动物可穿戴智能设备、动物活动监测系统及方法与流程

本发明涉及动物活动监测技术领域，尤其涉及一种动物可穿戴智能设备、动物活动监测系统及方法。

背景技术：

随着畜牧业的发展，家畜(例如牛)的养殖逐步向着集中化、规模化发展。从业人员慢慢发现为了保证家畜的生长及生殖健康，需要对其生理活动进行记录与分析。传统的方法是通过人工观察记录家畜的进食、饮水及发情等来判断家畜的生长生殖情况。现代化养殖场家畜饲养数量大，密度高，采用传统方法需要大量的人力成本，而且看护水平随饲养员职业能力变化，不利于家畜养殖业向标准化、工业化方向发展。

通过使用物联网技术，为家畜植入传感设备或装备可穿戴设备(如耳标、项圈)，可以实时地、自动地获取家畜的相关生理活动。植入式的传感设备存在需要专业人员操作，可能引起动物不适等问题。可穿戴设备相较于植入式设备，具有安装简单、维护方便、风险低等优点。当前的可穿戴设备，多为具有数据上传功能的传感器，活动情况需要上传后计算分析，存在数据上传量大、设备功耗高等问题。

技术实现要素：

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种动物可穿戴智能设备、动物活动监测系统及方法，以使自动监测动物的活动状态同时减少上传数据带宽和降低功耗。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种动物可穿戴智能设备，包括：用于采集所述智能设备的运动数据的三轴传感器；用于所述智能设备的唤醒激活的霍尔开关；用于上报及接收数据的无线通信模块；用于存储数据及固件的spiflash存储器；用于感应设备的安装和拆卸的拆装感应器；用于供电的电池组；及用于测量智能设备电量、计算动物活动量及活动状态、处理系统指令、记录安装及拆卸的主控mcu，主控mcu与电池组、霍尔开关、无线通信模块、spiflash存储器、拆装感应器和三轴传感器电连接。

进一步地，所述智能设备上还设有包含智能设备相关信息的rfid标签和/或二维码标签。

进一步地，还包括与主控mcu电连接，用于唤醒激活时提示设备状态的指示灯。

相应地，本发明实施例还提供了一种动物活动监测系统，包括上述的动物可穿戴智能设备，还包括无线网关以及通过无线网关与动物可穿戴智能设备连接通信的动物活动监测服务器。

相应地，本发明实施例还提供了一种动物活动监测方法，包括：

步骤1：测量在t时刻的当前加速度at＝[xt,yt,zt]，其中xt,yt,zt分别为x轴，y轴及z轴在t时刻测量的加速度数据；

步骤2：计算加速度矢量模

步骤3：使用分段积分器，计算从t-ta至t时间段动物的活动量其中t为加速度采样周期，ta为活动量计算周期；

步骤4：计算t-tm至t时间段动物加速度矢量模数列n＝0,1,...,nm，其中tm为活动状态计算周期；

步骤5：计算ma的快速傅里叶变换fft(ma)，并取计算结果的实部fft(ma)real；

步骤6：使用状态分类器计算fft(ma)real，得到t-tm至t时间段动物的活动状态st。

进一步地，所述步骤6之后还包括：

步骤7：上传活动量及活动状态；

步骤8：统计每日活动量及活动状态；

步骤9：统计多日活动量及活动状态；

步骤10：在web端及移动端可视化展示每日统计及多日统计。

进一步地，所述步骤6中：在fft(ma)real中，如果对应于2～5hz的元素和大于预设的阈值a且小于预设的阈值b，则判断当前时段活动状态为进食，否则计算0.5～11hz的元素和，如果小于预设的阈值c则判断为静卧，其他情况判定为活动。

本发明的有益效果为：本发明自动进行活动量及活动状态分析，具有更高的准确度，同时节省数据上传带宽及功耗；此外，使用rfid标签及二维码标签，方便设备识别；易于激活使用。

附图说明

图1是本发明实施例的动物可穿戴智能设备的结构示意图。

图2是本发明实施例的无线通信模块的电路图。

图3是本发明实施例的主控mcu的电路图。

图4是本发明实施例的指示灯的电路图。

图5是本发明实施例的三轴传感器的电路图。

图6是本发明实施例的霍尔开关的电路图。

图7是本发明实施例的拆装感应器的电路图。

图8是本发明实施例的spiflash存储器的电路图。

图9是本发明实施例的动物活动监测系统的结构示意图。

图10是本发明实施例的动物活动监测方法的流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例中若有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

请参照图1～图8，本发明实施例的动物可穿戴智能设备包括三轴传感器、霍尔开关、指示灯、rfid标签、二维码标签、无线通信模块、spiflash存储器、拆装感应器、电池组及主控mcu。

电池组用于给除rfid标签、二维码标签外的其他部件供电，指示灯用于唤醒激活时提示设备状态，霍尔开关用于设备的唤醒激活。主控mcu(例如可采用stm32f051c8t6芯片)用来测量设备电量、计算动物活动量及活动状态、处理系统指令、记录安装及拆卸。无线通信模块(如lora模块、蓝牙模块、nb-iot模块等)用于设备上报及接收数据，spiflash存储用于存储数据及固件，拆装传感器(如磁开关)用于感应设备的安装和拆卸，三轴传感器(如lis3dh)用于采集设备的运动数据。主控mcu用于运行矢量模计算、活动量监测算法及活动状态监测算法，并通过无线通信模组将计算出的活动量及活动状态上传至无线网关。

作为一种实施方式，动物可穿戴智能设备上还设有包含智能设备相关信息的rfid标签和/或二维码标签。rfid标签及二维码标签用于存储设备相关信息(如序列号、生产批次、版本号等)。

作为一种实施方式，动物可穿戴智能设备还包括与主控mcu电连接，用于唤醒激活时提示设备状态的指示灯。

本发明实施例的动物可穿戴智能设备通过磁铁唤醒激活设备，通过rfid标签或者二维码注册设备到系统，能够为多种动物佩戴使用；此外，还可通过系统查询设备状态及动物活动；如果设备电量低、设备被安装或设备被拆卸，系统将收到设备上传信息。

本发明实施例的动物可穿戴智能设备的功能分为设备运维及活动监测。

其中，设备运维包括：

1.唤醒激活：使用磁铁靠近霍尔开关，从而激活设备，并将激活信息上报系统。

2.数据收发：通过无线通信模块与系统进行通信，读取写入spiflash。定时上传活动量及活动状态、接受系统指令、按照系统指令上传数据。

3.拆装记录：通过拆装传感器将设备装配、拆卸记录到spiflash后，通过无线通信模块上传系统。

4.电量告警：当电池组电量低于阈值时，通过无线通信模块向系统报警。

5.固件升级：通过无线通信模块，接受系统分发固件，实现固件更新。

6.时钟同步：通过无线通信模块，自动将设备时间与系统时间同步

其中，活动监测包括：

1、活动量：通过计算三轴传感器采集的运动数据，得到动物活动量。

2、活动状态：通过活动状态监测算法计算动物活动状态。

请参照图9，本发明实施例的动物活动监测系统包括动物可穿戴智能设备、无线网关以及动物活动监测服务器。

动物活动监测服务器通过无线网关与动物可穿戴智能设备连接通信。动物活动监测服务器搭载动物活动监测平台，无线网关用于接受动物可穿戴智能设备上传的数据。其中，动物活动监测平台用于统计分析上传动物的活动量及活动状态，并实现结果在web端及移动端的可视化。

请参照图10，本发明实施例的动物活动监测方法包括步骤1～步骤10。

假定三轴传感器的采样周期为t＝40ms，活动量计算周期为ta＝10min，活动状态计算周期为tm＝1min。

步骤1：将从三轴加速度传感器测量的数据计算为加速度矢量模，测量在t时刻的当前加速度at＝[xt,yt,zt]，其中xt,yt,zt分别为x轴，y轴及z轴在t时刻测量的加速度数据；

步骤2：计算加速度矢量模

步骤3：使用分段积分器，计算从t-ta至t时间段动物的活动量其中t为加速度采样周期，ta为活动量计算周期；

步骤4：计算t-tm至t时间段动物加速度矢量模数列n＝0,1,...,nm，其中tm为活动状态计算周期；

步骤5：计算ma的快速傅里叶变换(fastfouriertransform)fft(ma)，并取计算结果的实部fft(ma)real；

步骤6：使用stft(short-timefouriertransform)及状态分类器计算fft(ma)real，判断得到t-tm至t时间段动物(例如牛)的活动状态st。其中，动物的活动状态包括且不限于静卧、活动、进食。

作为一种实施方式，所述步骤6之后还包括：

步骤7：上传活动量及活动状态，以实现对上报活动量及活动状态的每日统计、多日统计及可视化。

步骤8：统计每日活动量及活动状态。将一天中单个动物的活动量pt及活动状态st汇总，得到全天的每小时动物的活动量和活动状态。

步骤9：统计多日活动量及活动状态。将单个动物多天的每日统计汇总，得到多日活动量及活动状态变化曲线。

步骤10：在web端及移动端可视化展示每日统计及多日统计。将每日统计及多日统计的结果可视化展示在web端及移动端。

作为一种实施方式，所述步骤6中：在fft(ma)real中，如果对应于2～5hz的元素和大于预设的阈值a且小于预设的阈值b，则判断当前时段活动状态为进食，否则计算0.5～11hz的元素和，如果小于预设的阈值c则判断为静卧，其他情况判定为活动。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。