一种基于RFID无源感知技术的奶牛活动量监测技术

一种基于rfid无源感知技术的奶牛活动量监测技术
技术领域
1.本发明属于畜禽健康养殖技术领域，具体涉及一种基于rfid无源感知技术的奶牛活动量监测技术。


背景技术：

2.奶牛的每日活动量很大程度反映着奶牛的生理状态，是衡量奶牛发情、产奶和健康的重要标准。传统养殖产业的活动量监测以人工为主，耗时耗力且准确度不高；可穿戴式设备可以精准的对动物活动量进行感知，但是应激性较强；基于计算机视觉的非接触式技术对摄像头的布放以及养殖环境内的信息化基础要求较高。
3.发明专利“一种采集奶牛活动量的装置和和系统”(公开号cn 205694933 u)，公开了一种奶牛活动量采集装置，该装置通过高度传感器、速度传感器、加速度传感器测量奶牛的各项参数，将参数进行奶牛活动量的量化处理，该装置中传感器较多，对奶牛的舒适度产生影响，且传感器需定期更换充电，奶牛容易产生应激性，而且各项参数表征活动量的权重不能确定。
4.本发明通过在奶牛腿部贴上rfid柔性标签，在周围环境布置rfid天线和读写器，通过标签与读写器之间的相位差关系构建计算每头奶牛腿部标签之间的相对距离的模型，根据奶牛行走时腿之间的距离呈周期性变化，以此精确的获取奶牛一段时间内的步数，根据步数从而很好的确定奶牛的活动量大小。该方法简单有效且柔性标签不会对奶牛舒适度产生影响，无源标签也无需定期更换充电，能够较好的对奶牛活动量进行实时监测。


技术实现要素：

5.为了达到实时并准确监测奶牛活动量的目的，并解决现有活动量监测方法的缺点，本发明提出了一种基于rfid无源感知技术的奶牛活动量监测技术。
6.本发明的技术方案如下：
7.步骤s1：将四只rfid柔性标签分别固定在奶牛四条腿上，将位于前腿的两只标签朝向同一侧，将位于后腿的两只标签朝向同一侧，方便数据处理。固定后不易脱落即可准备进行相对距离测定。
8.步骤s2：在矩形的养殖场地的长一侧隔一段距离分别固定两个rfid读写器，在宽边一侧固定一个rfid读写器。读写器发射信号激活标签，由天线接受反射信号并由其余模块对信号进行解读。阅读器通过wifi或bt接口将数据传至pc。
9.步骤s3：pc端对接受到的数据进行处理和分析，根据标签反射信号的相位信息反应出的标签与读写器之间的距离，根据前腿上两只标签的相位差，以实时计算奶牛前腿之间和后腿之间的距离。可将每头奶牛对应信息以及腿距绘出曲线图，根据周期性变化的数据，通过何时奶牛腿距到达极小值以确定奶牛是否迈出一步。pc端软件可将每头奶牛的步数进行管理分析，以便对奶牛活动量进行准确监测。
10.所述步骤s1中rfid标签的固定位置应尽量同一高度，并接近脚部以使计算结果精
确。前腿和后腿标签的朝向应为相反方向，以便后续测定。
11.所述步骤s2中的读写器布放高度保持一致，应尽量同标签高度保持一致。所述的uhf读写器的型号为r420，工作频段为850～950mhz，工作范围为10米。
12.所述步骤s3具体为：
13.(1)首先根据相位特点，由于相位表示从原始发射信号接收到的信号的偏移度，假设天线与标签之间的距离为d，则相位θ可以表示为：
[0014][0015]
其中，λ为波长，θ
dev
为由标签的阶乘缺陷引起的系统噪声。
[0016]
(2)如附图(3)，将奶牛前腿或后腿的两只标签建模成带有t0和t1的一段向量，a为放置好的rfid标签，在某一小段时间内奶牛向前迈出一步，标签位置由t0变化到t2。α和β分别为该标签相对于读写器和另一个标签的偏移空间角度。标签t0在这段时间发生的相位变化为：
[0017][0018]
其中，|
·
|用来计算欧式距离，ω(β)表示标签旋转的相位变化，硬件造成的θ
dev
被抵消。
[0019]
(3)结合公式(1)和(2)，推出标签之间的相位差为：
[0020][0021]
其中，k＝0,
±1···
。因此，根据奶牛站立状态下两条腿的间距，即可求得行走时其腿部两只标签向量的偏转角，并推理出标签向量所在的双曲线。
[0022]
(4)基于以上分析，构建双标签与双读写器的信号反射模型，如附图(4)，根据公式(1)估计出标签t0到两个读写器的距离差δd为：
[0023][0024]
进一步计算出入射角β为：
[0025][0026]
其中，k＝0,
±1···
。
[0027]
(5)根据标签与读写器模型，通过以下公式求得标签间的相对距离：
[0028][0029][0030]
将公式(6)、(7)求出的距离求平均值作为标签间的相对距离。
[0031]
(6)按照如上方法分别计算出每头奶牛后腿之间的距离和前腿之间的距离，并将该距离值求平均值。将求出的距离数据由读写器传至pc进行下一步处理。
[0032]
(7)在pc端将实时接收到的每头奶牛两腿距离以奶牛身份信息进行可视化，对于周期性变化的距离值，每出现一次极小值认为奶牛迈出一步，以此统计一段时间内奶牛的步数。
[0033]
本发明的有益效果是通过固定在奶牛腿部的无源rfid标签，根据标签的相位值的变化，将奶牛两腿之间的距离映射到奶牛的步数。通过多对读写器与标签的监测模型，提高计算的准确性，可以有效的实时计算养殖环境下奶牛的步数，对奶牛的活动量进行监测。相比传统的方法，更加精确且方便，具有较高的效率。
附图说明
[0034]
图1为本发明的主体结构框图。
[0035]
图2为本监测系统组成图。
[0036]
图3为单读写器情况下，奶牛行走的抽象示意图；其中a为读写器，t0和t1分别为奶牛前腿或后腿的两只标签，奶牛迈出其中一条腿，标签由t0变为t2；α和β分别为对应偏转角。
[0037]
图4为双读写器双标签的信号反射模型示意图。
[0038]
图5为奶牛前腿标签固定示意图。
[0039]
图6为养殖场地监测系统实施示意图。
[0040]
图7为标签相对读写器纵向移动过程中，相位值变化情况。
[0041]
(引用自https://cs.nju.edu.cn/lxie/book/exp2.html)
[0042]
图8为标签相对读写器横向移动过程中，相位值变化情况。
[0043]
(引用自https://cs.nju.edu.cn/lxie/book/exp2.html)
具体实施方式
[0044]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0045]
图1示出了本发明的主体结构框图，总体的数据采集和处理过程为：射频天线发射信号激活无源的标签，标签反射信号由天线接收，天线将获取的信号数据传给读写器控制模块进行数据处理和解读，再由控制模块将计算出的数据通过wifi等无线方式传输给pc端，由pc端应用系统将数据进行活动量的刻画，并对数据进行可视化。
[0046]
实际实施应用时，rfid标签如图5所示，绑定至奶牛腿部。由于标签材质柔性且无源，故不会引起奶牛身体不适，并且无需定期更换电源或充电。其中，前腿的两个标签正面朝向应一致，后腿标签固定模式同前腿。
[0047]
实验环境如图6所示：每一个牛舍的尺寸为10m
×
5m
×
1.5m，由铁制围栏组成。每头奶牛腿部接绑定标签，标签高度应保持一致。rfid读写器固定方式如图所示，读写器高度应尽量同标签高度接近，rfid读写器的工作范围为10米，具体布放可根据环境和生产需求安排读写器数量。系统开始工作后，本监测系统工作过程如图2所示，读写器射频单元发射信号激活固定的标签，标签发射信号将相关数据传输回射频天线，由读写器的控制单元根据步骤(3)中的具体计算过程对数据进行解读处理。奶牛行走时的抽象模型如图3和图4，根据
公式(5)、(6)计算出每个双读写器模型中，每个读写器计算出的前腿两只标签之间的距离。读写器通过无线传输，如wifi将数据传送给pc端应用软件。由应用软件将所得的两个数据求平均值作为每个时刻奶牛两腿间距的值，pc端通过判断每个时间节点前三个值的平均值，与后三个时间点的平均值之间的大小关系，以确定某个时间点奶牛双腿之间的距离是否为极小值。若是极小值，则认为奶牛迈出一步，计算器变量值加1，将每头奶牛实时的步数情况进行展示。注：若某个时间节点前或后的数据值不够三个，则以其前一个值和后一个值作为比较标准。
[0048]
以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上的实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。