北京 100081；2江西省农业科学院农业经济与信息研究所，南昌 330200；3江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，南昌 330200；4江西省农业科学院畜牧兽医研究所, 南昌 330200）

【目的】当前政府对生猪的监管停留在标签式耳标的被动监管上，但由于监管滞后经常出现死猪被丢弃的恶性事件发生，为了解决监管部门对生猪存亡状态远程监管难的问题，同时便于养殖企业监测生猪的心率，对异常心率的生猪及时采取有效措施。笔者设计一种集生猪心率采集及生猪存亡判断的远程监测系统。【方法】系统采用无线传感网的数据传输架构模式，由智能耳标、路由节点、网关、远程服务器、猪场监测中心、政府监管部门监测中心组成。智能耳标采集数据通过无线ZigBee网络经路由节点，由网关中的GPRS模块将数据经由Internet转发至远程服务器中，软件系统自动对数据异常生猪报警。参考人用穿戴式心率监测的设计，采用光电心率测量法，使用LED及光感应器，结合滤波电路、放大电路设计了心率传感器。同时为确定LED的发光波长及光感应器的感应波长，通过采集不同体重杜长大猪耳处血液样本，运用郎伯比尔定律，利用分光光度计研究生猪血液中(HbO2)与脱氧血红蛋白(Hb)对光谱吸光度规律，从光电心率测量法的原理出发，分析心率传感器在运动状态下测量不精确的原因。此外结合生猪的睡眠习性利用姿态传感器MPU6050中的DMP（Digital Motion Processor）获取稳定的姿态数据，并识别心率传感器采集的不准确的数据。最后采用具有ZigBee协议的CC2530通过自带的ADC转换器、I/O模拟IIC通信协议实现心率传感器、MPU6050的数据读取，并通过ZigBee网络进行数据传输，用其PM2（睡眠）模式降低功耗，制成集心率与姿态的监测为一体的耳标佩戴在猪耳上。【结果】研究表明从HbO2与Hb对光谱吸光度规律观测，同时考虑到电子元件的成本、通用率，对生猪生活影响等因素，560 nm光用于生猪光电式心率测量效果明显。生猪心率传感器采用该波长光对生猪心率测量与传统人工测量方法对比，心率误差为0.9%，由于生猪卧睡时间占75%以上并且基本只在进食前后活动，因此心率传感器可较长时间对生猪进行监测，尤其是利用MPU6050监测运动情况，故该系统可实现对生猪静态下进行心率监测、动态下进行姿态监测，当在静态下无心率数据则代表生猪死亡。【结论】由于该耳标质量轻、体积小、功耗低、测量准确，可以较为便利地实现在静态下对生猪进行心率监测和动态下的姿态监测，即实现了生猪存亡状态监测的同时，也实现了对生猪心率的长期监测。改变了传统RFID耳标的被动监测模式，对改善生猪的福利水平及提高政府的监管能力具有重要意义。

生猪心率；姿态；生猪习性；CC2530；智能耳标

0 引言

【研究意义】目前中国生猪养殖业产值占畜牧业总产值的比重达47%[1]，生猪供应量逐年增加，死亡数量也在增长，如何有效对生猪进行监管，从而防止因乱丢死猪引发大规模流行病或病死猪肉流入市场的现象发生，是当前监管部门面临的一个难题。上海松江死猪事件引发了全国对死猪监管的广泛关注。尽管监管部门通过耳标实现溯源，但此次事件上海出动打捞船只累计400余艘，共打捞死猪10 395具[2]。死猪佩戴的RFID或二维码耳标[3-4]只能事后被动监测，无法在生猪死亡时采取有效措施，导致事后政府耗费大量人力物力，影响恶劣。心率是生猪体征的重要参数之一，因此本文设计的以心率监测为主的远程监测生猪的存亡系统将是监管部门直接有效的管理方式。企业通过观察生猪心率可对异常生猪进行治疗，防止病情传播，减小损失，达到政府企业双赢的效果。【前人研究进展】而目前在中国，动物生理体征监测处于初期应用阶段。动物心率测量方法主要有两种:即植入式无线遥测法和动脉介入法[5-8]。植入式是将植入体埋入动物皮下，由植入体监测心率信号并发送至附近的接收器接收。陈卫红[9]和王云光[10]等在植入式动物监测的研究中，因需植入电池或采用RF供电，只能进行短期或长期的超短距离数据读取，只适合在实验室中对动物心率监测。虽准确性较高，但价格昂贵。美国的VitalView植入式生理信号无线遥测系统售价在18万人民币左右，但是监测数量少。动脉介入法是在显微镜下将无菌的聚丙烯酞胺导管插入动脉直接测心率。由于手术刺激对动物影响大，成功率低，测量后动物往往死亡，不具有可重复性。吴艳茹等[11]采用MB-6型压电式鼠尾脉搏波传感器在无创伤状态下拾取鼠尾脉搏波信号，然而将其置于尾部时易被甩出。因为压电式体积和干扰都较大，故目前人用穿戴式心率设备均不用压电式。ESSNER等[12]利用心率测量仪RS800CX研究成年狗站立与跑动的心率规律，取得较好的效果，但其售价为500美元，不宜在生猪心率监测中得到普及。【本研究切入点】当前由于政府对生猪的监管停留在标签式耳标的被动监管上，监管滞后。而且国内对大范围生猪的心率监测还处于起步阶段，同时动物心率测量仪器主要适用于实验室，在供电、数据传输距离、价格等方面都制约其不能用于大范围生猪的心率数据采集。人用穿戴式心率设备发展迅速，本文在其基础上，基于ZigBee组网技术，对生猪心率监测系统性研究，设计成智能耳标，以实现远程监测生猪存亡的状态。【拟解决的关键问题】通过研究猪HbO2与Hb对光谱的吸收规律，寻找一种两者吸收差异明显的光作为光电生猪心率监测的光源，以便于实现生猪心率的测量，通过研究生猪生长习性，识别动态下生猪光电心率测量不精确的数据，降低智能耳标的功耗，使生猪在出栏前无需更换电池。

1 系统设计

1.1 系统总体结构设计

系统主要由智能耳标、路由节点、网关、远程服务器、猪场监测中心、政府监管部门监测中心组成。其结构如图1所示。

图1 生猪存亡状态远程监测系统结构图

智能耳标佩戴于生猪耳部，对生猪心率及姿态进行监测，采集数据后通过路由器向无线网关转发数据，无线网关通过GPRS网络接入Internet，向远程服务器发送数据，服务器将接收到的数据分类存储于数据库中，政府监管部门实时监测数据库中的信息，一旦出现生猪死亡的代表数据，系统立即启动报警程序。养殖户同时也可以实时查询数据库中自己猪场的信息，当心率出现异常，立即启动报警程序。

1.2 智能耳标硬件设计

采用TI公司的低功耗CC2530[13]作为数据采集与无线通信芯片，集成生猪心率传感器和姿态传感器MPU6050[14-16]。采用3.6V锂亚电池供电[17]。通过低压差线性稳压器（LDO）降到3.3V为生猪心率与姿态传感器提供稳定电源，LDO的使能端EN由CC2530的一个I/O控制，以便在无需数据采集时关闭传感器供电。智能耳标电路结构及实物如图2、3所示。

图2 智能耳标电路结构图

图3 智能耳标实物图

人用心率监测技术已非常成熟，主要的心率测量方法有3种：光电透射测量法[18]、心电信号法[19]和压电式测量法[20]，近几年，人用穿戴式心率监测已非常普遍，多采用光电透射/反射测量法[21-22]，并且穿戴式设备具有体积小、质量轻、功耗低的特点。然而人与猪的组织结构相似度非常高[23]，目前未见人用光电心率测量法在生猪上使用。本文选用光吸收定律——郎伯比尔（Lambert－beer）定律[24]作为光电生猪心率监测的基本原理：即一定波长的光照射物质时，物质吸光度与其浓度成正比。生猪组织可大致划分为两大部分－皮肤组织与血液组织，当恒定波长的光射到猪的组织时,由于皮肤组织内细胞数量相对恒定，对光的吸收相对恒定。生猪血液随心脏搏动，且存在物质交换，血液各物质浓度也随之变化，血液中物质交换以氧交换为主，体现为氧合血红蛋白（HbO2）和脱氧血红蛋白（Hb）的浓度的变化，猪耳部皮肤厚度较薄，透光性好，因此本实验团队在江西省畜牧研究所试验猪场对不同体重的杜长大猪耳部用真空采血管取血采样，为防止血液凝结，在真空管内加入抗凝剂，直接从血液中获得HbO2，加入适量的还原剂获得Hb，测试样品情况如表1所示，通过分光光度计获取含HbO2和Hb两种样品对可见光谱的吸收效率，在波长450—700 nm范围内分别测定HbO2，Hb对该段光谱的吸光度，结果如图4所示。

表1 样品采集表

图4表明，在同一光波下HbO2的吸光度比Hb低，表明当动脉血液送到猪的组织时，其半透明度减小；当静脉血液流回心脏时，其半透明度增大。波光段在560 nm左右及小于458 nm时吸光度的差值较大，但小于458 nm的光属于蓝光、紫光等范围，其元器件价格都较560 nm波长的贵，最主要的是生猪对该波段光较为敏感。故将小于458 nm波段光排除。血液在博动的过程中，HbO2与Hb含量因组织中的物质交换过程而导致其含量发生明显变化，HbO2与Hb对560 nm光波吸光度存在明显差异。故采用560 nm（绿）光作为恒定波长光源，由于猪耳存在一定的厚度，透射式设备需要猪耳两侧分别设置光源和绿光感应器，线路复杂，并且需要很强的绿光才能穿透，功耗大。以猪耳为参照物，有I反=I源-I0，I源为射向猪耳恒定的光能，I反为被猪耳反射的光能，I0为射入猪耳内部的光能，I0主要随血液内HbO2及Hb变化而变化，可见通过采集反射绿光强度变化也能间接测量生猪耳部血液博动变化。

图4 猪血中HbO2与Hb在部分光谱下吸光度的测定与比较

生猪心率传感器由绿光LED、绿光感应器、滤波电路、放大器组成。结构如图5。

图5 生猪心率传感器电路图

1.3 智能耳标软件设计

智能耳标软件是基于 IAR Embedded Workbench 集成开发环境，采用TI公司的CC2530芯片及其ZigBee-zstack协议栈进行开发。TI提供了较为完善、成熟的ZigBee组网解决方案[25]。智能耳标软件程序流程如图6所示。

表2 空闲模式功耗表

图6 智能耳标工作流程图

智能耳标主要通过CC2530低功耗模式[26]降低功耗，其模式有3种，通过使用UT61E万用表测试结果见表2。

PM3为外部信号唤醒，PM2为定时唤醒。综合功耗及唤醒便捷性考虑，采用PM2模式，即智能耳标不需要采集数据进入休眠状态，系统自动计时，达到唤醒时间后开始采集、发送数据。

MPU6050用来获取生猪的姿态数据，目前将各轴加速度、角速度转化为姿态角方案较多，较为精准的有基于模糊-比例积分偏差修正算法，互补滤波算法和MPU6050 的DMP方法，其比较如表3[27-29]。

本文旨在降低智能耳标的功耗，由于心率和姿态测量时间有限，故考虑到能效比，采用MPU6050自带的DMP功能转换姿态角。当CC2530采集心率数据的同时，DMP也处理姿态数据，以减轻CC2530的负担，减少采集时间，便于快速进入PM2状态。DMP将各轴数据转换成四元素，为了更为直观地反映姿态变化，利用四元数与欧拉角的公式[30]进行转换。

表3 3种处理方案对比表

（1）

2 结果

因试验条件有限，故采用听诊器与生猪心率传感器进行心率测试对比试验，为保证两者同时测量的稳定性，给试验猪注射了镇静剂(盐酸氯丙嗪)，经测试生猪处于安静状态下3 min内的平均心率是145 bpm。传感器输出的心率波形图如图7所示，其平均心率约为146.3 bpm，误差为0.9%。因镇静剂维持时间有限，药效退却后，生猪躁动，心率结果波动很大。研究发现，其原因在于猪耳反射光强度，不仅受血液搏动变化的影响，还受到绿光感应器与探测部位间距的影响，间距波动使光源与反射面的角度与距离发生变化，导致射入猪耳处的光不稳定，从而致使心率测量结果偏差非常大。

为解决以上问题，通过对猪生活习性的研究发现，其睡眠习性规律：猪有明显的昼夜行为规律，活动主要集中在白天，夜间也有活动和采食。猪昼夜活动也因年龄及生产特性不同而有差异，仔猪作息时间比平均为60%—70%，种猪70%，肥猪为70%—85%，母猪80%—85%。休息高峰在半夜。可见，生猪活动时间很少，猪卧睡时间占75%以上并且基本只在进食前后活动。为此本文引入姿态监测来验证心率监测的准确性，即在运动情况下用姿态数据体现生猪存亡状态，在静止状态下，心率监测来体现生猪存亡状态。

智能耳标周期性采集数据，一个采集周期为517 s，其包含感知数据获取、数据发送、休眠。其各阶段的电流情况如表4。

I=[I1×t1+I2×t2+I3×t3]/(t1+t2+t3)≈0.25(mA) （2）

式中，I1、I2、I3为各周期组成部分的总电流，t1、t2、t3为各周期组成的持续时间。以生猪6个月的出栏时间计算，所需的电池容量C=180 d×24h×0.25mA≈1080 mA∙h，一节1 200 mA∙h锂亚电池即能满足需要，其重量仅为8.53 g，耳标硬件部分的质量为13.1 g。

表4 采集周期各阶段电流情况

3 讨论

在成本方面，智能耳标为35—40元，尽管相对于目前的无源RFID耳标3—5元的价格而言，企业难以接受。但服务与价格是成正比。智能耳标属于有源RFID，可集成无源RFID所有功能。从监管方式而言，政府与企业可从被动监管转向了主动监管，对生猪心率与姿态监测，“谁”出问题干预“谁”，不仅能减少了疾病的传播，而且提高了兽医的效率。依据心率数据，可适当改善环境，提高生猪福利，提升生猪品质；依据摩尔定律，硬件成本越来越低。智能耳标在不受物理破坏下，可使用5年左右，通过回收机制可进一步降低成本，以猪的6个月出栏时间为例，5年可循环用12次，更换电池及消毒后即可重复利用，单次使用成本将大幅下降。

在功耗方面，本文采用T=517s数据采集周期，电池约占智能耳标总质量的56%。为缩减智能耳标体积及质量，可延长采集周期，即多次睡眠采集一次数据来减低耳标平均功耗，如设定采集周期为0.5 h，平均功耗将降低70%，电池容量及耳标的质量都将大幅减少。

由于智能耳标属于外置体征监测，故存在一定的掉落危险。对于植入式耳标而言，目前主要是无源RFID耳标，较外置耳标略贵，虽不存在掉标的问题，但基于生理参数监测的植入式而言，需将电池或供电线圈植入皮下，但供电能力差、传输距离有限，价格昂贵、接收复杂等都制约大规模生猪生理参数的采集，本文研制的智能耳标，除采用创口式固定耳标外，心率、姿态的拾取都采用无创伤模式，较动脉介入法而言具有长期、无创伤、成本低的心率姿态监测的特点，能在生猪正常活动中进行监测，故综合考虑选择智能耳标较为可行。

4 结论

4.1 本文设计的生猪存亡状态远程监测系统使用生猪心率传感器，并选择560 nm光波以便在静态下能够获得准确的心率数据，同时使用MPU6050 的DMP对生猪静止与运动的状态进行监测，因生猪静卧时间长，可以获得较多、准确性高的心率数据。

4.2 在运动状态下，即反映该生猪活动状态。采用CC2530 PM2定时唤醒模式实现低功耗数据采集与无线传输，并集成了心率监测与姿态监测，研制了猪用智能耳标，硬件部分仅13.1 g，耳标平均电流为0.25 mA，1 200 mA∙h电池能维持6个月，能保证生猪在出栏前不用更换电池。因此该系统对改善生猪的福利水平及提高政府在生猪存亡状态监管方面提供可行的物联网解决方案。

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（责任编辑 林鉴非）

Designing and Validation of the Remote Monitoring System for Pigs’ Survival Based on IoT Technology

CHEN GuiPeng1,2, QIN WenJing3, DING Jian2, WAN MingChun4, GUO LeiFeng1, WANG WenSheng1

(1Agricultural Information Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;2Institute of Agricultural Economics & Information, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanchang 330200;3Soil and Fertilizer & Resource and Environment Institute, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanchang 330200;4Institute of Animal Husbandry and Veterinary Medicine, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanchang 330200)

【Objective】 At present, currently the government’s supervision of pigs still remains in the passive supervision of label type ear, but due to the leg of supervision, the malignant event that died pigs were discarded often occurs. In order to solve the difficult problems of the remote supervision of the state of survival of pigs for regulatory authorities and facilitate the breeding enterprises to monitor the pig heart rate so that the pigs with abnormal heart rate can be treated timely by using intervention measures. A set of remote monitoring system which can collect the data of pig heart rate and judge the pig’s state of life or death was designed in this paper. 【Method】The system uses the wireless sensor network architecture which consists of smart tag, routing nodes, gateway, remote server, monitoring center for pig farms and monitoring center for regulators. The data from smart tag is transferred with Wireless ZigBee network via routing node, and the GPRS module in the gateway will transfer the data through the Internet to a remote server. Once an exception in data occurs, software system will alarm automatically. Taking the program of wearable heart rate monitoring for reference, the paper uses photoelectric heart rate measuring method which uses LED and optical sensors, and combines with filter circuit and amplifier circuit to design the heart rate sensor. In order to know the wavelength of LED and the inducted wavelengths of light sensors, the research collects blood samples at different weight of Du pig ears, and uses the Ron Bo Bill’s law to research the spectral absorbance rule of the HbO2in the blood of pigs and the hemoglobin in order to design the sensor of heart rate and analyze the reason why the heart rate sensor is not accurate in the motion state. The research also combines with the pigs’ sleeping habits to use DMP (Digital Motion Processor) of the attitude sensor MPU6050 to get the stable posture data and identify the inaccurate data. Finally, the research uses CC2530 carried with ZigBee Protocol to achieve the data reading from the heart rate sensor and MPU6050 through the ADC converters and I/O simulation IIC communication protocol. Meantime, the research transfers the data by the ZigBee network and turns on the mode PM2 to reduce power consumption. All these make the pig ear tag integrated the monitoring of the heart rate and attitude.【Result】Taking into account of the factors such as the cost of electronic components, the general rate and impact on pig lives, from the spectral absorbance law of HbO2and Hb, the result shows that the 560 nm light used to measure the effect of the heart rate of the pig is effective. Compared to the traditional manual measurement, the measuring error of the pig heart rate sensor with the wavelength is just 0.9%. Because the lying sleeping time of the pigs accounts for more than 75% and they usually take basic activities before and after eating, the heart rate sensor can test the pigs for a long time especially using MPU6050 to monitor the movement of live pigs. Consequently, the system developed in this paper can realize the monitoring of heart rate under the static state and the attitude in the motion state and pigs died if there is no data in the static state. 【Conclusion】Because of its light weight, small volume, low power consumption and accurate measurement, the pig ear tag can realize the monitoring of pigs in the static state and the motion state, thus realized the monitoring of the pigs’ survival condition and the long-term monitoring of pig heart rate. This changed the passive monitoring mode of traditional RFID ear tags and is of great significance for the supervision of government and the living welfare of pigs.

pig heart rate; posture; pig habits; CC2530; intelligent ear tag

2016-05-17；接受日期：2017-01-22

国家公益性行业（农业）科研专项（201303107）、江西省科技支撑项目（20141BBF60058、20144BBF60021）、中国农业科学院科技创新工程项目（CAAS-ASTIP-201X-AII-04）

陈桂鹏，E-mail：apeng2008.8.8@qq.com。 通信作者王文生，E-mail：wangwensheng@caas.cn