基于物联网技术的奶牛瘤胃pH值和温度监测系统研究

2022-03-14赵继政庄蒲宁石富磊董正奇

农业机械学报 2022年2期

赵继政庄蒲宁石富磊陆成董正奇

(1.西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌 712100； 2.农业农村部农业物联网重点实验室，陕西杨凌 712100)

0 引言

畜牧业是农业的重要组成部分，是国民经济的基础性产业[1]。近年来，我国奶牛养殖产业规模化程度不断加深[2]。在规模化养殖中，饲养员难以实现对每头奶牛健康状况进行精细化监管，如果奶牛体征异常发现不及时，容易产生较大经济损失[3]。因此，奶牛健康状况的自动监测是提升奶牛养殖管理水平的关键手段。

瘤胃是奶牛前消化系统的重要组成部分。瘤胃pH值和温度是瘤胃功能正常与否的重要指标[4]。在规模化奶牛养殖中，为提高牛奶产量，饲喂过程中大量添加高淀粉、高蛋白质、低纤维的精饲料[5]。精饲料发酵过程中，产生大量挥发性脂肪酸，引起奶牛瘤胃pH值降低[6]。当瘤胃pH值低于5.0时，奶牛发生急性瘤胃酸中毒，临床症状明显[7]。当瘤胃pH值低于5.6且每天持续时间超过3 h[8]或低于5.8超过5～6 h[9]时，奶牛将发生亚急性瘤胃酸中毒(Subacute ruminal acidosis, SARA)。规模化养殖场中，SARA发病率较高[10-11]。SARA的早期临床症状不明显，难以发现。后期不仅会影响奶牛的采食量和产奶量，而且会诱发瘤胃炎、跛行、肝脏脓肿、腹泻等疾病，增加奶牛的淘汰率，降低养殖收益[12-13]。研究表明瘤胃温度和奶牛体温存在显著相关[14]，而体温是奶牛健康状况的直接生理指标。因此，监测奶牛瘤胃pH值和温度可为精准饲喂和管理提供直接的参考依据。

传统瘤胃pH值测定方法有瘤胃穿刺法[15]、口腔胃管法[16]和瘤胃瘘管取样法[17-18]。体温测量主要使用温度计测定直肠温度。传统检测主要依赖人工开展，费工费时，不能满足规模化奶牛养殖普遍、精准测量的需求[19]。目前，国外多项研究机构和公司开发了瘤胃pH值和温度连续监测的设备。

早期产品采用有线装置连续测量瘤胃pH值[20]。随后，PENNER等[21]设计了留置式瘤胃pH值和温度测量设备。在测量完成后，取出设备，再连接计算机读取数据。之后，MOTTRAM等[22]设计了一种无线瘤胃pH值连续监测设备，可连续监测35 d以上，该设备无线信号传输可靠性需要进一步提高。SATO等[23]设计的无线瘤胃pH值测量系统，测量误差在±0.2内。在瘤胃温度测量方面，KIM等[24]连续监测瘤胃温度，用于奶牛乳腺炎的早期发现。TIMSIT等[25]开发了瘤胃温度传感器，以检测犊牛的呼吸系统疾病。国内研究对瘤胃pH值和温度监测设备的研发做了初步探索。文献[26]设计了连续检测反刍动物瘤胃液pH值的有线设备。该设备需要奶牛在固定位置，限制了奶牛的自由活动。目前，在无线瘤胃pH值和温度实时监测系统研发方面，国内尚无商用产品。

本文针对传统检测方法存在的不足，设计一种基于物联网技术的奶牛瘤胃pH值和温度监测系统。该系统的pH值和温度检测单元长期放置在奶牛瘤胃内，通过无线通信方式将数据传输至云平台进行数据存储和管理，实现瘤胃pH值和温度的连续监测，为奶牛健康监测和精准饲喂提供参考。

1 系统总体设计

图1 瘤胃pH值和温度监测系统结构框图Fig.1 Structure diagram of rumen pH value and temperature monitoring system

奶牛瘤胃pH值和温度监测系统需要实现对瘤胃pH值和温度的连续检测、数据无线传输、云端数据存储显示等功能。系统结构框图如图1所示，主要包括瘤胃pH值和温度检测单元、无线数据传输网络(包括项圈中继节点和数据集中器)、数据存储和管理云平台。具体工作过程如下：检测单元获取瘤胃pH值和温度后，通过315 MHz无线信号将数据传输至项圈中继节点。项圈中继节点通过TI-15.4协议进行无线组网，数据集中器汇集各项圈节点数据。物联网网关通过串口接收集中器汇集的数据，然后，通过4G网络按照MQTT协议将数据传输至阿里云平台。云平台将数据解析后，实现网络端实时可视化显示。

2 系统软硬件设计

2.1 瘤胃pH值和温度检测单元设计

检测单元包括信号检测、控制和数据存储、无线数据传输和电源模块。其中，信号检测模块包括pH值复合电极、Pt1000铂电阻、信号缓冲和转换电路。电路采用3.6 V锂电池进行供电。硬件组成框图如图2所示。

图2 瘤胃pH值和温度检测单元硬件组成框图Fig.2 Hardware diagram of rumen pH value and temperature measurement unit

2.1.1瘤胃pH值测量原理

瘤胃pH值检测采用电位测量法，pH值复合电极由氢离子敏感玻璃电极和参比电极组成，通过测量两个电极之间的电压计算pH值。电极电压遵循能斯特方程[27-28]

(1)

式中Ex——测量电位,V

E0——标准电极电位,V

T——热力学温度,K

R——气体常数,8.314 J/(K·mol)

F——法拉第常数,9.649×104C/mol

pHx——待测溶液pH值

pHs——标准pH值

标准pH值为7时，标准电极电位为0 mV。

瘤胃pH值测量电路选用上海三信LabSen331 pH值复合电极。该电极采用预加压聚合物参比系统，无需添加电解液，测量时对放置方向没有要求。同时，电极采用开放式隔膜设计，可以避免堵塞问题。pH值测量范围为0～14。

2.1.2温度测量原理

温度传感器采用两线制Pt1000铂电阻，用于瘤胃的温度测量和pH值测量的温度补偿。Pt1000铂电阻对导线电阻不敏感，且在本设计中与测量电路间直接相连，导线电阻引入的误差可以忽略。

Pt1000铂电阻的电阻与温度的换算公式[29]为

Rt=R0(1+At+Bt2)

(2)

其中

A=3.908 3×10-3℃-1

B=-5.775×10-7℃-2

式中t——温度,℃

A、B——IEC751国际标准系数

Rt——温度为t时铂电阻的电阻，Ω

R0——0℃时铂电阻的电阻，为1 000 Ω

选用A级Pt1000铂电阻，其允许的温度误差为±(0.15+0.002|t|)，|t|表示温度的绝对值[30]。

2.1.3数据采集电路设计

LabSen331 pH值复合电极内阻典型范围为107～108Ω，要求测量电路具有足够高的输入阻抗。本设计选用ADI公司的AD8603作为电压跟随器对pH值复合电极输出电压进行缓冲。AD8603最大输入偏置电流为1 pA。以LabSen331最大内阻108Ω计算，产生最大误差为0.1 mV。信号采集电路原理图如图3a所示。

图3 检测电路原理图Fig.3 Schematic of signal acquisition

模数转换器选用ADI公司的AD7792。AD7792具有SPI接口、16位有效分辨率、3通道差分模拟输入和两个内置电流源。本设计中，通道1用于检测Pt1000铂电阻产生的电压，通道2用于检测pH值复合电极产生的电压。AD7792内置电流源2输出210 μA激励电流流入Pt1000和2 kΩ(±0.05%)电阻组成的串联组合，在2 kΩ精密电阻两端产生420 mV的电压作为AD7792的基准电压。AD7792工作模式下电流为130 μA，省电模式下电流为1 μA，符合电路低功耗设计需求。A/D转换电路原理图如图3b所示。

考虑到实际应用，pH值检测范围设置为4～10，根据式(1)可知，pH值电极会产生±177 mV的电压。pH值分辨率0.01，对应电压约为0.6 mV。温度检测时，Pt1000铂电阻在210 μA激励电流下，0.05℃温度变化产生的电压约为0.04 mV。AD7792可分辨0.013 mV电压，AD7792分辨率能够达到要求。

2.1.4主控电路和数据存储电路设计

控制和数据存储电路原理图如图4所示。为减小电路功耗，微控制器(Microcontroller unit, MCU)选用意法半导体的STM8L151。该芯片基于8位STM8内核，采用超低漏电流工艺，能够有效降低功耗。在本设计中，STM8L151在工作模式和使用实时时钟(Real-time clock, RTC)唤醒的休眠模式之间切换。在休眠模式，电流为1.4 μA。

考虑到瘤胃pH值和温度检测单元需要密封，本设计采用低功耗霍尔元件CC6203实现非接触式电路控制。

为实现数据的长期存储，本设计采用Atmel公司的AT24C512作为数据存储芯片，通过I2C总线与MCU通信。该芯片可存储64 KB数据。实际工作中，按照每10 min采样一次、每次存储4字节的数据计算，AT24C512芯片可存储111 d数据。

2.1.5无线传输电路设计

无线传输电路采用TI公司的CC1101作为射频芯片，具有低成本、高灵敏度和低功耗的特点，其休眠电流为0.2 μA，CC1101通过SPI串行接口与STM8L151连接。由于低频段信号能够较好从动物体内穿透[31]，CC1101频率设定为315 MHz，调制方式为GFSK，信道间隔为200 kHz，数据速率为1.2 kb/s，输出功率为10 dBm。其接收灵敏度为-109 dBm。

2.1.6瘤胃pH值和温度检测单元结构设计

瘤胃pH值和温度检测单元3D结构图和实物如图5所示。其中，pH值电极直径12 mm、长度160 mm。检测单元上壳顶部壁厚7 mm。为保护pH值电极，下壳底距pH值电极敏感头6 mm。设计装配余量2 mm，结合pH值电极长度，检测单元封装后长175 mm。设计选用14505型3.6 V锂电池，该电池直径14.5 mm，长度50.5 mm。电路板尺寸为20 mm×40 mm。为防止检测单元pH值电极附近的瘤胃内容物积聚，pH值电极轴线距检测单元下壳内壁10 mm。下壳内径设计为32 mm，上壳内径设计为35 mm，检测单元上下壳之间通过螺纹连接，螺纹为M38。外壳最薄处壁厚设计为5 mm，封装后外壳直径45 mm。在检测单元前端增加SU304不锈钢配重。该配重直径30 mm，高15 mm，质量为60 g。最终，检测单元总体质量为260 g，密度为1.05 g/cm3。检测单元下壳侧边开孔避免在pH值电极敏感头处形成气体空腔造成敏感头和液络部无法接触瘤胃液。外壳采用尼龙材料制造，满足无毒、无味、强度高、耐腐蚀的要求。

图5 瘤胃pH值和温度检测单元Fig.5 Rumen pH value and temperature measurement unit1.上壳 2.pH值复合电极 3.锂电池 4.电路板 5.Pt1000铂电阻 6.配重块 7.下壳

2.1.7瘤胃pH值和温度检测单元程序设计

瘤胃pH值和温度检测单元具备待机、校准、数据采集与传输和历史数据传输4种模式。程序框图如图6所示。

图6 瘤胃pH值和温度检测单元程序框图Fig.6 Software flow diagram of rumen pH value and temperature measurement unit

程序初始化完成后，检测单元开启外部中断进入休眠。使用磁铁接近检测单元的霍尔传感器，触发外部中断，程序进行工作模式判断。当霍尔传感器持续触发5 s后，检测单元进入校准模式，分别插入到pH值为4.00、6.86和9.18的标准缓冲液进行校准。完成后，如果10 s内无操作重新进入待机模式。如果10 s内再次触发霍尔传感器(时间小于3 s)，程序进入数据采集和传输模式。检测单元检测间隔时间可以预先设定。在完成数据采集与传输后，程序进入休眠。程序按照检测间隔时间进行定时，利用RTC定时中断触发新一次的数据采集与传输。在任何模式下，如果连续触发霍尔传感器15 s以上，检测单元进入历史数据传输程序，可以一次读取AT24C512芯片的所有数据。

2.2 无线传输网络设计

2.2.1无线传输网络硬件设计

无线传输网络包括项圈中继节点和数据集中器两部分。项圈中继节点在降低瘤胃pH值检测单元功耗的同时实现数据远距离传输。数据集中器负责建立和维护无线传输网络。无线传输网络采用Sub-1GHz频段进行组网。本设计选用基于IEEE802.15.4协议的TI-15.4协议组建无线传输网络。

项圈中继节点和数据集中器主芯片均采用TI公司的CC1310。芯片内部集成了超低功耗射频收发器与48 MHz Cortex-M3微控制器。在本设计中，CC1310无线传输频率设定为433 MHz，传输速率为50 kb/s，输出功率为14 dBm，接收灵敏度为-110 dBm。项圈中继节点和数据集中器实物如图7所示。

图7 项圈中继节点和数据集中器实物图Fig.7 Collar node and data collector

2.2.2无线传输网络程序设计

本设计在TI-15.4协议栈程序的基础上增加瘤胃数据采集程序，实现多头奶牛的实时监测。TI-15.4协议使用星型拓扑结构，支持信标模式、非信标模式以及跳频3种网络通信模式。本设计中，无线传输网络使用非信标模式。数据集中器在初始化完成后，首先进行能量扫描，确定干扰最小的信道。然后，扫描该区域已有网络，选择合适的网络参数建立网络。项圈中继节点在初始化完成后广播信标，数据集中器响应信标后，项圈中继节点加入网络。项圈中继节点数据传输状态完成后，进入休眠以降低功耗。在接收到瘤胃pH值和温度检测单元上传的数据后，对数据进行处理，并通过无线传输网络上传到数据集中器。数据集中器始终打开，不发送周期性信标，实时侦听来自项圈中继节点的信号。数据集中器收集各项圈中继节点数据后，通过串口通信发送给物联网网关。无线传输网络程序框图如图8所示。

图8 无线传输网络程序框图Fig.8 Software flow diagram of wireless transmission network

2.3 物联网网关和显示界面设计

本设计采用阿里云作为云端数据的存储处理中心。本地物联网网关程序运行在Ubuntu 16.04主机上，接收到数据集中器传输的数据后，对数据进行处理，通过4G网络以MQTT协议将数据包发送给云平台。显示界面使用IoT Studio可视化开发工具进行设计。云平台根据数据包中的设备凭证解析数据包并建立实际设备和虚拟设备的连接。工作人员通过显示界面实现实时数据、历史记录查询等数据的分析工作。云平台实时显示界面如图9所示，主要有4部分：登录界面、设备管理、实时数据显示和历史数据查询。

2005—2015年，我国废水排放量由524.50亿t/年增至735.30亿t/年，复合增长率达3.44%。

图9 云平台实时显示界面Fig.9 Interface of cloud platform real-time monitoring

3 系统测试

3.1 pH值测量准确性试验

在实验室环境下，以校准后的标准pH计(上海三信仪表厂，SX811-WW型，±0.01)测量溶液的pH值为真实值，在pH值4～10范围内配制10种不同pH值溶液。首先将盛有溶液的烧杯放置到恒温水浴锅中，温度设定为39℃。瘤胃pH值和温度检测单元校准后，将检测单元和标准pH计同时插入烧杯中，pH计读数在10 min内不发生变化，记录此次测量结果。

试验对3个检测单元分别进行测试。pH值真实值与检测单元测量值的对比结果如表1所示。测量结果显示检测单元的pH值测量绝对误差为±0.02，且一致性良好。

3.2 温度测量准确性试验

为验证温度测量准确性，选用精密直流电阻箱(上海正阳仪表厂，ZX76P型，±0.01%)作为Pt1000的等效电阻。奶牛瘤胃内正常温度在39℃左右，奶牛饮用冷水后，瘤胃内温度会下降到30℃左右，在一段时间后恢复到正常水平[32]。故测试范围设定在25～50℃。根据Pt1000铂电阻温度、电阻对照表，在测试范围内每隔5℃设定电阻箱电阻。

测试结果如表2所示，设计测温电路的测量误差为±0.05℃。在测温范围内，将以上试验测量结果与Pt1000铂电阻的允许温度误差相加，测温精度在±0.3℃以内。

表1 pH值测量准确性试验结果Tab.1 Results of pH value measurement accuracy

表2 温度测量准确性试验结果Tab.2 Result of temperature measurement accuracy

3.3 瘤胃pH值和温度检测单元功耗试验

瘤胃pH值和温度检测单元需要长期留置在奶牛瘤胃内，功耗对检测单元的工作寿命具有重要的影响。工作状态电流使用低功耗分析仪(是德科技有限公司，N6705C型)测量。低功耗分析仪通过USB数据线连接计算机，采样间隔设置为1 ms，使用14585A控制和分析软件记录并导出数据。

检测单元定时唤醒，测量pH值和温度，并完成无线数据传输。工作模式共持续1 650 ms。通过计算，工作模式平均电流为7.4 mA。使用福禄克15B+型万用表测得休眠模式电流平均值为20 μA。检测单元检测时间间隔为10 min时，计算可得平均电流值为0.040 3 mA。锂电池容量为2 200 mA·h，鉴于瘤胃环境温度为39℃左右，电池容量按照标称容量的80%计算，电池使用寿命可达1 800 d。

3.4 无线传输网络可靠性试验

将数据集中器连接XDS110仿真器，XDS110通过USB数据线连接计算机，天线固定在牛舍内。打开Smart RF Studio7频率设置为433 MHz，传输速率50 kb/s，输出功率14 dBm。移动项圈节点在牛舍30～240 m范围内每隔50 m项圈节点发送1 000个数据包，测试丢包率。由表3可以看出，通信距离在180 m以内能够可靠通信，满足实际需求。

表3 无线传输网络丢包率Tab.3 Packet loss rate of wireless network

3.5 现场试验

3.5.1试验方案

现场试验在西北农林科技大学畜牧教学试验基地进行。试验选择1头体质量为600 kg、装有瘤胃瘘管的泌乳期荷斯坦奶牛为试验动物。该奶牛每天于07:00和19:30饲喂，全天自由饮水。图10为奶牛佩戴项圈中继节点以及瘤胃pH值和温度检测单元放置图。数据集中器和物联网网关布置在50 m外的牛场办公室。

图10 现场试验部署Fig.10 Field test deployment diagrams

试验于2021年7月26日19:00开始，共5 d。试验开始前，对瘤胃pH值和温度检测单元进行校准。设定检测时间间隔为10 min。通过瘘管将检测单元放置到瘤胃下部。试验期间，每次人工抽取靠近检测单元的瘤胃液100 mL，使用SX-811WW型便携式pH计测定瘤胃液样品。试验前3 d分别在09:50和18:30进行人工采样。试验后2 d分别在09:50、15:00和18:30采样。

3.5.2试验结果

图11给出了瘤胃pH值和温度变化曲线。表4给出了人工测定的pH值与监测系统记录的pH值。结果显示，瘤胃液人工测定pH值与实时监测系统记录值平均绝对偏差为0.10，最大绝对偏差为0.20。皮尔逊相关性分析显示两种测量方法显著正相关(r=0.961,P<0.05)。

图11 监测系统记录和人工测量pH值Fig.11 Records of monitoring system and manual pH value measurement

表4 瘤胃pH值测定结果Tab.4 Result of rumen pH value test

人工测定瘤胃液pH值均高于监测系统记录值。国内外研究报道，人工测定瘤胃液pH值会高于实时监测系统测量值0.10左右，这是由于从瘤胃中抽取瘤胃液进行测定时，瘤胃液CO2或挥发性脂肪酸挥发，使得瘤胃液样品测定值比实时监测系统测量值高[33-34]。本试验结果和上述研究结果相同。尽管本文未对瘤胃pH值和温度进行联合分析，但是基于已有研究[35]，后续可以综合瘤胃pH值和温度变化对奶牛瘤胃健康水平和饲料配方是否合理提供更加准确的参考。