STM32WL助您成为奶牛养殖的“良医”

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STMCU小助手发布时间：2022-11-9 15:06

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文章简介:	STM32WL助您成为奶牛养殖的“良医”

【引言】我国是畜牧业大国，畜牧总量常年位居世界前列，在以物联网、云计算、大数据及人工智能为代表的新一轮信息技术革命推动下，畜牧业态正从粗放式传统畜牧养殖向知识型、技术型、现代化的智慧畜牧养殖转变。
智慧牧业物联网是由大量传感器节点构成的监控网络，通过信息传感设备实时采集畜禽个体生长状况、养殖环境等信息，利用无线传感网络/局域网和广域网实现数据异构、实时在线数据传送，为智慧畜牧提供了丰富的数据，为开展精细化、智能化养殖奠定了基础。

本文为大家带来一个奶牛养殖过程中，用于检测奶牛受精及预防兽药耐药的健康监测解决方案。本方案来自奥地利公司smaXtec，集成STM32WL微控制器和ST三轴MEMS加速计的健康监测系统，该系统新颖巧妙，可对我国智慧畜牧技术的提升带来启发。smaXtec最初的版本采用了低功耗STM32L4，经过几年的运营后，选用 STM32WL改进设计，这样可以将MCU和无线电收发器集成在一个药丸大小的胶囊中，不仅简化了设计，还缩小了最终产品的体积，让奶牛更易接受。

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第一个内置LoRa®的智能生物胶囊

▲ 牛胃示意图

牛有一套神奇的消化系统，有四个胃，瘤胃、网胃、瓣胃和皱胃。对于吃货们来说，或许毛肚、金钱肚、牛百叶、牛伞肚更容易记住。
瘤胃是牛的第一个胃，反刍动物独有的消化器官，其主要功能是暂时储存食物、降解纤维；网胃的作用是过滤食物中的杂物；瓣胃的主要功能是阻留瘤胃、网胃中送来食物中的粗糙部分，进一步加以磨细后输送到皱胃中；皱胃的功能与单胃动物的胃相同，可分泌胃液消化食物再送入小肠，进一步消化吸收，因此被称为真胃，同时也被称为“腺胃”。
奶牛吃入的饲料最先进入消化道第一腔 — 瘤胃，这里含有大量微生物。瘤胃的微生物数量决定了牛对饲草的消化能力，也决定了奶牛各种前胃疾病的发生几率。因此，自20世纪70年代以来，养殖主就在瘤胃中放置生物胶囊，第一粒胶囊只含有维生素和矿物质，是一个月后就会溶解的缓释胶囊。动物科学家也通过这种方式针对疾病给药或追踪奶牛的生命体征。smaXtec是第一个内置LoRa的智能生物胶囊，它很小，仅有105mm x 35mm，但功能强劲，可以监测多种生理数据，如pH值、饮水量、温度、胃部收缩等。通过这些数据，养殖主可以确定奶牛的发情期或是否生病等状态，从而显著提升受精机会或减少抗生素的使用。

智慧畜牧需要更好的数据

优化人工授精提高繁殖率
畜牧养殖过程中，牧民们为了节省养殖成本，更愿意采用人工授精，而不是自然受精，因为可以节省饲养公牛的成本。尽管人工授精方法在畜牧业被广泛采用，但仍然是一个热门话题，动物科学家一直在寻找能够提升人工授精繁殖率的技术。宾夕法尼亚州立大学农业科学学院估计，最近接受过专项培训的技术人员在人工授精操作中，能够达到约70% 的平均繁殖率。这个繁殖率意味着还有提升的空间，尤其是在公牛精液不断上涨的市场行情下，提高繁殖率具有较高的经济效益。据奥地利公司smaXtec的客户证实，安装了smaXtec生物胶囊的奶牛，它的“怀孕时间”缩短了近一半。

让畜牧养殖更健康，将抗生素的使用减少70%
动物饲料中抗生素的过度使用是畜牧养殖涵待解决的另一个关键问题。根据《纽约时报》2018年发布的一项调查，一些饲养者在饲料和水中添加抗生素，即使牲畜没有任何患病迹象。这样做的目的是为了预防疾病，确保奶牛更快地长胖。但这种饲养方式会引发巨大的社会问题，它会导致耐药细菌的繁殖，这些细菌有可能存活在人体消化道中，带来不可估量的伤害。得益于smaXtec智能生物胶囊，养殖主可以快速便捷地通过各项生理指标判断牲畜是否生病，从而大幅减少约70%的抗生素使用。

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如何获得更好的数据？

高精度传感器
为了解决提高奶牛授精率，smaXtec系统必须准确地确定奶牛是否处在发情期，以及发情期开始的准确时间。事实上，处在发情期的奶牛会“持续发热”，而这个阶段的后期是奶牛人工授精的最佳时间。饲养者需要掌握发情期的准确开始时间，发情期开始后只有大约12小时的时间来诱导排卵，否则会太晚导致人工授精失败。因此，这个过程需要对奶牛的生理特征进行准确的解读，人工观察很难实现。基于ST传感器技术，smaXtec生物胶囊可以跟踪奶牛的饮水行为和瘤胃pH值，从而提供更准确的数据。

▲ smaXtec 生物胶囊

快速传输
同样，smaXtec上的传感器可以通过监测奶牛温度和其他行为，来预测动物是否生病。此外，在检测到发热或发烧的情况时，相关信息会快速传输到云端，通知饲养者。因此，smaXtec采用STM32WL和LoRaWAN®向云平台发送数据。饲养者在智能手机上收到通知，达到近乎实时监测牲畜的状态。传感器每分钟记录一次信息，微控制器每十分钟向云端发送一次数据。

能源效率
为了提高smaXtec智能生物胶囊的实用性，每颗smaXtec都配有一个可以续航四年的电池，这是奶牛繁殖生产的典型时间周期。电池寿命长意味着饲养者只需为每头牛配装一颗smaXtec智能生物胶囊。而采用具有主动低功耗模式的ST MEMS加速度计，以及低功耗STM32WL可以延长电池寿命。射频收发器与MCU被封装在一个SoC中，需要供电的外部组件更少。
smaXtec 智能生物胶囊提高效率的另一种方法是使用一种处理算法来限制发送到云的数据量。它可以在本地执行某些操作，这样的机制比不断唤醒RF效率更高。smaXtec智能生物胶囊可以从STM32WL的高效操作中受益，而不必承担任何性能损失。

实际操作
实际应用中，还有另一个重要的考虑因素，那就是smaXtec智能生物胶囊的体积。太大的胶囊体积会给动物带来极大不适。因此，smaXtec选择了一种小型薄型封装的ST MEMS和集成Cortex®内核和LoRa®收发器的一颗STM32WL SoC，从而简化总体设计并缩小PCB尺寸。小尺寸的smaXtec智能生物胶囊，便于奶牛吞咽，也帮助饲养者快速安装，有的养殖主一天可以装400颗smaXtec智能生物胶囊。

smaXtec的设计是如何开始？

奥地利smaXtec公司的开发人员最开始通过Nucleo板对多种STM32芯片评估选型，并使用STM32Cube等软件进行调试。为了便于开发，开发人员选用了STM32CubeWL软件包，它包含STM32CubeMX图形用户界面，基于硬件抽象层和低级API，确保开发者在STM32微控制器上启动应用程序。STM32CubeWL还包括一个LoRaWAN®堆栈，用于快速创建sub-GHz的LoRa®应用程序。使用ST代码还可以帮助开发者更快地获得地区无线认证。ST的代码符合各国常见的法规要求，因此可以确保开发者更顺畅、更快速地进行认证。