CN111066679A - 一种基于振动信号的奶牛个体行为监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于振动信号的奶牛个体行为监测装置及方法，装置壳体内设置有电路板，所述电路板上固定设置有压电传感器、地磁传感器和处理器，所述压电传感器、地磁传感器均与所述处理器电连接，所述压电传感器用于采集奶牛个体行为中中的振动信息，所述地磁传感器用于采集奶牛个体行为中的站卧状态信息；所述所述装置壳体上设置有挂绳，所述挂绳与所述装置壳体活动连接，所述挂绳用于将监测装置固定在奶牛的颈部。将监测装置固定在奶牛的颈部位置，通过压电传感器可以检测到奶牛的个体行为中的振动信息，地磁传感器可以检测到奶牛的站卧动作信息，通过处理器接收到上述传感器的检测信息后发送给监控电脑可实现奶牛个体行为数据的实时监测。
Description
技术领域
本申请涉及奶牛养殖技术领域，具体涉及一种基于振动信号的奶牛个体行为监测装置及方法。
背景技术
奶牛养殖业是我国国民经济的重要组成部分,为了适应大规模、集约化奶牛养殖的发展需求,将自动化和信息化应用于奶牛养殖,通过精准养殖实时监测获取奶牛个体信息,实现奶牛养殖的信息化,可以提高奶牛的繁殖率和经济效益。
传统技术中对于奶牛个体行为监测一般通过人工定期监测记录奶牛的行为信息并记录。为了监测奶牛的行动信息，一般在奶牛的腿部固定一行为监测装置，当奶牛行动时可以告知监测人员。
传统的奶牛个体行为监测虽然可以实现对奶牛行动的监测，但是对于奶牛进食、咀嚼、吞咽、反刍、喝水、呼吸、咳嗽的信息只有当监测人员在场时才可以实现监测，无法实现对上述信息的实时监测。
发明内容
本申请为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供了一种基于振动信号的奶牛个体行为监测装置，包括：装置壳体，所述装置壳体内设置有电路板，所述电路板上固定设置有压电传感器、地磁传感器和处理器，所述压电传感器、地磁传感器均与所述处理器电连接，所述压电传感器用于采集奶牛个体行为中的振动信息，所述地磁传感器用于采集奶牛个体行为中的站卧状态信息；所述所述装置壳体上设置有挂绳，所述挂绳与所述装置壳体活动连接，所述挂绳用于将监测装置固定在奶牛的颈部。
采用上述实现方式，将监测装置固定在奶牛的颈部位置，通过压电传感器可以检测到奶牛的个体行为中的振动信息，地磁传感器可以检测到奶牛的站卧动作信息，通过处理器接收到上述传感器的检测信息后发送给监控电脑可实现奶牛个体行为数据的实时监测。
结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述壳体包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体和所述第二壳体固定连接，所述第一壳体上设置有电路板固定柱，所述电路板与所述电路板固定柱固定连接，所述第二壳体上设置有压电传感器固定槽，所述压电传感器固定设置在所述压电传感器固定槽内。
采用上述实现方式，在第二壳体内设置压电传感器固定槽，使得压电传感器振动检测端与第二壳体的外壳紧密贴合。将监测装置的第二壳体一侧贴附在奶牛的颈部外侧，进而使得压电传感器可以更加准确的检测奶牛个体行为中的振动信息，具体包括:奶牛进食、咀嚼、吞咽、反刍、喝水、呼吸、咳嗽产生的振动。而且采集振动的压电传感器，奶牛进食、咀嚼、吞咽、反刍、喝水、呼吸、咳嗽产生的振动电压信号各不相同，根据电压大小识别行为，不同行为对应的电压值范围可以前期人工进行检测获取。
结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，还包括加速度传感器，所述加速度传感器固定设置在所述电路板上，所述加速度传感器与所述处理器电连接，所述加速度传感器用于检测奶牛站卧行为的加速度大小。
当地磁传感器数据的Z轴无明显变化，XY轴数据剧烈变化，同时加速度传感器数据无明显变化时，说明奶牛为正在摇头；当地磁传感器数据Z轴无明显变化，XY轴数据剧烈变化，同时加速度传感器数据改变时，说明奶牛在行走；当地磁传感器，加速度传感器Z轴剧烈变化时。说明奶牛起身或躺下。当每日奶牛活动量剧烈变化时，说明奶牛发情或者异常。
结合第一方面第二种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，还包括无线传输设备，所述无线传输设备分别与所述处理器和远程监控电脑通信连接。通过无线传输设备可以实现将处理器获取到的传感器数据发送到远程监控电脑，进而实现远程对奶牛个体行为数据的获取，实现实时监测。
结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述第一壳体的两端设置有挂绳穿孔，所述第二壳体两端对应所述挂绳穿孔分别设置有凹槽，所述挂绳通过所述挂绳穿孔与所述第一壳体活动连接。通过挂绳穿孔实现挂绳与监测装置外壳的活动连接，通过挂绳将监测装置固定在奶牛颈部时，可以进行调节使得监测装置放置在奶牛颈部最佳位置。
结合第一方面，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述挂绳上设置有配重块，所述配重块的重量为300克-500克。为了稳定可靠地采集奶牛奶牛进食、咀嚼、吞咽、反刍、喝水、呼吸、咳嗽音频，活动量，站卧状况，要求检测装置与奶牛的颈部紧密贴合，并且在奶牛运动时能保持位置固定不变。为了达到上述要求，将挂绳套在奶牛颈部，并且在挂绳的下端挂配重块(可根据需要调整)。位于挂绳下端的配重块和挂绳自带的固定装置可使检测装置的位置保持固定不变，固定装置可以为传统背包上的背带伸缩扣形式，可实现挂绳的伸缩，进而可以适用于不同大小的奶牛。
结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第六种可能的实现方式中，所述第一壳体的边缘处设置有防水凹槽，所述第二壳体的边缘处对应所述防水凹槽设置有防水凸台，所述防水凸台与所述防水凹槽匹配设置。防水凹槽和防水凸台配合，可保持监测装置内部干燥，防止内部的元器件和传感器受潮，保证正常的工作。
结合第一方面，在第一方面第七种可能的实现方式中，所述地磁传感器包括MMA8451Q型三轴地磁传感器。
结合第一方面第二种可能的实现方式，在第一方面第八种可能的实现方式中，所述加速度传感器包括HMC5883ML型三轴加速度传感器。
第二方面，本申请实施例提供了一种基于振动信号的奶牛个体行为监测方法，采用第一方面或第一方面任一实现方式所述的基于振动信号的奶牛个体行为监测装置，所述方法包括：将所述监测装置通过挂绳和配重块固定在奶牛的颈部一侧，并且根据奶牛个体的不同选择合适的配重块，以使得所述监测装置固定后保持位置不变；监测装置固定完毕后，压电传感器采集奶牛进食、咀嚼、吞咽、反刍、喝水、呼吸、咳嗽产生的振动信号，地磁传感器采集奶牛个体行为的站卧状态，加速度传感器检测奶牛站卧行为的加速度大小；处理器接收将上述传感器检测到的信号并通过无线传输设备发送到远程监控电脑，实现对奶牛个体行为中产生的振动、活动状态及次数信息的监测。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种基于振动信号的奶牛个体行为监测装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种基于振动信号的奶牛个体行为监测装置的框架示意图；
图3为本申请实施例提供的第一壳体的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的第二壳体的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种基于振动信号的奶牛个体行为监测方法的流程示意图；
图6为本申请实施例提供的奶牛佩戴奶牛个体行为监测装置的示意图示意图
图1-6中，符号表示为：
1-装置壳体，2-电路板，3-压电传感器，4-地磁传感器，5-处理器，6-挂绳，7-配重块，8-电路板固定柱，9-压电传感器固定槽，10-挂绳穿孔，11-凹槽，12-防水凹槽，13-防水凸台，14-加速度传感器，15-无线传输设备。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本方案进行阐述。
图1为本申请实施例提供的一种基于振动信号的奶牛个体行为监测装置的结构示意图，图2为本申请实施例提供的一种基于振动信号的奶牛个体行为监测装置的框架示意图。参见图1和图2，本申请实施例提供的基于振动信号的奶牛个体行为监测装置包括：装置壳体1，所述装置壳体1内设置有电路板2，所述电路板2上固定设置有压电传感器3、地磁传感器4和处理器5，所述压电传感器3、地磁传感器4均与所述处理器5电连接。
所述压电传感器3用于采集奶牛个体行为中的振动信息，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差(称之为正压电效应)，反之施加电压，则产生机械应力(称为逆压电效应)。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号(机械震动)。压电式传感器是一种基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为电的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。
所述地磁传感器4用于采集奶牛个体行为中的站卧状态信息，所述地磁传感器4包括MMA8451Q型三轴地磁传感器。所述所述装置壳体1上设置有挂绳6，所述挂绳6与所述装置壳体1活动连接，所述挂绳6用于将监测装置固定在奶牛的颈部。
所述挂绳6上设置有配重块7，所述配重块7的重量为300克-500克。为了稳定可靠地采集奶牛奶牛进食、咀嚼、吞咽、反刍、喝水、呼吸、咳嗽音频，活动量，站卧状况，要求检测装置与奶牛的颈部紧密贴合，并且在奶牛运动时能保持位置固定不变。为了达到上述要求，将挂绳6套在奶牛颈部，并且在挂绳6的下端挂配重块7(可根据需要调整)。位于挂绳6下端的配重块7和挂绳6自带的固定装置可使检测装置的位置保持固定不变，固定装置可以为传统背包上的背带伸缩扣形式，可实现挂绳6的伸缩，进而可以适用于不同大小的奶牛。
本实施例中的处理器5采用单片机，它不仅控制三极管开关电路、A\D转换、信息传输，同时为***提供时钟信息，相对于目前应用广泛的51系列的单片机，选用了性价比更高的ST公司研发的单片机STM32系列。
参见图3和图4，本申请实施例中的所述壳体包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体和所述第二壳体固定连接，所述第一壳体上设置有电路板固定柱8，所述电路板2与所述电路板固定柱8固定连接，所述第二壳体上设置有压电传感器固定槽9，所述压电传感器3固定设置在所述压电传感器固定槽9内。
在第二壳体内设置压电传感器固定槽9，使得压电传感器3振动检测端与第二壳体的外壳紧密贴合。将监测装置的第二壳体一侧贴附在奶牛的颈部外侧，进而使得压电传感器3可以更加准确的检测奶牛个体行为中的振动信息，具体包括:奶牛进食、咀嚼、吞咽、反刍、喝水、呼吸、咳嗽产生的振动。而且采集振动的压电传感器3，奶牛进食、咀嚼、吞咽、反刍、喝水、呼吸、咳嗽产生的振动电压信号各不相同，根据电压大小识别行为，不同行为对应的电压值范围可以前期人工进行检测获取。
所述第一壳体的两端设置有挂绳穿孔10，所述第二壳体两端对应所述挂绳穿孔10分别设置有凹槽11，所述挂绳6通过所述挂绳穿孔10与所述第一壳体活动连接。通过挂绳穿孔10实现挂绳6与监测装置外壳的活动连接，通过挂绳6将监测装置固定在奶牛颈部时，可以进行调节使得监测装置放置在奶牛颈部最佳位置。
进一步地，奶牛场可能存在潮湿的情况，本实施例中所述第一壳体的边缘处设置有防水凹槽12，所述第二壳体的边缘处对应所述防水凹槽12设置有防水凸台13，所述防水凸台13与所述防水凹槽12匹配设置。防水凹槽12和防水凸台13配合，可保持监测装置内部干燥，防止内部的元器件和传感器受潮，保证正常的工作。
本申请实施例提供的奶牛个体行为监测装置还包括加速度传感器14，所述加速度传感器14固定设置在所述电路板2上，所述加速度传感器14与所述处理器5电连接，所述加速度传感器14用于检测奶牛站卧行为的加速度大小。
本实施例中所述加速度传感器14包括HMC5883ML型三轴加速度传感器。当地磁传感器4数据的Z轴无明显变化，XY轴数据剧烈变化，同时加速度传感器14数据无明显变化时，说明奶牛为正在摇头；当地磁传感器4数据Z轴无明显变化，XY轴数据剧烈变化，同时加速度传感器14数据改变时，说明奶牛在行走；当地磁传感器4，加速度传感器14Z轴剧烈变化时。说明奶牛起身或躺下。当每日奶牛活动量剧烈变化时，说明奶牛发情或者异常。
奶牛个体行为监测装置还包括无线传输设备15，所述无线传输设备15分别与所述处理器5和远程监控电脑通信连接。通过无线传输设备15可以实现将处理器5获取到的传感器数据发送到远程监控电脑，进而实现远程对奶牛个体行为数据的获取，实现实时监测。
由上述实施例可知，本实施例提供了一种基于振动信号的奶牛个体行为监测装置，将监测装置固定在奶牛的颈部位置，通过压电传感器3可以检测到奶牛的个体行为中的振动信息，地磁传感器4可以检测到奶牛的站卧动作信息，通过处理器5接收到上述传感器的检测信息后发送给监控电脑可实现奶牛个体行为数据的实时监测。
与上述实施例提供的基于振动信号的奶牛个体行为监测装置相对应，本申请实施例还提供了一种基于振动信号的奶牛个体行为监测方法，本申请实施例提供监测方法采用上述实施例提供的基于振动信号的奶牛个体行为监测装置。参见图5，所述方法包括：
S101，将所述监测装置通过挂绳和配重块固定在奶牛的颈部一侧，并且根据奶牛个体的不同选择合适的配重块，以使得所述监测装置固定后保持位置不变。
为了稳定可靠地采集奶牛奶牛进食、咀嚼、吞咽、反刍、喝水、呼吸、咳嗽音频，活动量，站卧状况，要求检测装置与奶牛的颈部紧密贴合，并且在奶牛运动时能保持位置固定不变。为了达到上述要求，采用了图6所示的固定方式，将检测装置固定在一条扁平的挂绳上，将挂绳套在奶牛颈部，并且在挂绳的下端挂上500克左右的配重(可根据需要调整)。位于挂绳下端的配重和固定装置可使检测装置的位置保持固定不变。
S102，监测装置固定完毕后，压电传感器采集奶牛进食、咀嚼、吞咽、反刍、喝水、呼吸、咳嗽产生的振动信号，地磁传感器采集奶牛个体行为的站卧状态，加速度传感器检测奶牛站卧行为的加速度大小。
奶牛进食、咀嚼、吞咽、反刍、喝水、呼吸、咳嗽产生的振动信号各不相同，因此压电传感器产生的电压也是各不相同，压电传感器产生的电压信号传输到MCU中进行信号滤波、信号放大、识别处理，并且对各振动次数进行计数，通过无线通讯方式发送。
加速度传感器和地磁传感器，分别采集奶牛活动情况和站卧情况，并将数据发送到mcu中进行处理，计算奶牛运动量大小及姿势变化情况。当地磁传感器数据的Z轴无明显变化，XY轴数据剧烈变化，同时加速度传感器数据无明显变化时，说明奶牛为正在摇头；当地磁传感器数据Z轴无明显变化，XY轴数据剧烈变化，同时加速度传感器数据改变时，说明奶牛在行走；当地磁传感器，加速度传感器Z轴剧烈变化时。说明奶牛起身或躺下,活动行为加速度用a＝(ax，ay，az)表示,ax、ay、az分别表示三轴加速度传感器3个方向的加速度分量，由于行为的运动方向是随机的，所以方向不是判断行为的必要条件，为了消除朝向和角度的影响，便于计算，本文采用合加速度a来表示奶牛各行为的加速度大小，合加速度为三轴加速度的标量和，较单轴的数据稳定。合加速度计算公式为：
由于奶牛行为的动作幅度不同，采食、饮水、行走、快走、站立、卧躺的加速度曲线的波动性明显不同，故本文采用合加速度差值表示行为曲线波动性大小，计算公式为
θi＝|ai-ai-1|
式中，θi为合加速度差，ai为i时刻合加速度，ai-1为i-1时刻合加速度。当每日奶牛活动量剧烈变化时，说明奶牛发情或者异常。
S103，处理器接收将上述传感器检测到的信号并通过无线传输设备发送到远程监控电脑，实现对奶牛个体行为中产生的振动、活动状态及次数信息的监测。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本申请未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本申请的技术方案并非是对本申请的限制，如来替代，本申请仅结合并参照优选的实施方式进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本申请的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本申请的宗旨，也应属于本申请的权利要求保护范围。
Claims (10)
1.一种基于振动信号的奶牛个体行为监测装置，其特征在于，包括：装置壳体，所述装置壳体内设置有电路板，所述电路板上固定设置有压电传感器、地磁传感器和处理器，所述压电传感器、地磁传感器均与所述处理器电连接，所述压电传感器用于采集奶牛个体行为中的振动信息，所述地磁传感器用于采集奶牛个体行为中的站卧状态信息；所述所述装置壳体上设置有挂绳，所述挂绳与所述装置壳体活动连接，所述挂绳用于将监测装置固定在奶牛的颈部。
2.根据权利要求1所述的基于振动信号的奶牛个体行为监测装置，其特征在于，所述壳体包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体和所述第二壳体固定连接，所述第一壳体上设置有电路板固定柱，所述电路板与所述电路板固定柱固定连接，所述第二壳体上设置有压电传感器固定槽，所述压电传感器固定设置在所述压电传感器固定槽内。
3.根据权利要求2所述的基于振动信号的奶牛个体行为监测装置，其特征在于，还包括加速度传感器，所述加速度传感器固定设置在所述电路板上，所述加速度传感器与所述处理器电连接，所述加速度传感器用于检测奶牛站卧行为的加速度大小。
4.根据权利要求3所述的基于振动信号的奶牛个体行为监测装置，其特征在于，还包括无线传输设备，所述无线传输设备分别与所述处理器和远程监控电脑通信连接。
5.根据权利要求2所述的基于振动信号的奶牛个体行为监测装置，其特征在于，所述第一壳体的两端设置有挂绳穿孔，所述第二壳体两端对应所述挂绳穿孔分别设置有凹槽，所述挂绳通过所述挂绳穿孔与所述第一壳体活动连接。
6.根据权利要求1所述的基于振动信号的奶牛个体行为监测装置，其特征在于，所述挂绳上设置有配重块，所述配重块的重量为300克-500克。
7.根据权利要求2所述基于振动信号的奶牛个体行为监测装置，其特征在于，所述第一壳体的边缘处设置有防水凹槽，所述第二壳体的边缘处对应所述防水凹槽设置有防水凸台，所述防水凸台与所述防水凹槽匹配设置。
8.根据权利要求1所述的基于振动信号的奶牛个体行为监测装置，其特征在于，所述地磁传感器包括MMA8451Q型三轴地磁传感器。
9.根据权利要求3所述的基于振动信号的奶牛个体行为监测装置，其特征在于，所述加速度传感器包括HMC5883ML型三轴加速度传感器。
10.一种基于振动信号的奶牛个体行为监测方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的基于振动信号的奶牛个体行为监测装置，所述方法包括：
将所述监测装置通过挂绳和配重块固定在奶牛的颈部一侧，并且根据奶牛个体的不同选择合适的配重块，以使得所述监测装置固定后保持位置不变；
监测装置固定完毕后，压电传感器采集奶牛进食、咀嚼、吞咽、反刍、喝水、呼吸、咳嗽产生的振动信号，地磁传感器采集奶牛个体行为的站卧状态，加速度传感器检测奶牛站卧行为的加速度大小；
处理器接收将上述传感器检测到的信号并通过无线传输设备发送到远程监控电脑，实现对奶牛个体行为中产生的振动、活动状态及次数信息的监测。
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