压电式计步器在奶牛养殖中的设计与应用

郝峰 谢明亮 李金诚 邵卫星

摘要：为探讨北方地区运用计步器对奶牛蹄病的监测效果，我们根据奶牛运动特点设计压电式计步器，主要运用于奶牛蹄病监测。在北方地区因气候环境和饲养管理因素，不同季节蹄病发病种类和发病率各不相同，奶牛步履活动变化差异极显著;运用压电式奶牛计步器可有效监测奶牛蹄病，做到早发现早治疗，可有效指导养牛生产。

关键词：压电式计步器;奶牛;监测

在牛的规模养殖模式下牛的疫病防治是一项重要环节，也是提高牛的养殖质量、降低发病机率和致死率的关键因素。奶牛蹄病已成为危害奶牛生产的四大疾病之一，轻则引起奶牛跛行，重则引起奶牛瘫痪，严重影响奶牛采食和牛奶生产，如不加以重视，则会增加奶牛淘汰成本，降低经济效益。奶牛在春、夏、秋、冬4个季节不同蹄病与步履数的关系存在内在联系。据统计在4个季节中，与正常奶牛相比，春季，腐蹄病奶牛步履数差异极显著，蹄裂奶牛差异显著;夏季，腐蹄病和蹄叶炎奶牛步履数差异极显著;秋季，腐蹄病奶牛步履数差异极显著;冬季，腐蹄病奶牛步履数差异极显著，蹄底创伤奶牛差异显著。这些蹄病显著影响奶牛步履活动。同一种蹄病奶牛在4个季节中步履数也存在差异，蹄裂奶牛在冬季步履数差异极显著;蹄叶炎奶牛在夏季步履数差异极显著;蹄底创伤奶牛在冬季步履数差异极显著;白线病奶牛在冬季差异显著;腐蹄病奶牛在冬季步履数差异极显著。

常用的计步器都是安装在人或则动物身上，所以一般采用电池供电方式。电池供电需要长时间工作时，则对传感器的功耗需求要求特别高。为了解决计步器功耗比较大的问题，有必要提出一种应用自己产生电不需要外围供电的传感器的计步器。

一、压电式计步器设计综述

压电式计步器包含震动检测模块、处理器、数据发送模块和电源模块。震动检测模块由六片压电片和一个金属球组成，六片压电片组成一个立方体，每一面有一个压电片。金属球安装在立方体的内部，在计步器安装在人身上，并随人体运动时，金属球会挤压压电片，使其产生电压。压电片的正极都接有电线，连接到处理器的引脚上。压电片的所有负极连接在一起与电源的负极相连。压电片的负极都在立方体的内侧。处理器与震动检测模块、电源模块和数据发送模块相连接，处理震动模块发送来的电压信息，通过计算判断出步伐等信息。电源模块与处理器相连接，给整个压电式计步器供电。数据发送模块与处理器相连接，将处理器发送的信息发送出去。

二、压电式计步器在奶牛检测工作原理

压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差，及产生电压。在计步的时候，金属球在立方体内运动。奶牛走路时首先是向前加速运动，加速度由小变大，然后由大变小，此时达到最大速度，之后为了平衡和结束当前步伐，加速度又会变为反向，并且是由小变大，再速度减到一定程度后，加速都又会由反向大逐渐变小。

当奶牛向前加速运动时，整个计步器也向前加速运动，金属球由于惯性还处于相对地面静止状态，但相对于整个计步器则处于向后运动状态，则金属球会撞到后面的压电片，使得后面压电片产生电压，激活处理器记录一次数据;当奶牛开始减速时，整个计步器也开始减速，由于惯性金属球相对于计步器向前运动，则金属球会撞到前面的压电片，使得前面压电片产生电压，激活处理器记录一次数据。

奶牛在走路时除前后会产生位移外，上下也会产生位移，所以上下也会产生相对位移。通过选择合适的金属球使得在上下位移小于立方體内部上下距离，使得在走路时只会产生下部弹片压力，不会产生上部弹片压力，只有下部弹片产生电压，激活处理器记录一次数据。通过处理三次压电片的数据，可以确定一次精准步伐。再通过判断前后压电片产生电压的先后顺序，还可以判断奶牛是在向前运动还是向后运动。

现在的计步器省电的方式是，通过处理器平时处于睡眠状态，定时一定时间醒来。（如50ms，每分钟20次，任何动物一般步伐频率不会超过20次每秒。）机械式的处理器每次醒来判断检测是否接触，若接触则记录一步，此种方式只能测量有步伐，而不能测量其他信息。电子式的每秒醒来后记录一个加速度值，通过几次的加速度值，来判断步伐信息。这两种方式都需要处理器当时醒来，定时器醒来时，计步器的功耗会增加很多，在不运动时，他也不能判断是否处于不运动状态，所以还是需要定时醒来，导致功耗会比较大。而采用压电式的方式，在不运动时，不会产生压电电压，从而不会唤醒处理器，所以功耗会很低。

三、压电式计步器在养殖实践应用

在实验场对奶牛安装奶牛计步器。配合相应软件管理系统就饲养管理因素对奶牛蹄病发病的影响进行系统分析。试验过程中剔除蹄病外其他疾病或生产因素的影响。奶牛按照泌乳量和体重分群管理，并采用饲喂和饲喂监控系统及自动补料、自动奶量统计分析系统等牛群管理设备和软件。牛群根据奶产量高、中、低进行合理分群饲养。饲养方式为散栏式饲养，自由采食，逍遥运动。

根据奶牛进挤奶厅的挤奶时间，利用电子感应系统和电脑终端每日3次采集奶牛步履数据，按天进行汇总，统计和对比分析。检测结果发现不同季节与奶牛蹄病发病的关系，四季中奶牛蹄病发病差异性显著，春季以蹄叶炎、蹄底创伤、白线病、腐蹄病为主，夏季以蹄裂和腐蹄病为主，秋季以蹄底创伤为主，冬季以蹄叶炎和蹄底创伤为主。根据上述结果，在4个季节分别采取不同的综合预防措施，通过改变环境条件和饲养管理方式，降低奶牛蹄病发病率。

参考文献

[1]张苗苗，向福林. 奶牛蹄病的治疗[J]. 动物医学进展，2012，33（9）：133-135.

[2]季树春. 牛适度规模养殖的疫病防治分析[J]. 畜牧兽医科学（电子版）， 2017（7）：19-21.