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摘要：饮水行为与猪的健康、福利息息相关，饮水量不足会引起生长猪采食量减少、减弱其生长性能、造成抵抗力下降。本文采用液体涡轮流量计和RFID射频技术实现群养生长猪个体识别和饮水量数据采集，通过Bluetooth Specification V4.0 BLE协议实现猪舍内蓝牙通信，及网关与服务器间的GPRS/3G通信，设计上位机软件提供数据解析计算饮水量并将数据传输给数据库服务器，基于B/S的饮水管理系统实现猪基本信息维护和仔猪饮水行为管理，对猪生长状况、饮水情况的数据记录和汇总，有助于及时发现饮水异常猪。
关键词：蓝牙 基本信息维护 饮水量计算 汇总
引言
猪的行为与猪的健康、品质息息相关，对猪行为的研究受到畜牧和信息技术专家的高度重视，并开展了相关的研究。其中，猪采食行为的自动化监测研究水平最高，出现了针对群养母猪的自动饲喂系统ESF和生长在限位栏下母猪的饲喂系统，两者都需要在每头猪耳部打上RFID耳标，通过RFID读写器读取电子标识，自动识别出猪个体，并根据猪的品种、猪龄和已采食量等信息，计算每次投饲的营养配比及投放量。饮水行为作为猪行为的重要组成部分，同样影响猪的健康状况，尤其是处于生长期的仔猪，饮水量不足会引起采食量减少、减弱生长性能、造成抵抗力下降，且易感染其他疾病。
饮水量的监测中通常采用液体涡轮流量计，猪个体识别则采用RFID耳标和RFID阅读器。
本文采用液体涡轮流量计和RFID射频技术实现群养生长猪个体识别和饮水量数据采集，并通过无线通信技术实现猪舍内蓝牙通信，及网关与服务器间的GPRS/3G通信。设计上位机软件提供数据解析并将数据传输给数据库服务器，基于B/S的饮水管理系统实现生长猪基本信息维护和饮水行为管理，实现对猪生长状况、饮水情况的数据记录和汇总，及时发现饮水异常猪个体。
1 系统设计
生长猪饮水管理系统主要由饮水数据采集硬件系统、数据传输及管理软件三部分构成，如图l所示。
硬件系统包括饮水数据采集节点、蓝牙网关；数据传输主要采用猪舍内部蓝牙无线传输，猪舍网关与服务器之间无线/有线数据传输；管理软件由上位机解析软件，数据库和网站组成。
1.1 硬件系统设计
1.1.1 饮水采集节点硬件设计
饮水数据采集节点由数据采集模块和数据传输模块构成，如图2所示。流量选择DN15型涡轮式流量计。通过旋转的涡轮叶片切割磁力线，从而周期性的改变线圈的磁通量，使线圈两端形成电脉冲信号，即流量计电脉冲信号水流数据，RFID阅读器读取30cm内的猪耳标信息。通过信号调理电路将水流数据和猪耳标信息发送给数据传输模块；选择配对的蓝牙从模块（模块HM-10）负责数据发送，支持Bluetooth SpocificationV4.0 BLE协议，传输发送频率10Hz，配防水盒和天线以保证传输模块猪舍环境下的正常工作。
1.1.2 蓝牙网关节点设计
如图3所示，蓝牙网关作为一个猪舍内无线网络的调度和控制核心，负责实现猪舍内部无线网络间通信及Internet接入，采用跳频收发机制工作在2.45GHz ISM频段，数据速率为1MB/s，蓝牙主模块与其配对从模块实现一对一数据传输。微控制器控制蓝牙设备的连接和通信，加载TCP/IP协议栈和以太网控制器驱动程序，实现网关与采集节点、远程服务器间数据交互。
1.2 传输协议
在蓝牙网关中，每一个蓝牙从模块都与一个蓝牙网关中的主模块对应，并与一个TCP端口绑定，这样保证蓝牙网关的IP地址和端口可唯一地标识一个蓝牙设备。蓝牙协议栈由三层组成，包括底层蓝牙协议层（无线跳频、基带、链路管理）、中间协议层（逻辑链路控制和适应协议、服务发现协议）及高层应用规范。蓝牙设备与蓝牙网关连接过程如下：
（1）蓝牙设备查找射频范围内提供的蓝牙网关；
（2）在蓝牙设备和蓝牙网关间建立基带物理连接；
（3）为蓝牙设备提供一个IP地址，通过PPP承载IP协议访问。
1.3 软件设计
1.3.1 上位机软件
上位机软件自定义类SerialReader继承串口监听器类SerialPortEventListener，实现串口读取操作，接收硬件系统发送的“耳标 电流信号”，依据水流速率与电流值成正比，当I=20mA时，水流速度为v=700mL·min-1，则计算饮水管中瞬时水流速率v为
统计单次饮水量V为
式（2）中，t-单次饮水时长；将“仔猪耳标号 饮水时长 饮水量”作为单次饮水记录存人数据库的饮水表中。
1.3.2 管理软件
利用JSP mysoL开发Web程序，实现对养殖场内生长猪基础数据管理及饮水管理。
1.3.2.1 基础数据管理
（1）基本信息：包括耳标号、剪耳标号、父耳标号、母耳标号、出生日期、品种、性别、配种/胎次、最近一次配种/分娩时间、最近一次免疫时间。猪耳标号作为猪的唯一标识，根据农业部的相关规定采用l5位编码RFID射频标签，固定在猪耳部；剪耳标号是猪场内部编号，通常在仔猪出生后24h内剪耳缺，可有效减少应激。
（2）种母猪分娩：包括耳标号、胎次、发情时间、怀孕时间、分娩时间、产仔数。以耳标号和胎次为关键字，母猪怀孕与分娩的标准时间间隔为llOd，若发现间隔时间超过115d，饲养员需对母猪仔细观察以防止其难产；产仔数量与猪品种相关，通常外来猪种的产仔数量较低，平均在11头左右，地方猪种为18头左右，有的甚至达到20头以上，则数据类型设置为2位整形数值类型。
（3）种公猪配种：包括耳标号、配种时间、配种母猪耳标信息。 （4）免疫记录：包括耳标号、接种时间、疫苗种类及备注信息。在备注中，注释对疫苗接种的时间要求。
1.3.2.2 饮水管理
（1）饮水数据信息：耳标号、开始时间、持续时间（单位：s）、流量（单位：mL）。根据4.1节计算的饮水记录作为一次饮水信息存储在饮水数据信息表中，若同一头生长猪两次饮水时间间隔 大型养殖场，养殖仔猪规模大，每头猪饮水数据量大，因此饮水数据信息表仅存储24小时内的饮水数据，截止每日24：00对数据进行一次数据融合处理，汇总每头猪近24小时内每2h的饮水量。
（2）近24小时饮水数据：耳标号、日期、时间段、饮水量信息。每个耳标号最多存储12条记录，分别对应0：00-2：00，2：00-4：00，……，22：0024：00各时段内饮水量。
（3）每日饮水数据：耳标号，日期，饮水量信息。从第3日24：00将24小时饮水记录进行一次数据融合，汇总成一天的饮水记录。
（4）近1个月饮水统计：同理在每个月5日24：00进行上个月的饮水数据汇总操作。
2 监测及分析
2.1 数据实时监测
以春雷种猪场的生长猪舍为试验地点，涡轮流量计符合工业标准具有防水防腐涂层，蓝牙网关节点配以防水盒，放置在猪舍中间较高位置，蓝牙网关与远程服务器之间通过RS-485总线连接。远程服务器接收的水流速监测界面如图4所示。
2.2 试验结果与分析
基本信息管理利用耳标号查询每头猪的详细信息，如图5所示。图6为群养生长猪每日24小时内的饮水曲线图，曲线中生长猪的饮水呈现相对规则变化，其中每日8：00-10：00和14：00-16：00分别对应着饮水量的峰值，且14：00-16：00为饮水量最多的时间段，主要对应着生长猪的两个采食时间段，则猪的饮水量与采食正相关，而12：00-14：00时段是双峰值间的波谷，是猪上午采食后的休息时段，猪白天饮水量的最小值，自24：00次日4：00生长猪休息，几乎不饮水。
3 结论
（1）利用液体涡轮流量计和RFID射频技术实现群养生长猪饮水数据采集，通过Bluetooth协议实现猪舍内数据采集节点与蓝牙网关的无线通信，GPRS/3G实现网关与服务器间的通信；
（2）上位机软件提供数据解析功能计算生长猪的单次饮水量，将其传输给数据库；
（3）基于B/S的饮水管理系统实现仔猪基本信息维护和饮水行为管理，对生长状况、饮水数据进行汇总，并以图形方式显示。
关键词：蓝牙 基本信息维护 饮水量计算 汇总
引言
猪的行为与猪的健康、品质息息相关，对猪行为的研究受到畜牧和信息技术专家的高度重视，并开展了相关的研究。其中，猪采食行为的自动化监测研究水平最高，出现了针对群养母猪的自动饲喂系统ESF和生长在限位栏下母猪的饲喂系统，两者都需要在每头猪耳部打上RFID耳标，通过RFID读写器读取电子标识，自动识别出猪个体，并根据猪的品种、猪龄和已采食量等信息，计算每次投饲的营养配比及投放量。饮水行为作为猪行为的重要组成部分，同样影响猪的健康状况，尤其是处于生长期的仔猪，饮水量不足会引起采食量减少、减弱生长性能、造成抵抗力下降，且易感染其他疾病。
饮水量的监测中通常采用液体涡轮流量计，猪个体识别则采用RFID耳标和RFID阅读器。
本文采用液体涡轮流量计和RFID射频技术实现群养生长猪个体识别和饮水量数据采集，并通过无线通信技术实现猪舍内蓝牙通信，及网关与服务器间的GPRS/3G通信。设计上位机软件提供数据解析并将数据传输给数据库服务器，基于B/S的饮水管理系统实现生长猪基本信息维护和饮水行为管理，实现对猪生长状况、饮水情况的数据记录和汇总，及时发现饮水异常猪个体。
1 系统设计
生长猪饮水管理系统主要由饮水数据采集硬件系统、数据传输及管理软件三部分构成，如图l所示。
硬件系统包括饮水数据采集节点、蓝牙网关；数据传输主要采用猪舍内部蓝牙无线传输，猪舍网关与服务器之间无线/有线数据传输；管理软件由上位机解析软件，数据库和网站组成。
1.1 硬件系统设计
1.1.1 饮水采集节点硬件设计
饮水数据采集节点由数据采集模块和数据传输模块构成，如图2所示。流量选择DN15型涡轮式流量计。通过旋转的涡轮叶片切割磁力线，从而周期性的改变线圈的磁通量，使线圈两端形成电脉冲信号，即流量计电脉冲信号水流数据，RFID阅读器读取30cm内的猪耳标信息。通过信号调理电路将水流数据和猪耳标信息发送给数据传输模块；选择配对的蓝牙从模块（模块HM-10）负责数据发送，支持Bluetooth SpocificationV4.0 BLE协议，传输发送频率10Hz，配防水盒和天线以保证传输模块猪舍环境下的正常工作。
1.1.2 蓝牙网关节点设计
如图3所示，蓝牙网关作为一个猪舍内无线网络的调度和控制核心，负责实现猪舍内部无线网络间通信及Internet接入，采用跳频收发机制工作在2.45GHz ISM频段，数据速率为1MB/s，蓝牙主模块与其配对从模块实现一对一数据传输。微控制器控制蓝牙设备的连接和通信，加载TCP/IP协议栈和以太网控制器驱动程序，实现网关与采集节点、远程服务器间数据交互。
1.2 传输协议
在蓝牙网关中，每一个蓝牙从模块都与一个蓝牙网关中的主模块对应，并与一个TCP端口绑定，这样保证蓝牙网关的IP地址和端口可唯一地标识一个蓝牙设备。蓝牙协议栈由三层组成，包括底层蓝牙协议层（无线跳频、基带、链路管理）、中间协议层（逻辑链路控制和适应协议、服务发现协议）及高层应用规范。蓝牙设备与蓝牙网关连接过程如下：
（1）蓝牙设备查找射频范围内提供的蓝牙网关；
（2）在蓝牙设备和蓝牙网关间建立基带物理连接；
（3）为蓝牙设备提供一个IP地址，通过PPP承载IP协议访问。
1.3 软件设计
1.3.1 上位机软件
上位机软件自定义类SerialReader继承串口监听器类SerialPortEventListener，实现串口读取操作，接收硬件系统发送的“耳标 电流信号”，依据水流速率与电流值成正比，当I=20mA时，水流速度为v=700mL·min-1，则计算饮水管中瞬时水流速率v为
统计单次饮水量V为
式（2）中，t-单次饮水时长；将“仔猪耳标号 饮水时长 饮水量”作为单次饮水记录存人数据库的饮水表中。
1.3.2 管理软件
利用JSP mysoL开发Web程序，实现对养殖场内生长猪基础数据管理及饮水管理。
1.3.2.1 基础数据管理
（1）基本信息：包括耳标号、剪耳标号、父耳标号、母耳标号、出生日期、品种、性别、配种/胎次、最近一次配种/分娩时间、最近一次免疫时间。猪耳标号作为猪的唯一标识，根据农业部的相关规定采用l5位编码RFID射频标签，固定在猪耳部；剪耳标号是猪场内部编号，通常在仔猪出生后24h内剪耳缺，可有效减少应激。
（2）种母猪分娩：包括耳标号、胎次、发情时间、怀孕时间、分娩时间、产仔数。以耳标号和胎次为关键字，母猪怀孕与分娩的标准时间间隔为llOd，若发现间隔时间超过115d，饲养员需对母猪仔细观察以防止其难产；产仔数量与猪品种相关，通常外来猪种的产仔数量较低，平均在11头左右，地方猪种为18头左右，有的甚至达到20头以上，则数据类型设置为2位整形数值类型。
（3）种公猪配种：包括耳标号、配种时间、配种母猪耳标信息。 （4）免疫记录：包括耳标号、接种时间、疫苗种类及备注信息。在备注中，注释对疫苗接种的时间要求。
1.3.2.2 饮水管理
（1）饮水数据信息：耳标号、开始时间、持续时间（单位：s）、流量（单位：mL）。根据4.1节计算的饮水记录作为一次饮水信息存储在饮水数据信息表中，若同一头生长猪两次饮水时间间隔
（2）近24小时饮水数据：耳标号、日期、时间段、饮水量信息。每个耳标号最多存储12条记录，分别对应0：00-2：00，2：00-4：00，……，22：0024：00各时段内饮水量。
（3）每日饮水数据：耳标号，日期，饮水量信息。从第3日24：00将24小时饮水记录进行一次数据融合，汇总成一天的饮水记录。
（4）近1个月饮水统计：同理在每个月5日24：00进行上个月的饮水数据汇总操作。
2 监测及分析
2.1 数据实时监测
以春雷种猪场的生长猪舍为试验地点，涡轮流量计符合工业标准具有防水防腐涂层，蓝牙网关节点配以防水盒，放置在猪舍中间较高位置，蓝牙网关与远程服务器之间通过RS-485总线连接。远程服务器接收的水流速监测界面如图4所示。
2.2 试验结果与分析
基本信息管理利用耳标号查询每头猪的详细信息，如图5所示。图6为群养生长猪每日24小时内的饮水曲线图，曲线中生长猪的饮水呈现相对规则变化，其中每日8：00-10：00和14：00-16：00分别对应着饮水量的峰值，且14：00-16：00为饮水量最多的时间段，主要对应着生长猪的两个采食时间段，则猪的饮水量与采食正相关，而12：00-14：00时段是双峰值间的波谷，是猪上午采食后的休息时段，猪白天饮水量的最小值，自24：00次日4：00生长猪休息，几乎不饮水。
3 结论
（1）利用液体涡轮流量计和RFID射频技术实现群养生长猪饮水数据采集，通过Bluetooth协议实现猪舍内数据采集节点与蓝牙网关的无线通信，GPRS/3G实现网关与服务器间的通信；
（2）上位机软件提供数据解析功能计算生长猪的单次饮水量，将其传输给数据库；
（3）基于B/S的饮水管理系统实现仔猪基本信息维护和饮水行为管理，对生长状况、饮水数据进行汇总，并以图形方式显示。