基于三軸加速度傳感器個體運動行為無線采集節點的設計

閆麗 邵慶

摘要：利用三軸加速度傳感器MMA7361與無線發射模塊CC2430設計了1個運動信號的采集節點，并將其應用于母豬行為監測。結果表明，該節點可實時記錄家畜個體的日常行為數據，為進一步數據的傳輸和行為模式分析提供基礎數據保障。

關鍵詞：三軸加速度傳感器；行為監測；無線傳感器網絡

中圖分類號：TP274+.2 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）07-0434-03

動物行為能一定程度反映動物機體對環境的適應情況，是動物福利評價的重要指標，因此定量測量動物的行為具有重要意義，將以加速度傳感器為主的采集節點的設計用于運動行為監測方面具有一定應用價值。

三軸加速度傳感器在人體運動行為、能量消耗等方面的應用研究開展比較早[1]，常將傳感器節點做成穿戴式[2]，戴在手腕上[3]、腰部或是內嵌到特制的衣服、鞋里面[4]，同時測量x、y、z 3個軸的加速度值，來判斷人體的手臂和走步姿態及用于檢測老人的跌倒行為[5-6]。但在動物行為監測方面的應用相對較少。2010年，Cornou等開始利用布帶把三軸加速度傳感器和藍牙模塊固定在母豬頸部，將采集到的運動信息傳輸給PC機進行行為分類[7]。國內華南農業大學尹令等以牛作為研究對象，基于三軸加速度傳感器開發了無線傳感器網絡進行奶牛行為特征監測，用于判斷奶牛發情和疾病狀況[8]。南京農業大學劉龍申開展了母豬產前行為監測的研究，通過站臥姿態變化次數和筑窩行為來預測母豬的分娩時間[9]。

本研究利用三軸加速度傳感器MMA7361與無線發射模塊CC2430設計了1個運動信號的采集節點，實現對動物個體日?；顒拥臄祿涗?，為進一步數據的傳輸和行為模式分析提供基礎數據保障。

1 系統網絡結構

個體行為的無線監測網絡由無線傳感器網絡、GPRS/3G網絡和監測中心組成（圖1）。傳感器節點作為無線傳感器網絡中的數據源，節點上配有MMA7361，可布置在監測個體身體的任意位置，便于用布帶固定在動物頸部或腳踝處，實現對個體運動參數的采集。網關節點匯聚來自傳感器節點的數據，并通過GPRS/3G網絡發送給監測中心的服務器進行進一步行為分析。

2 模塊的選擇和確定

2.1 加速度傳感器

基于運動行為監測系統的設計需要，加速度傳感器要采集各監測對象的實時加速度值。根據加速度傳感器靈敏度及功耗的需要，在無線加速度傳感器網絡節點的設計中需要選擇一款體積小、質量輕、低功耗、便于佩戴的高靈敏度加速度

傳感器。經過對同類傳感器各方面的比較，本研究選用了MMA7361三軸加速度傳感器。

MMA7361L[10]是飛思卡爾公司（Freescale）推出的一款超低功耗、小型電容式的微機械加速度傳感器，可提供模擬電壓輸出的x、y和z三軸加速度傳感器。該傳感器可以采用 15 g 或6 g靈敏度重力選擇模式，具有信號調理、一階低通濾波、溫度補償、自檢、帶有線性自由落體檢測和零重力檢測等功能。工作電壓為2.2～3.6 V，工作電流為400 μA，設置為睡眠模式時工作電路僅為3 μA。通過MMA7361L可以測量出任意時刻3個方向的加速度分量。

2.2 ZigBee模塊

CC2430[11]是一顆真正的系統芯片（SoC）CMOS 解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM 波段應用對低成本、低功耗的要求。它結合1個高性能2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發器核心和1顆工業級小巧高效的8051控制器。

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內存和微控制器。它使用1個8位MCU（8051），具有32/64/128 kB 可編程閃存和 8 kB 的RAM，還包含模擬數字轉換器（ADC）、幾個定時器（timer）、AES128 協同處理器、看門狗定時器（watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定時器、上電復位電路（Power On Reset）、掉電檢測電路（brown out detection）以及21 個可編程I/O 引腳。

CC2430芯片采用0.18 μm CMOS 工藝生產，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27、25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。

3 加速度傳感器節點硬件設計

考慮到加速度傳感器節點的通用性，采用模塊化設計思想設計硬件，節點的結構框如圖2所示。由此可見，整個節點的設計由4部分組成，該平臺利用RF射頻芯片和CC2430處理芯片，工作在2.4 GHz，支持低功耗無線通信協議IEEE 802.15.4，采用8位低功耗微處理器，通過A/D接口采集MMA7361三軸加速度數據，并即時發送給網關節點。數據采集速率為40 Hz，無線數據收發速率為250 kbps。

如圖3所示，三軸加速度傳感器的輸出信號為0～3.3 V的模擬電壓信號，通過外接幾個去耦電容以及濾波電容后直接接入無線單片機CC2430的模擬輸入端口P0_5、P0_6、P0_7進行3個方向的加速度值的采集；為了調試、測試階段的方

便，在無線傳感器節點系統中設計了相應的電源指示燈D1、電源報警燈D2以及節點建網/入網指示燈D3；此外，在實驗室設計階段整個無線傳感器節點的電源由5 V的可充電鋰電池組成的電源模塊提供。

4 節點軟件設計

無線加速度傳感器網絡節點的軟件設計主要是用戶根據項目的實際需要在協議棧的應用層開發自己的用戶程序。為了滿足運動行為監測系統實際運行的需要，根據監測對象的距離，在被測對象身上布置無線加速度傳感器節點，在動物畜舍內布置網關節點。無線加速度傳感器網絡節點的具體軟件功能是：網關節點建立1個局域無線加速度傳感器網絡，網內短地址固定為0x0000，主要負責數據包的路由以及間接消息的轉發；加速度傳感器節點加入相應的無線加速度傳感器網絡，終端節點在接收到網關節點發送的采集數據命令后，定期向網關節點發送自己采集的3個方向的加速度值。為了減小系統功耗，網關節點在定時時間未到時處于低功耗狀態（睡眠狀態），加速度節點在未收到采集加速度傳感器數值命令時也處于低功耗狀態（睡眠狀態）。

5 試驗和結果分析

2013年12月12日到19日在江蘇省金壇市永康農牧科技有限公司進行現場試驗，選用12頭長白母豬為試驗對象，實物如圖4所示，將傳感器節點利用松緊帶固定在母豬頸部下方進行24 h監測，母豬佩戴節點后無異常反應。實時采集到的數據以圖5方式顯示。

試驗結果表明，加速度傳感器節點能夠不間斷采集三軸加速度的數值，在特定時間內，母豬的行為模式和運動量趨于穩定，當活動量加劇或減少及異常行為出現時，可作為妊娠、分娩、疾病等情況的識別特征，該節點也可用其他牛、羊等大家畜的行為、位移、步數等數據量記錄。

6 結論

本研究以三軸加速度傳感器MMA7361和無線射頻模塊CC2430為核心，通過移植協議棧設計了1款新型的無線加速度傳感器網絡節點，可以方便組建低成本、低傳輸速率、高效率的無線網絡，實現對各個對象動作的實時監測。在永康豬場配對測試發現，無線加速度傳感器節點以及無線傳感器網絡性能穩定，具有較低的丟包率以及較低的成本，可以廣泛應用于家畜（豬、牛、羊）行為監測和運動能量的前期數據采集。

參考文獻：

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