1、胡祝青51090104033摘要：本文主要闡述了奶牛行為監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計以及軟硬件實現(xiàn)，著重介紹了基于重力加速度傳感器技術(shù)的硬件系統(tǒng)設(shè)計和基于K-Means算法的檢測中心軟件的設(shè)計。關(guān)鍵詞：重力加速度傳感器、RF、K-Means算法0引言為了保證奶牛高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，必須毫不懈怠地抓好奶牛的配種工作。隨著奶牛業(yè)的發(fā)展，提高奶牛的繁殖率顯得越來越重要，提高奶牛繁殖率，縮短產(chǎn)犢間隔，對于提高奶牛產(chǎn)奶量和奶牛生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。在奶牛養(yǎng)殖業(yè)中，奶牛的發(fā)情檢測和奶牛健康的保證在牛群繁殖管理中具有重要地位，及時發(fā)現(xiàn)奶牛發(fā)情有利于健康奶牛的及時受孕堯產(chǎn)犢并延長泌乳期，從而提高奶牛養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益。目前我國

2、大部分規(guī)?；膛?，飼養(yǎng)采用散養(yǎng)模式、擠奶為集中模式，奶牛發(fā)情卻是靠人工觀察來完成，但人工觀察是無法做到及時性和準(zhǔn)確性，因而時常錯過奶牛的發(fā)情期而不能及時配種，從而導(dǎo)致奶牛的生產(chǎn)潛力得不到有效發(fā)揮，奶牛養(yǎng)殖場的經(jīng)濟(jì)效益無法最大化。發(fā)情母牛外表興奮，舉動不安，活動量隨之明顯增加。通常我們可以依據(jù)奶牛發(fā)情期行為活動特點來判斷奶牛的發(fā)情狀態(tài)。同時，還可以通過奶牛的行為活動量數(shù)據(jù)的分析得出奶牛的健康狀況，如奶?；顒恿棵黠@下降，則說明奶?？赡艹鱿侵w病或消化疾病等。目前市場上用得比較多的發(fā)情檢測系統(tǒng)實際上是在計步器的基礎(chǔ)之上發(fā)展而來的，由于它只能檢測到一維的垂直方向的運(yùn)動數(shù)據(jù)，因而對于要求同時檢測到奶

3、牛的其他動作（比如躺著、站立、慢走、快走、爬跨等）的監(jiān)測系統(tǒng)而言，計步器顯然不能勝任。重力加速度傳感器是一種能夠測量加速度力的電子設(shè)備，它廣泛應(yīng)用于工程控制和測量上。比如它已應(yīng)用在手柄振動和搖晃，儀器儀表，汽車制動啟動檢測，地震檢測，報警系統(tǒng)，玩具，結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視，工程測振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析，以及鼠標(biāo)，高層建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上。因而本文提出了一種基于重力加速度傳感器的應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測奶牛行為特征的數(shù)字化智能系統(tǒng)，用于預(yù)測奶牛的發(fā)情期和疾病等狀況。1系統(tǒng)設(shè)計本系統(tǒng)由奶牛行為監(jiān)測儀、無線讀寫控制器和監(jiān)控中心管理軟件三部分組成。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所

4、示。圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖將奶牛行為監(jiān)測儀安放在奶牛的適當(dāng)部位，采集奶牛的行為活動量；將無限讀寫控制器的觸發(fā)天線安裝于擠奶廳入口處或奶牛必經(jīng)之路，當(dāng)奶牛經(jīng)過觸發(fā)天線，激活奶牛行為檢測儀，奶牛行為檢測儀將奶牛身份識別信息和奶牛行為活動量數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼、調(diào)制后經(jīng)過RF無線發(fā)送模塊通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至無線讀寫控制器（RF接收模塊）；各個無限讀寫控制器通過遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)將接收到的數(shù)據(jù)傳輸至計算機(jī);計算機(jī)管理信息系統(tǒng)軟件通過對各個奶牛行為活動量的檢測，實現(xiàn)輔助檢測奶牛發(fā)情和奶牛的健康狀況。通過檢測、分析奶牛發(fā)情期能協(xié)助工作人員掌握牛只的發(fā)情狀況、進(jìn)而決定其配種時間。2硬件設(shè)計2.1奶牛行為監(jiān)測儀奶牛

5、行為監(jiān)測儀采用飛思卡爾ZATAR3的解決方案，擁有奶?；顒恿康牟杉约皩⒉杉瘮?shù)據(jù)無線發(fā)送到無線讀寫器的功能。它主要由飛思卡爾的低功耗集成模塊MC13213、重力加速度傳感器MMA7660FC以及其他外圍電路。下面就兩個主要模塊進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計。（1）低功耗集成模塊MC13213。MC13213是飛思卡爾提供的低功耗的集成S08低功耗單片機(jī)以及遵循ZigBee2.4GHz無線網(wǎng)絡(luò)的RF收發(fā)模塊。其中，S08單片機(jī)具有速度快、功能強(qiáng)、價格低、指令系統(tǒng)豐富等特點，是具有性價比極高的8為單片機(jī)；而RF收發(fā)模塊采用目前最先進(jìn)的近距離、低功耗無線通信技術(shù)ZigBee,工作在2.4GHz頻段，數(shù)據(jù)速率為250

6、Kb/S。(2)重力加速度傳感器。重力加速度傳感器同樣采用飛思卡爾的MMA7660FC。該傳感器能夠分別采集奶牛X、Y、Z三個方向的運(yùn)動加速度，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后通過I2C總線傳至MCU中oMMA7660FC能夠非常精準(zhǔn)地采集到作用在其上的非常微小的變化。2.2無線讀寫器無線讀寫器用以將奶牛行為監(jiān)測儀上的存儲的活動量數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)采集到電腦上。它由低功耗的集成模塊MC13213、支持USB2.0高速傳輸?shù)募尚酒琈C68HC908JW32以及外圍設(shè)備。下面同樣詳細(xì)介紹下這兩個主要模塊。MC13213其功能與奶牛檢測儀中的MC13213一樣，它是通過RF接收模塊接收奶牛行為檢測儀上

7、的活動量數(shù)據(jù)。MC68HC908JW32支持USB2.0高速存儲，它可以將RF接收模塊接收到的奶?；顒恿繑?shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中。3軟件設(shè)計監(jiān)控中心管理軟件可將通過USB收集到的奶牛活動量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實時判斷奶牛的行為特征。監(jiān)控中心管理軟件以K-Means算法為核心，需要把獲取到的加速度數(shù)據(jù)判斷分類成奶牛的5種運(yùn)動行為。為此建立如下模型來進(jìn)行劃分。3.1問題假設(shè)奶牛身上安裝的節(jié)點，三軸方向指向分別為x軸指向牛尾，Y軸指向牛身體外側(cè)與x軸為同一平面，Z軸指向地。奶牛在行進(jìn)過程中節(jié)點抖動帶來三軸方向的微細(xì)變化忽略不計。奶牛的動作行為簡單歸為5個類別：躺著、站立、慢走、快跑、爬跨。3.2算法實現(xiàn)K-均值

8、聚類算法是一種基于樣本空間相似性度量的間接聚類方法。類別相同的樣本必具有類似的特征，它們的特征向量之間也會存在一定的相似之處，若兩樣本的各個特征向量近似相等，則它們必屬于同一類型。設(shè)樣本集XI,X2,.Xn為N個含有5個特征類型的樣本，其中特征空間R=S1US2U.USk。在本應(yīng)用中，個體樣本Xp取值為Aat，LAa二tAa,Aa,Aax,ty,tz,t(1)Aa=(aa)/a(2)x,tx,tx,t1x,tAa=(aa)/a(3)y,ty,ty,t1y,tAa=(aa)/a(4)z,tz,tz,t1z,t式中：a，a，at時刻x，x,ty,tz,ty，z軸的加速度分量，tl,2,.,n；Aa

9、x,t每個時間點x軸加速度差分?jǐn)?shù)據(jù)。步驟1：初始化令k=5。選擇k個代表樣本作為初始聚類中心：C1,C1,.C1（上標(biāo)為尋找聚類中心迭12k代次數(shù)）。步驟2：樣本劃分取樣本Xi（i=1,2,若有3Cp（l=1,2,k）,使得對Vj都有：IIXi-ClmIHIXCm|（j=1,2,，k；j豐l）ilij則，將樣本xeSm，其中Sm代表聚類中心為Cm的樣本集合illl上式中的距離用歐幾里得距離判定。步驟3：計算新的聚類中心在步驟2中分類的基礎(chǔ)之上，重新計算新的聚類中心位置，以便使從類別中的每個矢量到新的聚類中心的距離之和最小。Cm+i=工X(j=1,2,k)jnjX巧式中n表示該類中所包含的樣本數(shù)。j步驟4：檢查收斂若Cm+1=Cmjj滿足上式就已經(jīng)收斂，否則m=m+1,再回到步驟2繼續(xù)迭代。經(jīng)過樣本集的反復(fù)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，能夠得到較為穩(wěn)定的聚類中心，實測中將每個數(shù)據(jù)比對5個聚類中心點即可知屬于哪個聚類。由此算法可以將所有奶牛的行為特征歸結(jié)