生物實驗飼養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)設計

劉紹鑫，肖茁，張可靖，張振彪，鐘茉

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412000）

0 引言

實驗生物是研究生命科學不可或缺的材料，但飼養(yǎng)過程中存在一些潛在風險。其一，許多實驗動物飼養(yǎng)在未達良好標準的場地，甚至在實驗室中散養(yǎng)，伴隨動物撕咬、抓傷等事故的發(fā)生；其二，許多師生不按照實驗安全注意事項進行操作，沒有防護措施，個人未滅菌直接進出實驗室，極易導致人畜共患病和動物氣溶膠的危害。

國內(nèi)外研發(fā)飼養(yǎng)箱研究現(xiàn)狀，國外的研究在智能化和自動化方面已經(jīng)取得了很大的進展[1]，而我國的生物實驗飼養(yǎng)箱在技術上不夠成熟，在一定程度上依賴于外國進口。目前我國尚無統(tǒng)一的實驗動物籠器具標準，現(xiàn)有的實驗動物飼養(yǎng)器材在實際應用中存在許多不足之處，能夠幫助研究、檢測實驗動物的設備大多功能單一，且只能針對單一的動物。

由此設計一款集自動控制技術、智能檢測技術、現(xiàn)代通訊技術、云平臺技術于一體的生物實驗飼養(yǎng)箱系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有以下特點：

1、擴充產(chǎn)品的適用對象，能根據(jù)生物的不同生產(chǎn)環(huán)境進行調(diào)節(jié)從而能夠飼養(yǎng)多種動物；

2、可通過云平臺、手機等實施近遠程相結合的實時監(jiān)控、多種數(shù)據(jù)記錄與操作；

3、在喂養(yǎng)、衛(wèi)生環(huán)境、報警等方面擁有自動和手動模式；

4、降低了病菌傳播感染風險。

1 系統(tǒng)總體設計

監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖1所示，以一臺工控機監(jiān)控多臺寵物飼養(yǎng)箱，工控機與下位機采用485總線通訊模式，通訊距離大于1000m。飼養(yǎng)箱包含溫濕度控制模塊、自動換氣與空氣消毒模塊、自動投食模塊、動物行為監(jiān)控模塊等部分，其中溫濕度控制模塊主要實現(xiàn)飼養(yǎng)箱恒溫、恒濕控制；自動投食模塊除具有投食、投水功能外，還包含實物與水定量控制；自動換氣與空氣消毒模塊。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

主要實現(xiàn)飼養(yǎng)箱與實驗室空氣對流與殺毒；動物行為監(jiān)控主要實現(xiàn)動物在實驗條件下動物行為，包含飲食情況、運動情況等實驗要求。

如圖2所示是監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構，工控機產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)皆破脚_，再由云平臺傳輸給手機客戶端，同時，手機客戶端也能利用云平臺來控制工控機，從而控制寵物飼養(yǎng)箱的各個模塊。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構圖

2 系統(tǒng)功能模塊設計

2.1 溫濕度控制模塊

采用DHT11傳感器作為溫濕度傳感器，它能對數(shù)字進行精確采集以及對溫濕度具有較好的傳感技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性[2]。此傳感器包括NTC溫度傳感和濕敏電阻元件，并且連接于單個的STM32單片機，它不僅響應較快，而且具有很強的抗干擾能力，性價比也極高。其精度濕度為±單片機相，溫度±溫度，量程濕度 20%～90%RH，溫度 0～50度[3]。傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用在OTP內(nèi)存中以程序的形式儲存的校準系數(shù)。為了使系統(tǒng)的集成變得簡捷，采用單線制串口。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則[4]，電路如圖3所示。

圖3 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器與單片機的連接電路

在高溫條件下，將PTC陶瓷發(fā)s熱組件與波紋鋁條膠粘組成溫度加熱裝置。該類型PTC加熱器有熱阻小、換熱效率高的優(yōu)點，是一種自動恒溫、省電的電加熱器[5]。具有升溫迅速、使用壽命長、工作電壓范圍廣（12V～380V），設計方便等特點，最主要是PTC安全性能好，發(fā)熱時不發(fā)紅、無明火，可以避免起火。

加濕裝置采用繼電器來控制加加濕器的運行，選用的是JQC-3FF-S-Z電磁繼電器，該繼電器工作電流65mA，吸合電壓為5伏，觸發(fā)電壓0-3.5V，觸發(fā)電流2mA。由鐵芯、簧片、線圈和銜鐵組成如圖4所示。

圖4 繼電器控制電路

首先，由用戶通過觸摸屏設置相應飼養(yǎng)箱內(nèi)部的溫度及濕度，再由溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)傳遞到STM32單片機進行處理，對不在設定的范圍之內(nèi)的飼養(yǎng)箱的溫濕度進行調(diào)節(jié)，如當溫度過低時，通過單片機控制接通溫度加熱裝置的電源，從而使溫度達到要求；當濕度未在要求范圍內(nèi)時，由單片機控制加濕器使?jié)穸冗_到要求。

2.2 自動排換氣模塊

MG811二氧化碳傳感器對CO2具有良好的靈敏度和選擇性[6-7]，二氧化碳低濕度和溫度依賴長期穩(wěn)定性和再現(xiàn)性的特點。

為了方便使用，換氣扇設置了兩種工作狀態(tài)：手動和自動。通過STM32生成雙路PWM波經(jīng)過電機驅(qū)動電路來分別控制排氣通道的換氣扇和進氣通道的換氣扇；為了避免誤操作導致?lián)Q氣扇在高速運行時突然停止，產(chǎn)生大電流將電路燒壞，通過改變STM32生成的脈沖寬度調(diào)制的波形的占空比來使排氣扇的轉(zhuǎn)速達到理想轉(zhuǎn)速。

由于L298N電機驅(qū)動電路有：可實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)及調(diào)速。啟動性能好，啟動轉(zhuǎn)矩大。工作電壓可達到36V，工作電流最大值為4A，可同時驅(qū)動兩臺直流電機，采用L298N驅(qū)動電路作為換氣扇電機的驅(qū)動電路，電路如圖5所示。

圖5 L298N電機驅(qū)動電路

由于手動和自動兩種工作模式方式都是控制相同的對象，為減少電路不必要的回路，將手動模式以及自動模式采用同一個控制信號，通過按鍵SW1來將二氧化碳傳感器所產(chǎn)生的信號斷開或連接來控制手動與自動模式的切換，按鍵SW1按一下就切換一次操作模式。當模塊工作在手動操作模式時，通過按下按鍵SW2使換氣扇工作在排氣狀態(tài)、通過按下按鍵SW3使換氣扇工作在進氣狀態(tài)、通過按下按鍵SW4使換氣扇停止工作。當模塊工作在自動操作模式時，利用二氧化碳傳感器檢測生物實驗寵物箱內(nèi)部的二氧化碳濃度，二氧化碳傳感器將采集的信息經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換傳遞給STM32單片機，單片機通過對比用戶設置的二氧化碳濃度的范圍，進行判斷換氣扇是否工作并產(chǎn)生對應的信號，從而，實現(xiàn)換氣扇的運行。同時在排放氣的通道各加一個空氣過濾器，用來防止實驗寵物箱里面的有毒的細菌通過換氣這個過程，進入到箱外，從而，避免實驗室研究人員感染細菌，也避免了實驗人員進實驗室時意外攜帶的細菌、病毒等通過換氣通道進入試驗箱內(nèi)，干擾實驗的結果。如圖6所示是自動換氣扇模塊工作流程圖。

圖6 自動換氣扇模塊工作流程圖

2.3 空氣消毒模塊

該模塊采用K24次氯酸消毒液進行空氣消毒，K24次氯酸消毒液有效除菌原理與人體白血球的抗抑菌原理相同，僅對細菌和病毒等產(chǎn)生強氧化作用，對人和動物無傷害，相比酒精類消毒產(chǎn)品的揮發(fā)性和易燃易爆性，次氯酸消毒液在較大范圍內(nèi)使用時更加安全，也可以防止寵物呼吸時吸入揮發(fā)至空氣中的酒精而導致身體受損。

其次，空氣消毒模塊也采用STM32產(chǎn)生PWM經(jīng)過L298N電機驅(qū)動電路，控制舵機的動作來使噴霧器工作，利用STM32來進行定時設定用戶設置的消毒周期，每當達到一個消毒周期，STM32就控制裝有K24次氯酸消毒液的噴霧器運行10ms來進行消毒，噴霧器運行的時間可根據(jù)測試時的實際的使用情況進行修改，以達到對整個飼養(yǎng)箱消毒的目的。

圖7 空氣消毒模塊工作流程圖

為了避免消毒液用完而沒有及時補充事情的發(fā)生，在噴霧器下方加一個壓力傳感器，當噴霧器給壓力傳感器低于一定值時，將由STM32通過WIFI傳到云平臺上，最后通過云平臺向工作人員的手機發(fā)出及時補充消毒液的信息。

WIFI模塊采用ESP8266模塊， 其具有一個完整的內(nèi)含TCP/IP 協(xié)議棧的WIFI網(wǎng)絡解決方案，它能夠獨立運行，也可以作為從機搭載于其他主機MCU運行。ESP8266模塊使用AT 指令對設備進行快速配置，根據(jù)實際使用需要可以將模塊配置成ST模式[7]。

2.4 自動投食模塊

主要有3種喂水喂食方式：第一種是Rtc時鐘定時，當?shù)竭_顯示屏設定的時間時，飼養(yǎng)箱自動開啟水泵或喂食舵機；第二種是LCD手動控制，通過LCD顯示屏的控制界面來手動開啟水泵或喂食舵機；第三種是手機終端控制，手機登錄App遠程開啟水泵或喂食舵機[8]。

稱重裝置采用HX711壓力傳感器，它集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路[9]，如圖8所示，不僅集成度高，而且響應速度快，還不易受干擾。使得電子秤的成本有所下降，還提升了整機的各項性能和穩(wěn)定性。當食物重量發(fā)生變化時，梁因受到垂直壓力P而發(fā)生形變，電阻應變片R1、R3的阻值因此彎拉伸而變大。R2、R4受壓縮，阻值減小。電橋失去平衡，產(chǎn)生不平衡電壓U，電壓U與作用在傳感器上的正壓力P成正比，從而將非電量轉(zhuǎn)化為電量輸出[10]。電橋示意圖如圖9所示。

圖8 HX711外部電路

圖9 電橋示意圖

自動投食模塊設置了一個定量開關來控制電磁鐵的開關，在實物量少于100 g時打開出料口，在達到閾值后關閉出料口。為了保證食物的新鮮，每隔兩天通過云平臺向工作人員的手機發(fā)出換食物的信息。

2.5 體溫測量與行為監(jiān)控部分

利用MLX90614紅外熱成像傳感器得到寵物飼養(yǎng)箱內(nèi)熱源圖。采用雙線性內(nèi)插值算法將原始的32*24分辨率熱源圖放大10倍。其原理較為簡單，如圖10所示，p點像素值決定于Q12、Q22、Q11、Q21這4個點的像素值：

圖10 紅外熱成像傳感器獲取的熱源圖

先在X軸方向做2次插值操作（分別為R1和R2），之后在Y軸方向做一次插值操作§，相反的，也可以先在Y軸做2次插值操作，然后在X軸做一次插值操作：

再將圖像閾值二值化后進行邊緣檢測，使用改進的迭代法求二值化的閾值：該算法每次取m1與m1之和的一半來更新閾值，該算法每次取m0與m1之和的一半來更新閾值

為了使閾值更接近m1，對以上公式進行修改，增大m1的比重，同時減小m1的比重，比重可隨實際情況修改：

在最大的區(qū)域的像素點中選擇溫度最高的15個像素點的溫度，取平均值作為寵物的體溫數(shù)據(jù)并記錄。

由于生物的體溫明顯比環(huán)境溫度高，因此可直接使用灰度重心法求取重心?；叶葓D像由每個像素點的溫度值直接轉(zhuǎn)換為灰度值獲得。對于M * N大小的圖像f，像素的灰度值凡是超過閾值T（可用二值化閾值代替）的均參與重心處理，于是重心坐標為：

記錄每次刷新后的重心坐標值，繪制成行動軌跡對其監(jiān)控并將監(jiān)控信息通過WIFI保存并發(fā)往云平臺。

3 系統(tǒng)人機交互模塊設計

3.1 工控PC機、云平臺、手機APP小程序

工控PC機采用485總線結構監(jiān)控多臺寵物飼養(yǎng)箱，實現(xiàn)對空氣消毒裝置、飼養(yǎng)箱自動排氣換氣模塊、溫濕度控制模塊、寵物行為監(jiān)控與體溫測量的遠程參數(shù)監(jiān)測、控制參數(shù)修改、開關遠程控制、特殊情況報警、報警記錄保存與查看功能、數(shù)據(jù)打印等功能，這種結構不僅節(jié)省布線成本，便于寵物飼養(yǎng)箱增加新的功能模塊，也有利于寵物飼養(yǎng)箱的更新升級。

有人透傳云提供了一套二次開發(fā)demo，采用 JAVA語言進行云平臺二次開發(fā)，通過MyEclipse軟件編寫云平臺程序并在Tomcat上面部署項目，Tomcat運行在云服務器上，云服務器一邊連接有人透傳云的CoAP服務器，一邊為手機APP端提供TCP連接，這樣只要授權用戶訪問云服務器就可以獲取實驗寵物箱的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)。

手機APP的開發(fā)主要采用mui框架，mui框架具有開發(fā)簡單、快捷的特點，開發(fā)出來的界面美觀簡潔，APP可以兼容Android、iOS、平板等不同平臺。APP界面中對各個模塊進行分塊處理，每一塊對應一個模塊的所有信息的處理，包括基本數(shù)據(jù)顯示，信息記錄，以及相應控制參數(shù)的修改，以及對模塊異常的報警。

3.2 觸摸屏顯示控制模塊

觸摸屏選用四線電阻式。將具有12位轉(zhuǎn)換精度并且支持SPI通訊協(xié)議的ADS7846控制芯片作為觸摸屏控制器的選擇；液晶屏控制器選用的EPSON公司的SED1335，帶有32K字節(jié)的SRAM，適用于文本顯示和圖形顯示（320*240點）兩種形式，最多3層圖形顯示合成[11]。

通訊以STM32單片機作為主機，而SPI從機的半雙工方式通訊以ADS7846作為程序流程圖。當使用者點擊觸摸屏，觸摸屏一旦接收到，中斷請求就由ADS7846向主機發(fā)出，該請求由C8051F350進行響應，第一次SPI傳送是STM32單片機發(fā)送控制字符給ADS7846控制器，包含起始位、通道選取、8/12位模式、差分/單端選取和掉電模式選取等信息[11]，接下來的兩次SPI傳送則是A/D轉(zhuǎn)換結果的數(shù)據(jù)由STM32從ADS7846中讀取，觸摸屏和單片機之間就完成了一次通訊。通訊有初始化系統(tǒng)，傳輸SPI數(shù)據(jù)、中斷服務等過程。調(diào)用兩次SPI通訊程序來完成一次坐標的轉(zhuǎn)換，以分別讀取X、Y坐標的值。由于轉(zhuǎn)換的有效值結果最后兩位有較大的變化，故可將其高十位作為最后的計算結果。

觸摸屏界面共有8幅畫面，主畫面、自動排換氣模塊畫面、溫度濕度控制模塊畫面、空氣消毒模塊畫面、自動投水投食模塊畫面、體溫測量與行為監(jiān)控模塊畫面，參數(shù)設定與說明畫面，故障報警畫面。主畫面主要是對系統(tǒng)的各部分的介紹，方便用戶使用；自動排換氣模塊畫面主要顯示當前飼養(yǎng)箱內(nèi)部的CO2濃度；溫度濕度控制模塊畫面顯示當前飼養(yǎng)箱內(nèi)部的溫濕度；空氣消毒模塊畫面顯示消毒液的剩余量以及上次消毒的時間；自動投水投食模塊畫面顯示水的剩余量以及飼料的剩余量；體溫測量與行為監(jiān)控模塊畫面顯示當前生物的體溫以及異常行為的記錄；在參數(shù)設定與說明畫面可以設置溫濕度控制范圍、空氣消毒的間隔時間、喂食量等以及對各模塊的參數(shù)值進行了詳細的闡述，有利于實驗人員更快了解實驗生物的狀況，故障報警畫面對各異常狀態(tài)進行報警以及對異常狀況進行記錄，可以隨時查詢報警的原因及時間，并提醒實驗人員及時解決問題。

4 結語

本文設計了一款集恒溫、恒濕、消毒、錄像、自動投食、紅外測溫、遠程監(jiān)控、異常情況報警等功能于一體的生物實驗飼養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以工控PC機為樞紐，通過485總線連接各模塊，同時控制多個飼養(yǎng)箱。系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)皆破脚_，云平臺和手機客戶端進行互相信息傳遞，從而控制寵物飼養(yǎng)箱的各個模塊，通過遠程監(jiān)控，可極大的減少實驗人員管理實驗生物的時間和實驗人員接觸實驗對象的次數(shù)，既降低了實驗人員感染病毒的風險，又提高了實驗效率，還降低了人力物力成本。本系統(tǒng)還有幾個有待優(yōu)化和提高的地方，比如可以增加一個攝像頭，實時地監(jiān)測寵物當前狀態(tài)，優(yōu)化圖像處理算法，給投食投水模塊增加箱內(nèi)清潔、糞便分解功能等。