本发明涉及畜牧业养殖监测系统，特别是涉及一种奶牛发情期监测系统及监测方法。
背景技术：
畜牧业是现代农业的核心产业。而其中的奶业又是一个高效、节粮、持续、产业关联度高的产业，在我国经济发展中具有重要的战略地位。虽然我国奶业取得了很大的成就，但是同发达国家相比，还存在一定的差距。据有关资料显示，目前国内成年奶牛的平均年产奶量仅为3500公斤左右；而美国、以色列的国家成年奶牛的平均奶牛产奶量已经高达8400公斤左右。导致这一现象的主要原因是自动化饲料配置系统、奶牛计步器等高新技术在国外已广泛应用，而国内大部分奶牛养殖场还在使用传统的人工养殖方式。奶牛产奶量的多少与发情期检测有着密切的关系，传统的人工检测奶牛发情期的方法显然已经无法满足需求，智能化奶牛发情期检测的需求迫在眉睫。
现在国外检测奶牛发情期的方法主要是根据奶牛发情期活动量明显增加的特点，使用记步器来采集奶牛的活动信息，计步器采集信息后通过无线传输的方式传输给上位管理机进行分析处理，帮助奶农监测奶牛的发情期以便于奶牛及时受孕，但采用计步器的昂贵成本并不适合国内奶牛的养殖。如何降低奶牛检测发情期装置的成本以及提高监测率是一个亟需解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种奶牛发情期监测系统及监测方法。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种奶牛发情期监测系统，在每一头奶牛身体上装设有心率传感器、温度传感器和加速度传感器，所述心率传感器、温度传感器和加速度传感器的信号输出端分别与处理器的信号输入端相连，所述处理器将传感器信息传输给远程控制端，所述远程控制端判断奶牛是否发情，并将是否发情的判断结果和/或传感器信息通过显示器显示。
本发明的奶牛发情期监测系统通过检测奶牛的体温、心率、及行为活动情况判断奶牛的发情期，通过三种信息的结合而不是单一的特征判断判断奶牛的发情期。该系统更加准确、可靠，并且成本低、功耗低，将现代物联网技术运用到奶牛养殖业，从而大大提高了企业的经济效应。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种奶牛发情期监测方法，其包括如下步骤：
s1，布设本发明的奶牛发情期监测系统；
s2，心率传感器、温度传感器和加速度传感器检测相应的信息并传输至处理器；
s3，所述处理器将传感器信息传输给远程控制端，所述远程控制端判断奶牛是否发情，并将是否发情的判断结果和/或传感器信息通过显示器显示。
本发明的奶牛发情期监测方法通过检测奶牛的体温、心率、及行为活动情况判断奶牛的发情期，通过三种信息的结合而不是单一的特征判断判断奶牛的发情期。更加准确、可靠。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明一具体实施方式中奶牛发情期监测系统的结构框图；
图2是本发明一具体实施方式中奶牛发情期监测方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提供了一种奶牛发情期监测系统，如图1所示，该系统在每一头奶牛身体上装设有心率传感器、温度传感器和加速度传感器，所述心率传感器、温度传感器和加速度传感器的信号输出端分别与处理器的信号输入端相连，所述处理器将传感器信息传输给远程控制端，所述远程控制端判断奶牛是否发情，并将是否发情的判断结果和/或传感器信息通过显示器显示。
在本实施方式中，处理器采用msp430芯片，利用先进的无线传感组网技术对心率、温度、加速度等参数进行实时采集、处理，采用rs232、gprs、nrf24l01进行数据传输，从而实现上位机和下位机通讯，用c语言开发工具开发下位机软件进行数据的采集处理，基于java的web显示界面，实现人机信息交换。此系统通过检测奶牛的体温、心率、及行为活动情况能够有效的判断出奶牛的发情期特征，系统准确、可靠，低成本、低功耗，将现代物联网技术运用到奶牛养殖业，从而大大提高了企业的经济效应；另外该系统具有开发周期周期短，程序的可读性强，便于改进和扩充，从而为后期开发其它生理特征检测提供了接口，同时系统以奶牛个体作为检测对象，经过一定改进后还可以应用到其他动物的相关特征领域进行检测，也具有较好的推广前景。
msp430超低功耗单片机作为主控芯片；同时使用心率传感器、温度传感器和加速度等传感器采集奶牛的数据来综合判断奶牛的发情期，保证判断的准确性，以免造成不必要的经济损失；在数据传输上，主机利用nrf24l01以跳频的方式收集每头奶牛的监测结果，并通过gprs技术将综合处理后数据上传到云端，用户可通过web查看每头奶牛的情况。若出现异常，web会及时提醒用户，便于用户及时的采取相应措施。
根据奶牛发情期活动量明显增加的特点，本发明设计了多种传感器来采集奶牛的活动信息，传感器采集信息后通过无线传输的形式传输给上位管理机进行分析处理，帮助奶农监测奶牛的发情期以便于奶牛及时受孕。
本发明的系统总体结构采用上位机和下位机协同合作的方式。数据采集器作为下位机，负责奶牛个体的识别和个体数据的获取和存储；数据转发器通过rs232通信方式与后台服务器连接，通信距离达到15米，数据转发器与下位机数据采集器之间通过无线射频通信方式进行通信。整个系统采用主从多机通信方式，实现了一台主机奶牛发情监测系统的设计通过数据转发器，控制多台下位机的系统。后台计算机(服务器)作为上位机，将下位机发送来的数据进行存储，处理和分析，用户可以通过上位机的操作对奶牛个体信息的查询、浏览和分析。整个系统主要由数据采集器(下位机)、数据转发器(中心机)和pc服务器(上位机)组成。
在本实施方式中，在数据采集器工作过程中，数据采集器可以绑在牛的大腿上或者是脖子上，首先要把温度传感器尽可能的系在与皮肤接触面较好的位置上，奶牛耳朵旁边的皮肤是比较合适的位置，平时数据采集器工作在低功耗工作模式下，采集数据模式和与上位机通信的方式均采用中断方式。监测奶牛活动量信息，当检测到奶牛身体有较大的活动量时，经检测电路和传感器传输给msp430单片机，单片机发出指令中断当前的低功耗工作模式转而进入正常的工作模式，将采集到的信号加以处理，确认并记录奶牛的步数；检测奶牛体温则采用定时中断检测的方式。当检测温度的定时时间到达时，则通过温度传感器检测体表体温，并将检测到的数据存储。
本发明运用温度传感器、加速度传感器、心率传感器等传感器来采集奶牛的实时数据，增强了本装置对奶牛的状态判断的准确性。
在本实施方式中，还包括在奶牛身上装设的gps定位单元，所述gps定位单元的信号输出端与处理器的gps信号信号输入端相连。具体可采用现有的任何gps定位单元。
在本实施方式中，处理器通过无线传输单元将传感器信息传输给远程控制端，所述无线传输单元以预设的频宽将频带划分为若干个无线电频率信道，并且以使用接收和发送两端一样的频率跳跃模式来接发讯号。
在本实施方式中，在2.4ghz频带以一定的频宽将其划分为若干个无线电频率信道，并且以使用接收和发送两端一样的频率跳跃模式来接发讯号及防止数据撷取。收发双方传输信号的载波按照预定规律进行离散变化。在本实施方式中，采用nrf24l01芯片，能在很大程度上避免了与其他利用2.4ghz-2.5ghz频段的设备之间的冲突，使得传输过程中信息的传递更加顺利。以达到避开干扰，完成传输。通过nrf24l01装置，可以将奶牛的各项检测参数实时传至web上，使观测者可以实时观测奶牛的各项参数是否正常，对奶牛是否处于发情期进行判断，以便能够及时采取相应的措施。
针对奶牛的体征参数会随环境、温度等各种因素的影响而产生改变的情况。为此设置了筛选选择，可以让用户自己设置各种参数的临界值。例如，奶牛的心率、体温等指标均超过了用户所设置的临界值，此时，在软件界面上会发出预警，提醒用户去及时处理。
在本实施方式中，心率传感器输出心率波并输出与心率波频率一致的方波，所述处理器接收心率波和方波，处理器通过识别方波采集奶牛的心率。在本实施方式中，采用son1205心率传感器。
在本实施方式中，温度传感器为红外温度传感器，所述红外温度传感器包括红外温度探测探头、放大器、模数转换单元和温度信号处理单元，所述红外温度探头的检测温度为-40℃到85℃。温度传感器使用mlx90615红外温度传感器。mlx90615在信号调节芯片中使用了先进的低噪音放大器，一枚16-bitadc以及功能强大的dsp元件。温度计能适应从-40℃到85℃的广泛工作温度范围，目标的体表可操作温度为-40℃至115℃，测量分辨率保持在0.02℃。mlx90615产品在36℃至39℃的关键温度范围内绝对准确度达到了极高的±0.1℃。
mlx90615内部有2颗芯片，红外热电堆探测器和信号处理asspmlx90325，尤其是由melexis设计的处理ir传感器输出的芯片。器件有工业标准to-46封装形式。由于集成了低噪声放大器，16位adc和强大的dsp的mlx90325单元，使得高度集成和高精度的温度计得以实现。计算所得的物体温度被存储在mlx90325的ram并且分辨率为0.02℃。此数值可通过串行两线smbus兼容协议获得或是器件的10位pwm格式获得。
嵌入式mlx90615dsp控制测量量度，计算物体和环境温度并且进行温度的后处理，将通过smbus兼容接口或是pwm模式输出。(取决于那个是激活状态)ir传感器的输出被增益可编程的低噪声低失调电压消除放大器所放大，被sigmadelta调制器转换为单一比特流并反馈给dsp做后续的处理。信号通过fir低通滤波器。fir滤波器的输出为测量结果并存于内部的ram中。基于以上的测量结果，对应的环境温度ta和物体温度to被计算出。两者都有0.02℃的分辨率。eeprom的可编程附加iir低通滤波器允许噪声和测量速度之间的折衷。iir也可以限制在视场中的假物体的影响。pwm输出可以在eeprom里激活，正如por默认的。线性化的温度(to或ta,在eeprom里选择)可通过自由运行的pwm输出得到。
加速度传感器使用mpu6050，它不仅检测的精度高，而且受环境因数的影响小，适合于实际的应用。mpu6050以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数(quaternion)、欧拉角格式(eulerangleforma)的融合演算数据。具有131lsbs/°/sec敏感度与全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec的3轴角速度感测器(陀螺仪)。可程式控制，且程式控制范围为±2g、±4g、±8g和±16g的3轴加速器。移除加速器与陀螺仪轴间敏感度，降低设定给予的影响与感测器的飘移。数字运动处理(dmp:digitalmotionprocessing)引擎可减少复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷。运动处理数据库支持android、linux与windows内建之运作时间偏差与磁力感测器校正演算技术，免除了客户须另外进行校正的需求。高达400khz快速模式的i2c，或最高至20mhz的spi串行主机接口内建频率产生器在所有温度范围仅有±1％频率变化。
本发明使用心率传感器、加速度传感器和温度传感器来综合判断奶牛的发情期。使用多个传感器采集的数据来综合判断奶牛的发情期使得判断出来的结果相比使用单个传感器更加准确；同时，通过实时采集奶牛数据来判断奶牛的发情期保证了检测奶牛发情期的高效性。
在本实施方式中，所述远程控制端接收处理器发送来的奶牛心率信号、温度信号和加速度信号并判断奶牛是否发情。具体为如果奶牛活动量上升，活动量、步行数、及速度是常牛(没有发情的奶牛)3-5倍以上；和/或奶牛体温比平常高0.5℃左右(奶牛在发情的前几天，体温(耳朵附近)要比平时要低，发情过程中的体温(耳朵附近)要比平常高0.5℃左右)；和/或心率比平时提高，则判断奶牛处于发情期。本发明中可以单独采用温度传感器、心率传感器和加速度传感器检测的信号独立判断奶牛是否处于发情期。更进一步地，采用三种信号组合判断，当三种信号都满足发情期的要求时，即判断为发情期，从而提高了检测的准确性和奶牛受孕的成功率。
在本实施方式中，处理器包括时钟单元、信号接收单元、信号存储单元和处理单元，时钟单元控制信号接收单元以固定的频率接收心率传感器、温度传感器和加速度传感器的信息并存储器入信号存储单元，当信号存储单元将该周期内的心率信息、温度信息和加速度信息都存储完毕后，信号存储单元向处理单元发送中断信号，处理单元接收传感器信息并发送至远程服务器，当发送完毕后，信号接收单元、信号存储单元和处理单元均进入休眠状态。
本发明低功耗是设计的关键，采取了多种措施来降低系统功耗。传感器的微处理器和无线通信模块平时置于低功耗模式，信息采集与无线通信是通过中断方式实现的，振荡电路辅助通信模块完成无线信息传输。通过实验室及奶牛场现场实验，传感器信息采集正确率在99％以上。
本发明有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环(fll和fll+)时钟系统和dco数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器(32768hz)，也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生cpu和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。
当心率传感器检测到奶牛的心率增加，或者加速度传感器检测到奶牛的加速度加快时，传感器传输信息给处理器，处理器中断当前的低功耗工作模式转而进入正常的工作模式，将采集到的信号加以处理，确认并记录奶牛的步数；温度传感器采用定时中断检测的方式，当检测温度的定时时间到达时，则通过温度传感器检测体表体温，并将检测到温度传输至处理器。
msp430f149作为系统的主控芯片。msp430单片机超低功耗的关键是应用其时钟系统，同时靠cpu进入休眠状态来实现低功耗。能够将cpu从休眠状态唤醒的条件只有发生中断或复位，因此低功耗与中断之间的关系非常密切。msp430单片机所有的大部分功能模块均能够在不需要cpu干预的情况下独立工作且能引发中断，所以在对msp430进行编程时，软件的基本结构之一就是先向某工作模块发出工作指令，然后cpu休眠，等待模块操作完毕后产生中断，唤醒cpu继续下面的任务，从而将cpu运行的时间降到最少，功耗降到最低。
传感器绑在奶牛的大腿上或者是脖子上，把温度传感器系在与皮肤接触面较好的位置上。
本发明还提供了一种奶牛发情期监测方法，其包括如下步骤：
s1，布设本发明的奶牛发情期监测系统；
s2，心率传感器、温度传感器和加速度传感器检测相应的信息并传输至处理器；
s3，所述处理器将传感器信息传输给远程控制端，所述远程控制端判断奶牛是否发情，并将是否发情的判断结果和/或传感器信息通过显示器显示。
奶牛体征检测系统程序主要分为以下几个部分：
1.初始化程序。负责一些全局变量的初始化、微处理器板载资源和一些外加资源的初始化。
2.定时中断程序。定时器中断事件发生进入中断程序。对传感器而言，定时中断程序决定何时对外发送感知的外部环境数据。串口中断程序，用于发送数据到手机app显示。
3.主程序。主程序负责对接受数据进行处理和控制算法执行。
本发明利用tcputils类将接收的数据存入数据库中，然后通过mybatis将数据传递给前台的jsp页面，显示数据的时候，使用ajax异步刷新页面，每刷新一次的，就给后台servlet发送一个请求，servlet就会调用方法，从数据库里面查询一条最新的数据返回到servlet，并且封装成json格式，传给html页面，页面获取到后台的response，解析json数据格式，将各个数据项在对应的页面上显示即可。ssm框架可以和容易实现jsp页面中的一些功能。
本发明通过使用更合理的颜色、字体、图片、样式进行页面设计美化，在功能限定的情况下，尽可能给予用户完美的视觉体验。高级的网页设计甚至会考虑到通过声光、交互等来实现更好的视听感受。
在本网站中，页面中要能实现动态的更新奶牛的数量、位置、体征等信息，并能查看奶牛的一些基本信息，从而便于牧场工作人员管理。
现在国外已有的检测奶牛发情期的系统普遍使用计步器来实现对奶牛活动量的检测进而得出奶牛的发情期检测结果，与此相比，我们小组设计的系统在成本上要远低于国外现有的奶牛发情期检测系统；国内奶牛养殖发情期的检测主要依赖与人工检测，这种方法不仅费时费力，而且可能会错过奶牛的发情期，不利于农场提高经济效益。我们的系统实现低成本以及高效准确的检测奶牛的发情期，具有广泛的市场应用前景。
我们系统现阶段应用于检测奶牛的发情期，但我们后期可以对系统进行扩充。可以实现检测发情期以外的奶牛的体征，同时，我们也可以将这套系统运用到其他动物的养殖中，只要对我们的系统进行相应的修改就能达到很好的效果。总而言之，我们这套系统的应用领域是非常广泛的，并不仅仅局限于奶牛发情期的检测。
本发明实现检测奶牛发情期的高效和准确。我们使用心率传感器采集奶牛的心跳来判断奶牛的活动量是否增多，同时使用加速度传感器和温度传感器来辅助判断奶牛活动的状况，从而实现检测奶牛发情期的目的。使用多个传感器保证了检测结果的准确性和高效性。
降低奶牛检测发情期装置的成本。国外使用计步器来判断奶牛发情期的方法虽然在国外得到广泛应用，但昂贵的成本并不适合国内奶牛的养殖。这就需要寻求一种低成本检测装置以适合国内的现状。鉴于这种情况，我们设计出了这套成本相对较低奶牛发情期检测装置。不同于国外使用计步器采集奶牛的活动信息，我们使用心率传感器、加速度传感器和温度传感器来综合判断奶牛的发情期，保证了检测结果的准确性，同时也实现检测装置的低成本。
数据传输的方式。现有的技术都是使用zigbee技术进行数据的传输，但zigbee技术存在传输距离近的缺点。为克服这一困难，我们使用nrf24l01跳频的方式来接收数据。rnf24l01可实现1000m范围内的数据传输，这个是zigbee技术所无法比拟的。同时跳频技术使得接收奶牛体征信息变得更加便捷和准确。同时，主机与网页之间的信息传输我们使用gprs来实现。
实现设备的低功耗。奶牛发情期检测系统显然是需要低功耗的，不然频繁更换电池不仅费时费力，也会加大成本，给农场养殖带来极大的不便。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨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，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。