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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201620855284.7 (22)申请日 2016.08.08 (73)专利权人 南京信息工程大学 地址 210044 江苏省南京市宁六路219号 (72)发明人 陈金立 陈宣 安徐林 (74)专利代理机构 南京纵横知识产权代理有限 公司 32224 代理人 董建林 (51)Int.Cl. A01K 29/00(2006.01) (54)实用新型名称 一种基于RFID和ZigBee技术的猪只行为自 动监控系统 (57)摘要 本实用新型公开一种基于RFID和ZigBee技 术的。
2、猪只行为自动监控系统， 包括监控终端以及 多个分别对应各猪舍的监控节点， 各监控节点分 别通过ZigBee网络节点通信模块与监控终端连 接通信； 各监控节点分别包括安装于各猪只身上 且携有相应猪只身份数据的IC电子标签， 以及安 装于猪舍内不同位置的多个RFID射频识别模块； RFID射频识别模块采集IC电子标签的猪只身份 数据； 各监控节点的猪舍内RFID射频识别模块分 别对应连接一个ZigBee终端节点单元， 各ZigBee 终端节点单元分别通过ZigBee节点网络连接 ZigBee协调器单元， 进而通过ZigBee协调器单元 将数据传输至监控终端中。 本实用新型可对养猪 场进行全天候和全。
3、方位的实时监控， 并且当猪只 有异常情况时能够及时获知。 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 CN 205946872 U 2017.02.15 CN 205946872 U 1.一种基于RFID和ZigBee技术的猪只行为自动监控系统， 其特征是， 包括监控终端以 及多个分别对应各猪舍的监控节点， 各监控节点分别通过ZigBee网络节点通信模块与监控 终端连接通信； 监控终端包括主控计算机和用于显示各监控节点数据的显示模块； 各监控节点分别包括安装于各猪只身上且携有相应猪只身份数据的IC电子标签， 以及 安装于猪舍内不同位置的多个RFID射频识别模块； RFID射频识别模块采集IC电子标签。
4、的猪 只身份数据； ZigBee网络节点通信模块包括ZigBee协调器单元和多个ZigBee终端节点单元； ZigBee 协调器单元和ZigBee终端节点单元皆分别包括单片机和无线通信电路， 多个ZigBee终端节 点单元与ZigBee协调器单元之间通过上述无线通信电路连接形成ZigBee节点网络， 其中 ZigBee协调器单元与监控终端连接通信； 各监控节点的猪舍内多个RFID射频识别模块对应连接一个ZigBee终端节点单元， 各 ZigBee终端节点单元分别通过ZigBee节点网络连接ZigBee协调器单元， 进而通过ZigBee协 调器单元将数据传输至监控终端中。 2.根据权利要求1所述。
5、的基于RFID和ZigBee技术的猪只行为自动监控系统， 其特征是， 监控终端还包括报警模块， 主控计算机控制报警模块输出报警信号。 3.根据权利要求1所述的基于RFID和ZigBee技术的猪只行为自动监控系统， 其特征是， ZigBee网络节点通信模块还包括用于指示RFID射频识别模块与ZigBee终端节点单元连接 状态， 以及ZigBee终端节点单元接入ZigBee节点网络状态的指示灯电路。 4.根据权利要求1所述的基于RFID和ZigBee技术的猪只行为自动监控系统， 其特征是， 还包括电源模块， 电源模块包括5V电压源和降压电路， 降压电路包括ASM1117-3.3V稳压芯 片， 5V。
6、电压源经降压电路输出3.3V电压， 为RFID射频识别模块、 ZigBee终端节点单元和 ZigBee协调器单元供电。 5.根据权利要求4所述的基于RFID和ZigBee技术的猪只行为自动监控系统， 其特征是， ASM1117-3.3V稳压芯片的Vin输入端和Vout输出端， 与接地端之间分别连接有陶瓷电容。 6.根据权利要求1至5任一项所述的基于RFID和ZigBee技术的猪只行为自动监控系统， 其特征是， RFID射频识别模块采用型号为MF RC522电子标签阅读器芯片， RFID射频识别模 块与ZigBee终端节点单元之间采用SPI串口通信方式连接通信。 7.根据权利要求1至5任一项所述。
7、的基于RFID和ZigBee技术的猪只行为自动监控系统， 其特征是， ZigBee终端节点单元和ZigBee协调器单元采用型号为CC2530的ZigBee芯片。 8.根据权利要求1至5任一项所述的基于RFID和ZigBee技术的猪只行为自动监控系统， 其特征是， ZigBee协调器单元与监控终端之间通过串口转USB接口电路连接通信； 串口转 USB接口电路包括连接在芯片CC2530通信接口与USB接口之间的转换芯片CH340。 权 利 要 求 书 1/1 页 2 CN 205946872 U 2 一种基于RFID和ZigBee技术的猪只行为自动监控系统 技术领域 0001 本实用新型涉及无线通。
8、信自动化监控领域， 特别涉及一种基于RFID和ZigBee技术 的猪只行为自动监控系统。 背景技术 0002 我国是一个有着悠久历史的农业文明国家， 传统的畜牧业在国民经济中占有一定 的地位。 随着科学信息技术的高速发展， 各行各业都在往信息化、 自动化生产经营模式方向 转变。 我国的现代养殖业也正处于发展阶段， 但主要还是依赖着人工的管理方式， 如对生猪 进行人工的观测和饲养。 然而现在人们的生活品质要求越来越高， 对于优质的生猪肉的需 求量越来越大。 面对如此大的社会需求， 如果采用人工观测的传统模式， 养殖场需要大量人 力物力的投资， 并且人工观测的时效性不高， 容易错过生猪患病时的治疗。
9、最佳时机。 此外， 随着生产经营规模的扩大， 走向集约化、 密集型、 高效型的现代养殖场道路需要先进的管理 模式。 针对这些问题， 在现代养猪场中应用自动化监测系统是市场化经济发展的迫切需要。 0003 目前， 国内大型养殖场对生猪在养殖过程中的猪只行为监测主要还是依赖管理者 的人工巡查。 由于养殖场环境比较恶劣， 特别是夏天的时候， 气味比较大， 人工观测就不会 有那么频繁。 然而， 当猪只处在恶劣的环境中时， 往往会显得急躁不安， 甚至会感染一些疾 病。 由于人工观测的精力有限， 无法对养殖场内的所有生猪进行二十四小时的密切监测， 因 此无法及时发现行为异常的猪只， 致使养殖场产生一些无可。
10、挽回的损失。 如果养殖场内的 猪只出现异常行为而未被工作人员及时发现， 会对生猪的生长、 猪肉品质的好坏以及出栏 率都产生极大的影响， 不符合现代养殖业的科学管理理念。 0004 也有采用图像采集和超声波定位等方法在养殖业中监控猪只的异常行为的。 基于 图像采集的猪只行为监控系统是在猪舍周边安装嵌入式监控设备， 利用猪只排泄行为的监 控图像， 来判断猪只是否处于异常状态， 然而， 这种图像监控的方法对光学视线的强弱依赖 性较大， 晚间养猪场光强不高的情况下， 该方法无法清晰地观测到猪只的行为， 从而影响工 作人员对猪只行为的判断。 基于超声波技术的猪只行为监控系统是在发射单元与接收单元 之间通。
11、过记录超声波发送和接收的时间差来定位和跟踪猪只， 然后根据猪只的行为轨迹来 判断猪只是否处于异常状态。 由于大型养殖场的猪舍内有数量较多的猪只， 它们的位置一 般靠的比较近， 因此利用超声波定位时无法分辨位置上比较靠近的猪只， 从而影响每个猪 只运动数据的正确采集， 而且该系统还需要对采集数据进行庞大的处理和分析工作， 并不 适合应用于养猪场。 此外， 在养殖场内用于远距离传输采集数据的线路容易被潮湿腐蚀性 环境所破坏， 从而影响猪只行为采集数据的稳定传输。 实用新型内容 0005 本实用新型要解决的技术问题为： 基于RFID和ZigBee技术设计一种猪只行为自动 化监控系统， 以能够对养猪场。
12、进行全天候和全方位的实时无线监控， 并且当猪只有异常情 况时能够及时报警。 说 明 书 1/5 页 3 CN 205946872 U 3 0006 本实用新型采取的技术方案具体为： 一种基于RFID和ZigBee技术的猪只行为自动 监控系统， 包括监控终端以及多个分别对应各猪舍的监控节点， 各监控节点分别通过 ZigBee网络节点通信模块与监控终端连接通信； 0007 监控终端包括主控计算机和用于显示各监控节点数据的显示模块； 0008 各监控节点分别包括安装于各猪只身上且携有相应猪只身份数据的IC电子标签， 以及安装于猪舍内不同位置的多个RFID射频识别模块； RFID射频识别模块采集IC电。
13、子标签 的猪只身份数据； 0009 ZigBee网络节点通信模块包括ZigBee协调器单元和多个ZigBee终端节点单元； ZigBee协调器单元和ZigBee终端节点单元皆分别包括单片机和无线通信电路， 多个ZigBee 终端节点单元与ZigBee协调器单元之间通过上述无线通信电路连接形成ZigBee节点网络， 其中ZigBee协调器单元与监控终端连接通信； 0010 各监控节点的猪舍内多个RFID射频识别模块对应连接一个ZigBee终端节点单元， 各ZigBee终端节点单元分别通过ZigBee节点网络连接ZigBee协调器单元， 进而通过ZigBee 协调器单元将数据传输至监控终端中。 0。
14、011 本实用新型中， 不同猪只身上的IC电子标签记录了相应猪只的身份信息数据， 在 应用时， RFID射频识别模块可安装于猪舍内多个部位， 如四周墙体上。 当携带有IC电子标签 的猪只出现异常行为， 如向猪舍墙壁进行频繁顶撞或磨蹭等行为， 此时安装于墙壁上的 RFID射频识别模块即可采集到相应猪只所携带的IC电子标签中的标签数据， 并将采集到的 数据经ZigBee网络传输至监控终端。 系统可通过采集到的IC电子标签数据获取相应的猪只 身份信息， 以判断并确认出现异常行为的猪只个体， 同时可以根据采集到上述信息的RFID 射频识别模块的安装位置， 获取各猪舍内的总体情况， 从而及时采取相应措施。
15、。 0012 进一步的， 本实用新型中， 监控终端还包括报警模块， 主控计算机控制报警模块输 出报警信号。 报警模块可采用现有的声光报警模块， 当某节点猪舍内出现猪只异常行为时， 监控终端主控计算机收到相关数据， 即可控制报警模块进行报警， 以警示工作人员。 0013 更进一步的， 本实用新型还包括电源模块， 电源模块包括5V电压源和降压电路， 降 压电路包括ASM1117-3.3V稳压芯片， 5V电压源经降压电路输出3.3V电压， 为RFID射频识别 模块、 ZigBee终端节点单元和ZigBee协调器单元供电。 优选的， ASM1117-3.3V稳压芯片的 Vin输入端和Vout输出端， 。
16、与接地端之间分别连接有陶瓷电容， 用于滤除电源和地之间的额 干扰信号。 0014 优选的， 本实用新型中， RFID射频识别模块采用型号为MF RC522电子标签阅读器 芯片， RFID射频识别模块与ZigBee终端节点单元之间采用SPI串口通信方式连接通信。 电子 标签阅读器用来采集猪只的行为数据并将采集到的数据通过串口传递给ZigBee终端节点 单元。 MF RC522芯片采用双向数据传递的方式， 支持3种通信方式， 分别是SPI （Serial Peripheral Interface） 、 串行UART （Universal Asynchronous Receiver Transmit。
17、ter） 和 I2C （Inter-Integrated Circuit） 等。 SPI传递数据速率为10Mbit/s， 而UART和I2C传递速率 分别为1228.8kbit/s和3400kbit/s， 因此， 在本实用新型采用SPI的串口通信方式实现RFID 模块和ZigBee终端节点单元的数据交换， 可满足养殖场内大量猪只的行为采集数据的快速 传输要求。 0015 优选的， 本实用新型中， ZigBee终端节点单元和ZigBee协调器单元采用型号为 说 明 书 2/5 页 4 CN 205946872 U 4 CC2530的ZigBee芯片。 此芯片为德州仪器公司开发， 具有无线通信功能。
18、， 其内集成的C51单 片机作为数据分析和处理的核心， 控制着ZigBee网络节点的数据接收和传送， ZigBee网络 节点模块之间的通信协议遵循IEEE 802.11.5标准， 通过ZigBee网络拓扑结构实现节点之 间的数据传递。 0016 优选的， 本实用新型中ZigBee网络节点通信模块还包括用于指示RFID射频识别模 块与ZigBee终端节点单元连接状态， 以及ZigBee终端节点单元接入ZigBee节点网络状态的 指示灯电路。 不同功能的指示灯电路通过CC2530的不同引脚接入， 进而实现相应功能。 0017 优选的， 本实用新型中， ZigBee协调器单元与监控终端之间通过串口转。
19、USB接口电 路连接通信； 串口转USB接口电路包括连接在芯片CC2530通信接口与USB接口之间的转换芯 片CH340。 0018 本实用新型的有益效果为： 采用了RFID无线射频模块作为猪只异常行为数据的采 集端， 其结构简单， 无须直接接触、 无须光学可视、 无须人工干预即可完成信息输入和处理， 操作方便快捷， 可实时可靠的采集猪只行为数据。 ZigBee网络通信模块作为该监控系统的 信息传递媒介， 将养猪场内各个猪舍周边的RFID射频识别模块纳入其无线通信网络， 能有 效传输RFID射频识别模块所采集到的猪只行为数据， 实现养殖场的全面监控覆盖， 有利于 促进养猪场的科学高效管理模式，。
20、 而无线传递的方式摆脱了传统有线布局的繁琐， 避免了 因线路腐蚀而造成数据传递不稳定的情况。 在运行维护费用方面， 由于采用ZigBee组网的 自动化监控系统取代了传统的人工观测， 因此省去了大量的人力物力等费用。 附图说明 0019 图1所示为本实用新型系统结构示意框图； 0020 图2所示为5V电源电路示意图； 0021 图3所示为3.3V电源电路示意图； 0022 图4所示为RFID射频识别模块的接口电路示意图； 0023 图5所示为ZigBee网络节点通信模块电路示意图； 0024 图6所示为串口转USB电路示意图； 0025 图7所示为电脑显示终端模块示意图。 具体实施方式 0026。
21、 以下结合附图和具体实施例进一步描述。 0027 参考图1所示， 本实用新型基于RFID和ZigBee技术的猪只行为自动监控系统， 包括 监控终端1以及多个分别对应各猪舍的监控节点2， 各监控节点2分别通过ZigBee网络节点 通信模块3与监控终端1连接通信； 0028 监控终端1包括主控计算机和用于显示各监控节点数据的显示模块； 0029 各监控节点2分别包括安装于各猪只身上且携有相应猪只身份数据的IC电子标 签， 以及安装于猪舍内不同位置的多个RFID射频识别模块； RFID射频识别模块采集IC电子 标签的猪只身份数据； 0030 ZigBee网络节点通信模块2包括ZigBee协调器单元3。
22、2和多个ZigBee终端节点单元 31； ZigBee协调器单元32和ZigBee终端节点单元31皆分别包括单片机和无线通信电路， 多 说 明 书 3/5 页 5 CN 205946872 U 5 个ZigBee终端节点单元31与ZigBee协调器单元32之间通过无线通信电路连接形成ZigBee 节点网络， 其中ZigBee协调器单元32与监控终端1连接通信； 0031 各监控节点的猪舍内RFID射频识别模块对应连接一个ZigBee终端节点单元， 各 ZigBee终端节点单元分别通过ZigBee节点网络连接ZigBee协调器单元， 进而通过ZigBee协 调器单元将数据传输至监控终端中。 00。
23、32 本实用新型中， 不同猪只身上的IC电子标签记录了相应猪只的身份信息数据， 在 应用时， RFID射频识别模块可安装于猪舍内多个部位， 如四周墙体上。 当携带有IC电子标签 的猪只出现异常行为， 如向猪舍墙壁进行频繁顶撞或磨蹭等行为， 此时安装于墙壁上的 RFID射频识别模块即可采集到相应猪只所携带的IC电子标签中的标签数据， 并将采集到的 数据经ZigBee网络传输至监控终端。 系统可通过采集到的IC电子标签数据获取相应的猪只 身份信息， 以判断并确认出现异常行为的猪只个体， 同时可以根据采集到上述信息的RFID 射频识别模块的安装位置， 获取各猪舍内的总体情况， 从而及时采取相应措施。。
24、 实施例 0033 结合图1至图7， 以下分模块具体介绍： 0034 （1） 电源电路： 该猪只行为自动化监控系统电源电路包括5V电源和3.3V电源电路。 5V电源电路如图2所示， 其中P1电源接口的1,3管脚分别接地， 2管脚串联一个C2 （4.7uF)的 电容接地， 用来滤除电源的干扰信号， 并输出稳定的5V直流电源。 3.3V电源电路是为了满足 系统中ZigBee模块CC2530芯片和RFID射频识别模块的正常工作电压需求， 需要对5V的电压 进行降压处理。 图3为3.3V电源电路图， 其中降压电路采用ASM1117-3.3V稳压芯片， 在输入 端3管脚Vin接入5V的电源， 2管脚Vo。
25、ut输出3.3V电压； 1管脚接地； 2,3管脚都接入了C16和 C17的陶瓷电容， 起到了滤除电源和地之间干扰信号的作用。 0035 （2） RFID射频识别模块电路： RFID射频识别模块主要有电子标签和阅读器组成， 本 实用新型采用近距离识别的芯片MF RC522， 其功能是采集猪只的行为数据并将采集的数据 通过串口传递给ZigBee终端节点。 MF RC522芯片采用双向数据传递的方式， 支持3种通信方 式， 分别是SPI （Serial Peripheral Interface） 、 串行UART （Universal Asynchronous Receiver Transmitte。
26、r） 和I2C （Inter-Integrated Circuit） 等。 SPI传递数据速率为 10Mbit/s， 而UART和I2C传递速率分别为1228.8kbit/s和3400kbit/s， 因此， 在本实用新型 采用SPI的串口通信方式实现RFID模块和ZigBee网络节点终端的数据交换， 用于满足养殖 场内大量猪只的行为采集数据的快速传输要求。 0036 图4为RFID射频识别模块的接口电路图。 RFID射频识别模块的MFMOSI和MFMISO管 脚分别和ZigBee集成芯片CC2530的P1_2和P0_4相连接， 与CC2530芯片内置的单片机进行数 据交换； MFSDA与CC2。
27、530的P1_7/MFSDA引脚相连接， 是芯片的中断请求输出， 实现MFRC522向 CC2530内置的单片机发送中断请求； MFSCK与CC2530芯片P0_1口连接， 接收ZigBee的时钟信 号实现同步数据的接收； MFRESET与CC2530芯片P0_5连接， 实现复位电路的功能； VCC连接 3.3V的电源， 旁边接一个旁路电容C28 （104） 起到了滤波作用。 0037 （3） ZigBee网络节点通信模块电路： ZigBee网络节点通信模块电路包括ZigBee终 端节点模块电路和ZigBee协调器模块电路。 ZigBee终端节点模块与RFID射频识别模块相连 来传递猪只行为的。
28、采集数据， 而ZigBee协调器模块通过USB与电脑相连， 负责将采集数据传 说 明 书 4/5 页 6 CN 205946872 U 6 输给电脑。 由于ZigBee网络节点通信模块电路和ZigBee终端节点模块电路都可以采用相同 形式的ZigBee模块电路， 因此为了表述方便， 两者使用同一张电路图进行说明， 并将该电路 图称为ZigBee网络节点通信模块电路。 该电路主要由集成C51单片机的CC2530芯片， 电源电 路， 天线电路， 晶振电路和指示灯电路组成， 如图5所示。 CC2530芯片一共有3组I/O口； 电源 电路由6个AVDD模拟信号接口、 2个DVDD数字信号接口和一系列的。
29、电容电感电路组成， 采用 了3.3V的电压供芯片工作， 确保CC2530正常工作； 天线电路由天线SMA接口电路和电容电感 组成的电路， 与CC2530芯片的25 RF_P和26 RF_N引脚相连， 实现ZigBee节点之间的无线通 信； CC2530正常工作时还需要两个不同的频率晶振驱动， 分别为32MHz的X1晶振和 32.768KHz的X2晶振， 其中32MHz晶振分别与CC2530的22管脚 XOSC_Q1和23管脚XOSC_Q2连 接， 这是当天线发射和接收时所需的频率； 而32.768KHz晶振分别与33管脚P2_3和32管脚 P2_4连接， 为芯片的系统时钟； 指示灯电路是用来指。
30、示RFID射频识别模块和ZigBee是否数 据连接成功和ZigBee芯片是否成功加入ZigBee网络， 其中CC2530的P1_1引脚串联一个LED1 和R1 （1K） 电阻与地连接， 当RFID射频模块与ZigBee通信模块连接时， P1_1输出高电平， LED1 灯亮表示数据连接成功； CC2530的P1_4引脚串联一个LED2和R2 （1K） 电阻与地相连， 当 ZigBee成功加入网络时， P1_4引脚输出高电平驱动LED2亮， 表明组网成功； 3.3V电源接口串 联R3 （1K） 和LED3和地相连， 指示3.3V电源是否正常供电， 当灯亮时表示电源正常供电。 0038 （4） 串口。
31、转USB电路： 为了便于ZigBee协调器将接收到的数据传输给电脑， 本实用 新型采用了一个串口转USB的电路， 该电路使用了CH340芯片， 可以将串口数据直接转成USB 数据， 从而能实现与电脑显示终端模块进行数据传递。 图6为串口转USB电路， CH340芯片的 5,6管脚接受来自USB-232串口的CH340 D+和CH340 D-信号， 保证CH340芯片正常的数据转 换功能， 其中USB232串口由USB输出的5V_USB电源供电。 CH340芯片7,8管脚连接一个时钟电 路， 由12M晶振和电容C19和C20电容构成， 是该芯片的驱动电路的系统时钟； 2,3管脚连接 CC2530。
32、的P0_3/TX和P0_2/RX接口， 实现数据的收发； 16管脚接3.3V电源供电， 旁边加上一个 旁路电容C4 （104） ， 起到滤除电源和地之间干扰信号的作用。 0039 （5） 电脑显示终端模块： ZigBee协调器模块将采集的猪只行为信息通过串口转USB 电路传递给电脑， 电脑显示终端可以对采集的猪只行为数据进行直观显示分析， 可以利用 VB语言编写一个上位机界面， 如图7所示， 其中图7中只显示了4个猪舍的监控， 在实际使用 时可以扩展成更多猪舍的监控。 电脑显示终端对特定猪舍的电子编码进行读取匹配， 根据 接收的数据， 判断出几号猪舍发生异常行为情况， 同时电脑发出报警声， 提。
33、醒工作人员及时 查看相应的猪舍， 这样能够更加准确高效地监控养殖场的猪只。 0040 以上所述仅是本实用新型的优选实施方式， 应当指出， 对于本技术领域的普通技 术人员来说， 在不脱离本实用新型技术原理的前提下， 还可以做出若干改进和变形， 这些改 进和变形也应视为本实用新型的保护范围。 说 明 书 5/5 页 7 CN 205946872 U 7 图1 图2 说 明 书 附 图 1/4 页 8 CN 205946872 U 8 图3 图4 说 明 书 附 图 2/4 页 9 CN 205946872 U 9 图5 说 明 书 附 图 3/4 页 10 CN 205946872 U 10 图6 图7 说 明 书 附 图 4/4 页 11 CN 205946872 U 11 。