基于STM32的奶牛生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

唐宇+駱少明+黃偉鋒

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)人工方式監(jiān)測(cè)規(guī)?；B(yǎng)殖奶牛健康狀況耗時(shí)耗力且準(zhǔn)確率不高等問題，設(shè)計(jì)了一種可實(shí)時(shí)檢測(cè)奶牛生理指標(biāo)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103VET6微處理器為核心，嵌入了定位、通信、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、溫濕度檢測(cè)和基本生理參數(shù)測(cè)量等模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)奶牛運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、脈搏、血氧和體溫等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)傳送到手機(jī)客戶端和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。運(yùn)用該系統(tǒng)對(duì)隨機(jī)抽樣的10頭奶牛進(jìn)行了血壓和血氧飽和度遠(yuǎn)程檢測(cè)試驗(yàn)，測(cè)得收縮壓均值為 138.83 mmHg，舒張壓為44.09 mmHg，血氧飽和度均值為83.7%。測(cè)試情況表明，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)奶牛的生理參數(shù)及其所在環(huán)境的各種信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，運(yùn)行可靠、性能穩(wěn)定、使用靈活，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：STM32；奶牛；生理參數(shù)；監(jiān)測(cè)；遠(yuǎn)程通信

中圖分類號(hào)： S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）07-0185-04

近年來(lái)，中國(guó)奶牛業(yè)快速發(fā)展，已呈現(xiàn)規(guī)?；图谢内厔?shì)，養(yǎng)殖環(huán)境的溫濕度是影響奶牛生產(chǎn)性能和繁殖性能的重要因素[1-2]。養(yǎng)殖過程中，飼養(yǎng)員對(duì)環(huán)境溫濕度和奶牛生理參數(shù)的定期檢測(cè)是保證奶牛健康的必要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方法對(duì)工作人員要求高，耗時(shí)費(fèi)力且準(zhǔn)確率不高，難以滿足規(guī)?；B(yǎng)殖管理需求。

利用目前興起的能監(jiān)護(hù)生物體征[3]的可穿戴設(shè)備技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)[4]和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[5]，順應(yīng)奶牛養(yǎng)殖管理自動(dòng)化和智能化潮流[6]，實(shí)現(xiàn)奶牛生理參數(shù)的實(shí)時(shí)無(wú)人值守監(jiān)測(cè)[7]，對(duì)于提高奶牛養(yǎng)殖工作效率有著十分重要的意義。

本研究設(shè)計(jì)了以STM32嵌入式處理器為核心，可測(cè)量奶牛的脈搏、血氧和體溫等生理特征參數(shù)和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)溫濕度的多信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過各種傳感器模塊采集多源信息，應(yīng)用無(wú)線及遠(yuǎn)程通信技術(shù)將養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至智能手機(jī)終端和計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。養(yǎng)殖場(chǎng)管理員可通過該系統(tǒng)直觀地了解場(chǎng)內(nèi)每只奶牛的生理和運(yùn)動(dòng)特征以及所處環(huán)境的溫濕度情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，并為奶牛的飼養(yǎng)制定出更佳的營(yíng)養(yǎng)方案[8]。

1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，各個(gè)傳感器采集奶牛的基本生理參數(shù)和養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)周圍環(huán)境信息。STM32串口采集GPRS和GPS的數(shù)據(jù)，經(jīng)主控制器算法處理后做出相應(yīng)的參數(shù)判定。借助遠(yuǎn)近距離的無(wú)線通信GPRS和藍(lán)牙模塊，將采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至近距離的智能客戶端或者遠(yuǎn)程客戶端，實(shí)現(xiàn)對(duì)奶牛生理參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)的硬件部分主要包括STM32F103VET6嵌入式處理器[9]、傳感器、通信模塊以及一些基礎(chǔ)設(shè)備。系統(tǒng)中的傳感器主要為DHT11數(shù)字式環(huán)境溫濕度傳感器、光電式紅外體溫測(cè)量傳感器、光電式脈搏傳感器、光電式血氧傳感器和基于MPU6050三軸加速度陀螺儀[10]（奶牛運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)感應(yīng)模塊），這些傳感模塊可測(cè)量環(huán)境溫濕度、奶牛體溫、心率、血氧飽和度、血壓、行走步數(shù)、行走速度和加速度等參數(shù)。

1.1MCU與GPRS模塊的接口設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)以RXD、TXD和GND三線形式的異步串行口USART1經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后與Motorola公司的GPRS模塊G20進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向全雙工通信[11-12]，發(fā)送指令，使G20模塊完成聯(lián)網(wǎng)掛接、注冊(cè)登錄和短消息收發(fā)等相應(yīng)操作，同時(shí)監(jiān)聽接口，接收來(lái)自G20的回傳數(shù)據(jù)。G20開發(fā)板具有通信接口電平切換、通信接口選擇、來(lái)電顯示和信號(hào)顯示等功能，可勝任系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信任務(wù)。

1.2MCU與奶牛脈搏、血氧和血氧感應(yīng)模塊接口設(shè)計(jì)

STM32通過I/O口接收脈搏、血壓和血氧感應(yīng)模塊的感測(cè)信息，該模塊由光電傳感器、信號(hào)處理、電壓抬升部分構(gòu)成，如圖2所示。通過STM32發(fā)出控制信號(hào)切換紅外光與紅光，分時(shí)對(duì)脈搏光電信號(hào)和血氧濃度進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)光電脈沖信號(hào)估算血壓信息。

1.3MCU與顯示觸摸屏的接口設(shè)計(jì)

STM32使用可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器（flexible static memory controller，F(xiàn)SMC）接口模塊與基于LCD英特爾8080接口的彩色液晶屏S95361進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)奶牛生理參數(shù)及環(huán)境數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)顯示，如圖3所示。

1.4MCU與GPS及紅外體溫測(cè)量模塊接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用MLX90614紅外測(cè)溫模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)奶牛體溫的非接觸測(cè)量，通過STM32的I2C接口直接與該模塊進(jìn)行通信，讀取溫度數(shù)據(jù)。

STM32單片機(jī)以RXD、TXD和GND三線形式的異步串行口USART2經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后與Motorola公司的GPS模塊M12進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向全雙工通信，發(fā)出AT指令控制M12模塊進(jìn)行空間定位并讀取奶牛所處的地理位置坐標(biāo)信息和數(shù)據(jù)采集時(shí)間數(shù)據(jù)。

1.5MCU與藍(lán)牙模塊、陀螺儀接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用HC-05藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)與近距離手機(jī)終端的無(wú)線通信，通過STM32單片機(jī)的異步串行口USART3的RXD、TXD和GND分別與HC-05的TXD、RXD和GND進(jìn)行電氣連接交換數(shù)據(jù)。

用于測(cè)量奶牛運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)參數(shù)的陀螺儀模塊MPU6050具有標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口，與STM32的另外一路I2C接口直接連接，實(shí)現(xiàn)模塊的初始化和奶牛運(yùn)動(dòng)參數(shù)的讀取。

2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件部分是在內(nèi)嵌了GUI界面的μC/OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上編制完成的，主要由奶牛生理參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊、液晶顯示模塊、GPS定位模塊、紅外測(cè)體溫模塊、GPRS通信模塊、藍(lán)牙模塊、溫濕度傳感器模塊和三軸加速度感應(yīng)模塊的驅(qū)動(dòng)代碼組成，如圖4所示。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，接著顯示時(shí)鐘、位置信息和連接登錄GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，該界面包括時(shí)鐘調(diào)校設(shè)置、計(jì)步器、參數(shù)、設(shè)置4個(gè)應(yīng)用熱區(qū)。顯示進(jìn)入到主界面的按鈕將主界面分成狀態(tài)欄、應(yīng)用欄和控制欄。用戶可通過控制鍵，將采集和經(jīng)算法處理后的數(shù)據(jù)，通過2個(gè)通信通道與手機(jī)移動(dòng)端通信，并且可以在手機(jī)移動(dòng)端實(shí)時(shí)更新當(dāng)前數(shù)據(jù)，以及讀取和顯示相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。

系統(tǒng)完成所有初始化工作后進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)，不斷輪回檢測(cè)前述的各項(xiàng)生理指標(biāo)參數(shù)和環(huán)境信息，按既定格式打包數(shù)據(jù)并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端（監(jiān)測(cè)中心）。

2.1環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用DHT11溫濕度傳感器監(jiān)控奶牛養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，該傳感器含有已校準(zhǔn)的以數(shù)字信號(hào)形式輸出的溫濕度信息，相應(yīng)的軟件處理流程如圖5所示。

2.2GPS數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

GPS模塊可以實(shí)時(shí)檢測(cè)經(jīng)緯度和海拔高度，實(shí)現(xiàn)三維定位，并且可以獲取時(shí)區(qū)精確的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，經(jīng)解碼后可利用獲取的精準(zhǔn)時(shí)間數(shù)據(jù)，校正系統(tǒng)自身的定時(shí)信息，該部分程序流程如圖6所示。

2.3三維運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)感應(yīng)處理程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用DHT11溫濕系統(tǒng)中的MPU-6050對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別采用3個(gè)16位的ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng)，傳感器的測(cè)量范圍均是用戶可控的，通過對(duì)三軸加速度的分析，可以判斷奶牛所做出的動(dòng)作，執(zhí)行相應(yīng)的程序，該部分程序流程如圖7所示。

2.4脈搏、血氧和血壓數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

奶牛生理參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊由光電傳感器、信號(hào)處理、電壓抬升部分構(gòu)成，通過MCU發(fā)出控制信號(hào)切換紅外光與紅光，分時(shí)對(duì)奶牛脈搏波和血氧濃度進(jìn)行測(cè)量，獲取脈搏波形數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的算法運(yùn)算，最終得到實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)獲取的波形還須進(jìn)行相應(yīng)的濾波，才能得到準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，該部分程序流程如圖8所示。

2.5紅外測(cè)溫處理程序設(shè)計(jì)

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，用于檢測(cè)溫度的傳感器是MLX90614紅外熱電堆傳感器模塊[13]，它是一款紅外非接觸溫度計(jì)，測(cè)量范圍為-20～120 ℃，其分辨率高達(dá)0.14 ℃。該傳感器集成了低噪聲放大器、17位ADC和強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理單元，可實(shí)現(xiàn)高精度和高分辨度的溫度檢測(cè)。系統(tǒng)通過STM32F103VET6的I2C接口來(lái)讀取數(shù)字形式的溫度數(shù)據(jù)，該部分的程序流程如圖9所示。

3系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)環(huán)境與條件

將調(diào)試好的系統(tǒng)程序固化到STM32F103VET6的程序存儲(chǔ)器后通電調(diào)測(cè)，等待所有模塊初始化完畢后，進(jìn)行全系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試。系統(tǒng)功能調(diào)測(cè)完畢后將各傳感模塊固定于奶牛頸圈上，如圖10所示，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)。從位于廣州市從化區(qū)鰲頭鎮(zhèn)新圍村的奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)隨機(jī)選取10頭奶牛，套上傳感頸圈進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2試驗(yàn)方法與結(jié)果

同時(shí)將10套傳感頸圈掛于試驗(yàn)?zāi)膛ｎi上，設(shè)置每頭樣本的編號(hào)，待系統(tǒng)初始化完畢后，在監(jiān)控室中連接了Internet的計(jì)算機(jī)上啟動(dòng)數(shù)據(jù)中心上位機(jī)程序接收、記錄和保存相關(guān)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)持續(xù)5 d，分別在每天09：00和15：00 2個(gè)時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，奶牛的血壓和血液濃度測(cè)試結(jié)果分別如表1和表2所示。

4結(jié)語(yǔ)

結(jié)合生物傳感技術(shù)和嵌入式無(wú)線監(jiān)測(cè)技術(shù)，提出了基于STM32的奶牛生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案，并實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫濕度、奶牛脈搏、血壓和血氧濃度等各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)的無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型合理，軟硬件設(shè)計(jì)可行，具有一定的可擴(kuò)展性，安裝方便，成本較低。該試驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)改良后能投入實(shí)際推廣應(yīng)用，滿足對(duì)規(guī)模化養(yǎng)殖奶牛的重要健康參數(shù)的監(jiān)測(cè)需要，還可以推廣到羊、馬和豬等其他家畜養(yǎng)殖領(lǐng)域，應(yīng)用前景十分廣闊。

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