奶牛计步信息采集终端系统硬件设计

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奶牛计步信息采集终端系统的硬件设计
【摘要】在一个较大的范围内对集中养殖场中奶牛进行计步采集,并通过无线的方式,将采集到的数据按设定的时间发送给中心节点,再由中心节点的rs232/485的方面将接收到的数据上传给计算数据中心,以供分析处理。

系统硬件设计包括计步信息采集电路,奶牛计步数据采集终端系统等硬件设计。

【关键词】计步采集中心节点终端系统
1 背景概述
在奶牛养殖业中,通过及时发现奶牛发情,从而可以提高繁殖率,延长泌乳期增加产奶量,减少空怀日的天数等,对奶牛养殖业有着重要的经济意义。

北威尔士大学附属学院的克莱夫、菲利普斯和安斯尔德博士通过的母牛发情期运动量偏差的研究发现:奶牛处于发情期时,有着明显的外部外部行为表现,其运动量比平时会有显著的提高。

但是单靠管理人员观察做到及时发现奶牛发情是件非常困难的
事情,尤其在夜间更是无法进行。

本文的奶牛计步信息采集系统正是针对这一问题而提出,通过自动的检测奶牛的行走步数,并能过无线方式将数据传送到计算机以供分析处理,从而做到比较准确的检测奶牛的发情状况。

2 系统硬件设计
为了实现对养殖场内的每头奶牛进行计步数据采集,并将采集到的数据传送到计算机。

需要在每头奶牛身上装上一个计步采集节
点,该节点一方面要进行计步数据采集,另一方面,要将采集到的数据通过无线的方面按设定的时间发送给中心节点,再由中心节点的rs232/485的方面将接收到的数据上传给计算数据中心,以供分析处理。

2.1计步信息采集电路。

本文采用cla-3微型全向振动传感器。

cla-3微型振动传感元件的内部,有一根金属棒架在两个电极中间,当无振动或倾斜时,传感器的导通电阻稳定,当检测到振动时碳棒发生振动,引起电极间导电电阻迅速增大产生一个幅度成振动成正比信号。

对该信号进行一次比较放大后可得到一些狭窄的小脉冲。

然后经过二极管,通过一个阻容电路进行充放电后再次进行比较放大,则可以得到一个比较标准的计步脉冲。

经输出缓冲后单片机可以直接对其进行数据采集,具体的电路图如图1所示。

在该电路中,计步的灵敏度和延时时间可以通过两个可变电阻进行调节设置。

此外,为了满足低功耗的要求,可以采用超低功耗的运算放大器,如maxim公司的max406及linerr及的ltl673,其放大电流可低至lua。

通过硬件电路对信号进行处理,可以降低软件算法处理的复杂度,同时也减少单片机在正常模式下的工作的时间,以从而最大限度的降低功耗。

2.2奶牛计步数据采集终端系统设计。

数据采集终端由ⅱ公司的msp430f149单片机、nordic公司的无线通信模nrf903、振动传感器nd-2及一些必要的外围电路组成。

主要完成对牛奶养殖场里牛奶远动步数信息的采集、存储、发送和接收主机发出的控制指令。

单片机msp430和无线通信模块nrf903的组合广泛地被应用在各种低功耗、短距离和小数据量的场合中。

这种组合方式在低功耗方便具有很大的优势,同时控制简单。

单片机和无线模块通过uart
口进行数据传输,nrf903的发射和接收端口都是同一个data引脚,而单片机的uatr口分别由txd和rxd两线进行发射和接收,因此要采用一个电阻进行阻抗匹配和隔离,实现半双工通信方式。

系统在开始工作时设置工作状态,单片机对nrf903的cfg_clk
引脚定义编程模式时钟,对cs置位1变为可编程的收发模式,把14位的配置字写入收发配置数据的输入端cfg_data,配置工作频段、频道、输出功率、时钟信号等。

置位txen为接收状态,当对txen设置时,要做一个软件的延时,以等待模式转换完成。

单片机的两个引脚分别连接nrf903的c_sense和clk_out,单片机可以根据此来判断nrf903是否检测到载波和有时钟信号输出。

如果有载波信号,则说明通信的对方可能有数据发送,如果没有时钟信号输出,则说明nrf903未工作。

在数据进行无线通信时,nrf903的双向数据引脚data和单片机msp430f149的uartl相连进行数据交换。

无线通信模块要发射数据时,往处理器的utxdl端口写入数据,然后通过射频模块完成数据的无线传输。

当处于接收状态时,利用串口的中断程序在urxdl端口读取无线通信模块nrf903接收的数据。

单片机使用nrf903的编程接口cfg_clk、cfg_data、cs对工作频率、输出功率、时钟频率和通道等参数进行设置。

设置cs为高
电平,将一个14位的控制字在时钟上升沿时写入组态寄存器当中。

在使用芯片时,首先通过单片机对芯片的各种参数进行设置后,进入正常工作状态,再通过单片机根据需要进行收发模式的控制转换等。

msp430f149的串行通信模块可分为两种实现方式:一是us—art 模块,既直接的硬件通用串行同步/异步模块。

msp430f149的接收和发送分别采用两个移位寄存器,为全双工方式,采用移位寄存器加缓存器的结构。

在接收时,移位寄存器将接收到的数据流组合,接收满一个字节时就保存到接收缓存urxbuf中;而在发送时,就将utxbuf发送缓存中的数据一位一位地送至发送端口。

波特率发生器产生的时钟信号bitclk作为发送和接收两个移位寄存器的移位时钟。

工作时,当接收允许位urxe置位或复位,将允许或禁止接收器从urxd接收数据。

当禁止接收时,如果已经开始了接收操作,则在完成该吃接收后禁止下一次的接收;如果无接收操作,则立即禁止接收操作,同时禁止起始位检测。

同理,当发送允许位utxe置位或复位,将允许或禁止发送器将数据发送到线路。

当utxe=0时,已经存在的发送操作并不停止,而在发送完发送缓存的数据后禁止再发送。

在utxe复位之前写入发送缓存的数据继续被发送,在utxe复位之后,发送缓存也可写入数据,只是送到线路进行发送,而是等下次utxe置位信号才开始发送。

3 总结
无线数据采集系统是在无线数据采集节点配合相应传感器,对各种目标数据进行采集。

然后以无线网络的方式将数据传送到上位机,以供分析处理。

它具有体积小,功耗低,无需布线,适合移动目标等一系列的优点。