一种奶山羊数据采集的羊颈夹装置及方法

1.本发明属于数据采集技术领域，具体涉及一种奶山羊数据采集的羊颈夹装置。


背景技术：

2.在饮水饮食数据采集方面，主要采用手动测量和经验估计的方法，通过目视的方法估计奶山羊每天的吃食和饮水量，尤其是对不同年龄段和不同品种的羊测量相对误差较大，同时无法全天候的检测，并将采集到的信息和奶山羊个体对应起来，只能粗略估计整群奶山羊的饮食饮水情况；
3.在体温测量方面，粗略测量主要依靠电子测温枪测量，精确测量主要依靠测量水银温度计肛温，由于奶山羊的皮毛较厚同时羊毛为白色会反射大部分测量红外线，因此测量数据十分粗略，水银温度计测量虽然可以获取准确的温度，但是操作难度大人工操作手续复杂，同时在测量过程中会出现水银体温计碎裂的问题，存在很大的安全隐患；
4.在rfid测量方面，主要采用手持设备和大型rfid天线进行测量，手持设备需要人工操作，效率低下而大型rfid天线可以快速大规模的对耳标进行测量，但是只能规模性检测，不能将测量的rfid号对应奶山羊个体，对精细化大规模养殖作用较小；
5.在采集模块通讯的方面，主要采用有线的方式进行连接，由于传统的传感器数据量较少采集密度较低，而且在施工方面必须现场作业布线费时费力，同时也有部分近年来的模块采用无线通讯方式，模块安装后就可以直接使用，不需要复杂的布线，模块损坏后也只需要简单的替换或者维修模块即可，不需要维护布线，但是也存在无线设备较多后连接不稳定的问题。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种奶山羊数据采集的羊颈夹装置及方法，具有自动化水平高、稳定性强、灵活组配的特点。
7.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
8.一种奶山羊数据采集的羊颈夹装置，包括底部的镀锌方管a一1和顶部的镀锌方管a三11，镀锌方管a一1和镀锌方管a三11水平且平行设置，二者之间设置有若干竖直的镀锌方管b一2，所述镀锌方管b一2将镀锌方管a一1和镀锌方管a三11之间划分为多个采集区域，形成羊颈夹采集阵列，阵列中最左侧采集单元设置有天线外壳总装二24，其余采集单元相互之间设置天线外壳总装一23，所述镀锌方管a三11顶部设置有镀锌圆管c二7，所述镀锌圆管c二7上在每一个采集装置上方均设置有一个镀锌锁具19；所述天线外壳总装二24、天线外壳总装一23和门磁开关12共同构成采集系统，门磁开关12和天线外壳总装二24和天线外壳总装一23内的采集单元通过管内线缆进行连接，采集单元之间通过管内线缆进行连接，天线外壳总装二24和天线外壳总装一23上安装有通讯系统。
9.所述门磁开关12用来检测两个物体是否接触，由无线发射器和磁块两部分构成，两部分分开时发出开信号，反之则发出闭信号，门磁开关12状态转换检测奶山羊的饮食饮
水时长。
10.所述镀锌圆管c二7端部设置有配件镀锌d二9和镀锌圆管-挡片c三14，所述镀锌圆管-挡片c三14用于将镀锌圆管c二7固定在配件镀锌d二9之间，防止从两侧脱落。
11.所述采集单元包括电源电路板模块26、控制电路板模块27、天线保护盖板一28、天线保护盖板二29、采集模块外壳一30、rfid天线和门磁开关12；
12.所述天线保护盖板一28和采集模块外壳一30构成整体通过螺丝固定在羊颈夹采集阵列上，控制电路板模块27与rfid天线和门磁开关12相连，rfid天线位于天线保护盖板一28和天线保护盖板二29之间，门磁开关12获取羊颈夹的动作开关量，rfid天线通过奶山羊体内的植入式温度电子标签获取奶山羊的rfid号和奶山羊当前的体温，将电源电路板模块26和控制电路板模块27相隔离，不能在同一个基板上。
13.所述电源电路板模块26采用精密5vac-dc电源模块，控制电路板模块27基于stm32f103c8t6开发，天线保护盖板一28、天线保护盖板二29采用平面透明亚克力材料，采集模块外壳一30采用不锈钢材质成型，用于保护内部的电源电路板模块26、控制电路板模块27、天线保护盖板一28、天线保护盖板二29，并在中部开窗并下沉用以安装亚克力材质的天线保护盖板一28、天线保护盖板二29，保证rfid信号可以穿过外壳。
14.所述天线保护盖板一28内嵌在采集模块外壳一30中，并且天线保护盖板一28距采集模块外壳一30顶板的距离最佳距离为7cm，最近距离5cm，最远距离10cm。
15.所述采集区域包括镀锌方管b四8、镀锌圆管c一5、紧固件a一15、紧固件a一16、镀锌方管b二4、镀锌方管b五21、镀锌方管b三20、门磁开关支架13、六角螺栓18、镀锌方管a二3，所述镀锌方管b二4上方固定紧固件a一15，下方连接镀锌方管b三20，在中上部连接镀锌圆管c一5作为配重共同构成可活动杆，可活动杆在镀锌圆管c一5重力的作用下，所述镀锌方管a二3作为横梁右侧焊接至镀锌方管b五21，下侧焊接至镀锌方管b四8，同时左侧通过六角螺栓18连接并支撑活动杆，所述镀锌方管b五21下侧通过螺丝连接门磁开关支架13。
16.所述镀锌圆管c一5采用半圆角矩形圆角半径为8cm。
17.所述通讯系统结构包括设置在天线外壳总装二24内部的通讯节点、汇总节点以及设置在天线外壳总装一23内部的采集节点，通讯系统结构包括上方阵列和下方阵列，上方阵列为第一阵列，下方阵列为第二阵列，其中第一个阵列最左侧第一个数据采集单元为通讯节点，兼并采集节点和汇总节点的功能，第二阵列最左侧第一个数据采集单元为汇总节点，兼并采集节点的功能，其余第一阵列和第二阵列右侧多个数据采集单元为采集节点，采集节点通过线缆和汇总节点连接，汇总节点通过无线nora通讯协议与通讯节点。
18.所述通讯系统包括nora无线控制器、rs485有线控制器和总控制节点：通讯系统采用多级金字塔方式通讯，一个羊颈夹采集阵列需要配备一个通讯节点对所有的数据进行汇总，一个通讯节点通过nora通讯协议连接多个汇总节点，每个汇总节点通过rs485协议连接多个采集节点，采集节点和汇总节点使用比较稳定的有线连接，汇总节点和通讯节点使用无线的方式连接。
19.一种奶山羊数据采集的羊颈夹装置的运行方法，包括以下步骤；
20.系统初始化状态，采集节点和汇总节点会发送系统初始化信息给唯一的通讯节点，通讯节点会返回相关的配置文件给每个发送请求的节点；
21.时间初始化状态，需要周期性的对时间进行同步，采用每天同步的配置，但次配置
项可以按照实际条件和需求进行更改；
22.采集状态，此状态中所有的发送均为异步信息发送，只有下层节点发送信息给上层节点，上层节点不返回信息，采集节点每次采集完数据后，在满足两个连续消息间隔1分钟的条件下立即发送软件算法处理过后的数据；汇总节点在接收到数据后将数据载入缓存队列中，并不断从缓存数据中读取最前面的数据发送给通讯节点，完成整个采集流程。
23.所述采集状态下采集节点工作流程为：
24.1)奶山羊进入槽位，门磁开关12的电磁开关打开，记录当前的时间time1：
25.2)通过rfid天线每秒读取一次rfid信息和对应的温度信息记为rfid和temp；
26.3)奶山羊离开槽位，门磁开关12的电磁开关关闭，记录当前的时间点time2；
27.4)采集单元中的采集卡求出两个时间time1和time2的差timediff，如果timediff之间的差小于1s则放弃本次操作；
28.5)如果采集成功则记录温度的最高值，最低值和平均值记为temphigh，templow，tempmid；
29.6)通过在实验室中采集奶山羊每秒的饮食饮水量常数eatcount，drinkcount,获取采集单元中采集板上拨码开关的状态，记录对应的次数；
30.如果距上次采集时间大于一分钟，则将缓存队列中的所有数据发送给汇总节点；
31.反之，则将本次采集的信息deviceid，timi1，rfid，temphigh，templow,tempmid,devicetype(设备型号，分为1和0，表示饮食信息采集和饮水信息采集)信息；
32.7)如果满足上次发送的时间大于一分钟，则立即发送采集信息给采集阵列中的汇总节点，否则将采集信息存入队列中；
33.8)立即返回流程1；不断循环采集数据。
34.本发明的有益效果：
35.本发明完成了一套奶山羊智能信息采集系统，包括机械结构的设计和完整的通讯分级机制，填补了目前畜牧信息化采集设备的空白，整体系统可以直接接入智能分析平台，是智慧化养殖的数据采集落地项目，兼具创新性和实用性。
36.由于本发明巧妙的利用奶山羊的生活习性，同时使用特定的机械结构和采集模块，通过机械结构状态转移和门磁开关12的信号改变间接的测量奶山羊的进食和饮水行为。通过天线保护盖板一和天线保护盖板二之间的rfid天线以及与之连接控制电路板模块共同作用发射信号检测奶山羊体内的传感器的温度和rfid号。
37.本发明采用在读取rfid温度芯片的过程中对饮食饮水和健康信息进行检测，所采集的数据都可以通过rfid号和每只奶山羊对应起来，此外所采集的数据可以直接打包用于数据分析，相比手工测量录入分析更便捷。
38.由于本发明采用分级通讯结构，兼备了有线通讯的稳定性和无线通讯的模块化，相交有线通讯避免了复杂的走线和维护的复杂性，相交无线通讯保证了下层采集节点的稳定性而且增加了数据传输的冗余性。同时信息在每层都会进行计算和汇总将计算的压力分解给多个模块，因此也提高了整个系统的效率和利用率。
附图说明
39.图1为本发明的羊颈枷零件分布图。
40.图2为本发明数据采集模块结构图。
41.图3为本发明节点拓扑关系图。
42.图4为本发明节点通讯时序图。
43.图5为本发明采集节点流程图。
44.图6为本发明羊颈夹运动结构打开状态示意图。
45.图7为本发明羊颈夹运动结构关闭状态示意图。
46.图8为本发明采集节点爆炸图。
47.图9为本发明采集模块线路连接示意图。
48.图10为本发明天线盖板结构图。
49.图11为本发明多组羊颈枷阵列通讯节点示意图。
具体实施方式
50.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
51.如图1所示：总装结构包括以下部件：1、镀锌方管a一；2、镀锌方管b一；3、镀锌方管a二；4、镀锌方管b二；5、镀锌圆管c一；6、镀锌配件d一；7、镀锌圆管c二；8、镀锌方管b四；9、配件镀锌d二；10、配件镀锌d三；11、镀锌方管a三；12、门磁开关；13、门磁开关支架；14、镀锌圆管-挡片c三；15、紧固件a一；16、紧固件a二；17、橡胶保护套；18、六角螺栓；19、镀锌锁具d四；20、镀锌方管b三；21、镀锌方管b五；22、镀锌方管b六；23、天线外壳总装一；24、天线外壳总装二；25、配件镀锌d五；
52.如图1方式进行连接，组成羊颈夹采集阵列总长2976*66mm，含有8个采集节点。一个羊颈夹采集阵列中有一个采集节点兼顾汇总节点的功能,通常位于羊颈夹采集阵列如图1中最左侧的采集节点中，其余7个只具备为采集节点的功能。
53.单个采集装置包括图1中天线外壳总装一23、天线外壳总装二24内的采集单元和门磁开关，每个单位内的门磁开关12和采集单元通过管内线缆进行连接，8个采集单元也通过管内线缆进行连接。
54.具体的机械结构包括图1中的门磁采集开关量12、门磁开关支架13、天线外壳总装一23、天线外壳总装二24、镀锌方管a二3、镀锌圆管c一5、镀锌配件d一6、镀锌方管b二4、镀锌方管b三20、镀锌方管b五21、紧固件a一15、紧固件a二16、镀锌配件d一6组成。
55.天线外壳总装一23、天线外壳总装二24通过螺栓固定在镀锌方管b五21上，门磁开关支架13同样通过螺栓固定在镀锌方管b五21上。镀锌方管b二4、镀锌圆管c一5、紧固件a二16、镀锌方管a二3、门磁开关12、六角螺栓18共同构成可活动结构，围绕六角螺栓18进行旋转活动如图6和图7所示有两种运动状态。其余机械组件主要为机械支撑组件，8个机械采集组件被固定在镀锌方管a一1和镀锌方管a三11之间，上方镀锌圆管c二7、配件镀锌d四19、镀锌圆管-挡片c三14、配件镀锌d二9共同组成锁定结构对下方可活动的采集结构进行锁定和释放。
56.本技术中的颈夹是一种畜牧业中常用的机械结构，将牲畜的脖子固定在受限的区域内，固定脖子的同时牲畜可以自由吃食，使用完毕后也可以释放牲畜。颈夹可以使牲畜有秩序的分开就食避免抢食，可以保证牲畜的采食、挤奶，利于对牲畜进行常规体检、免疫、人工授精、妊娠检查、治疗、去角、产犊等兽医处理活动。使用颈夹可以有效的提高工作效率节
省养殖成本。本发明使用颈夹的主要原因是奶山羊在吃食过程中可以固定奶山羊的脖子，因此可以有效的检测奶山羊脖子内植入的植入式温度电子标签从而检测rfid号和体温，同时利用羊颈夹机械结构的状态改变记录奶山羊的吃食和饮水时长。
57.方管是一种空心方形的截面轻型薄壁钢管，也称为钢制冷弯型材，是一种标准化工业钢制管材，本发明机械结构中大量使用方管，使整体结构可以提供有效的结构强度同时价格便宜易于加工。
58.镀锌是指在铁或钢表面上铺上金属锌的防锈方法。本发明采用镀锌工艺可以有效防止钢材生锈，防止奶山羊舔食生锈钢材，延长使用寿命。
59.一个羊舍配备可以灵活配备多个羊颈夹采集阵列，多个阵列之间通过无线连接的方式进行数据交换。
60.如图2所示：数据采集单元结构位于图1羊颈夹采集阵列中天线外壳总装一23和天线外壳总装二24内。包括电源电路板模块1、控制电路板模块2、天线保护盖板一3、天线保护盖板二4、采集模块外壳一5；电源电路板模块1采用精密5vac-dc电源模块，控制电路板模块2采用自研模块，天线保护盖板一3、天线保护盖板二4采用平面透明亚克力材料，并在盖板中刻出天线槽位如图10。采集模块外壳一5采用不锈钢材质成型，用来保护内部的电源电路板模块1、控制电路板模块2、天线保护盖板一3、天线保护盖板二4，并在中部开窗并下沉外壳如图8用以安装亚克力材质的天线保护盖板一3、天线保护盖板二4，保证rfid信号可以穿过外壳。
61.数据采集主要由两块电路板，天线保护盖板一3和采集模块外壳一5构成，整体通过螺丝固定在羊颈夹采集阵列上。控制电路板模块2连接在两块保护盖板之间的rfid天线和门磁开关两个模块，具体连接方式如图9，rfid天线位于天线保护盖板一3和天线保护盖板二4之间。门磁开关12获取羊颈夹的动作开关量rfid天线获取奶山羊的rfid号和奶山羊当前的体温。由于rfid采集中对电流纹波的要求较高，因此必须将电源电路板模块1和控制电路板模块2相隔离，不能在同一个基板上容易产生电磁干扰。
62.rfid天线发射的电磁波不能穿透金属，因此保护盖板的材质必须为塑料制品，而且金属盖板的尺寸和天线的尺寸都必须严格的控制。但是塑料制品容易被奶山羊啃食，而且rfid电磁波容易被动物肉体吸收，因此保护盖板必须内嵌在采集模块外壳一5中，防止奶山羊误食产生生产安全隐患，天线保护盖板一3内嵌在采集模块外壳一5中，并且天线保护盖板一3距采集模块外壳一5顶板的距离最佳距离为7cm，最近距离5cm，最远距离10cm，本发明采取最佳距离7cm。
63.对于饮食饮水信息的获取，羊是一种非常规律的动物，在每一次饮食和饮水行为中都有一种定势，饮食过程中会规律性的触碰滑动杆，因而通过对传统的羊颈夹的改造，可以间接的达成采集数据的目的。通常奶山羊吃食的速度比较稳定，而且每次进入羊颈夹都是吃食或者饮水，可以在软件部分通过门磁开关12的开闭来间接的测量奶山羊的饮食饮水信息，这个部分通过软件算法进行设计。
64.如图3所示：通讯系统结构由nora无线控制器，rs485有线控制器和总控制节点构成：通讯系统采用多级金字塔方式通讯，一个羊舍需要配备一个通讯节点对所有的数据进行汇总，一个通讯节点可以通过nora通讯协议连接多个汇总节点，每个汇总节点通过rs485协议连接8个采集节点，整体的拓扑结构如图3。采集节点和汇总节点使用比较稳定的有线
连接，同时在工厂生产的过程中可以提前在方形钢管内布线，省去现场布线的麻烦。汇总节点和通讯节点使用无线的方式连接，可以避免远距离的走线和布线，同时由于汇总节点作为二级节点数量较少，不会因为无线网路连接数量过多而造成的断连的问题，同时汇总设备作为中间节点在通讯协议的设计中通过消息队列进行数据发送，就算出现了无线网络的意外事故造成网络断连，在网络恢复后也可以将缓存的消息继续发送给通讯节点，添加了一定的系统冗余性。
65.所述通讯系统结构包括通讯节点、汇总节点和采集节点，实际生产中采用多组阵列组合使用如图11，上方阵列为第一阵列，下方阵列为第二阵列，其中第一个阵列最左侧第一个数据采集单元为通讯节点，兼并采集节点和汇总节点的功能，第二阵列最左侧第一个数据采集单元为汇总节点，兼并采集节点的功能，其余第一阵列和第二阵列右侧7个数据采集单元为采集节点，采集节点通过线缆和汇总节点连接，汇总节点通过无线nora通讯协议与通讯节点，距离连接方式如图3。实际生产中可按需要增加若干个图11第二阵列用以增加测量点位。
66.如图4所示：本发明中的通讯系统在运行的过程中主要包括三种状态，系统初始化状态，时间同步状态和采集状态，三种状态之间的时序关系如图4：
67.系统初始化状态，采集节点和汇总节点会发送系统初始化信息给唯一的通讯节点，通讯节点会返回相关的配置文件给每个发送请求的节点。这样可以保证每次意外断电或程序意外出错，通讯节点都可以得到出错记录并重置配置信息，而且可以更方便的在通讯节点对采集汇总节点进行修改配备，而不需要对单个节点进行更改。
68.时间初始化状态，由于在本系统主要依靠时间测量对饮食饮水量继续间接测量，在采集节点的长时间运行过程中采集节点直接可能会出现时间上的误差，因此需要周期性的对时间进行同步，本发明采用每天同步的配置，但次配置项可以按照实际条件和需求进行更改，满足更高的时间要求。
69.采集状态，此状态中所有的发送均为异步信息发送，只有下层节点发送信息给上层节点，上层节点不返回信息。采集节点每次采集完数据后，在满足两个连续消息间隔1分钟的条件下立即发送软件算法处理过后的数据；汇总节点在接收到数据后将数据载入缓存队列中，并不断从缓存数据中读取最前面的数据发送给通讯节点，完成整个采集流程。
70.采集节点工作流程：
71.1)奶山羊进入槽位，电磁开关打开，记录当前的时间time1：
72.2)每秒读取一次rfid信息和对应的温度信息记为rfid和temp；
73.3)奶山羊离开槽位，电磁开关关闭，记录当前的时间点time2；
74.4)采集卡求出两个时间的差timediff，如果timediff之间的差小于1s则放弃本次操作；
75.5)如果采集成功则记录温度的最高值，最低值和平均值记为temphigh，templow，tempmid；
76.6)通过在实验室中采集奶山羊每秒的饮食饮水量常数eatcount，drinkcount,获取采集板上拨码开关的状态，记录对应的次数。
77.如果距上次采集时间大于一分钟，则将缓存队列中的所有数据发送给汇总节点。
78.反之，则将本次采集的信息deviceid，timi1，rfid，temphigh，templow,tempmid,
devicetype(设备型号，分为1和0，表示饮食信息采集和饮水信息采集)信息；
79.7)如果满足上次发送的时间大于一分钟，则立即发送采集信息，否则将采集信息存入队列中；
80.8)立即返回流程1；对应的流程如图5。
81.动作关系说明：
82.羊颈夹的初始状态如图7所示，受重力影响运动结构会使门磁开关12接触在一起达到闭合的状态，在奶山羊吃食的过程中会用脖子压住运动结构是的门磁开关分离达到打开的状态如图6，奶山羊进入吃食状态后，脖子正好可以在采集模块侧方，正好可以测量传感器数据。