基于單片機(jī)的奶牛生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

許璇 郎朝先 邱達(dá) 彭興河 張勇

摘 要：本文中筆者基于MSP430低功耗單片機(jī)控制的奶牛生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)奶牛生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)原理、2.4G無(wú)線(xiàn)模塊做星狀網(wǎng)絡(luò)、GPRS模塊數(shù)據(jù)上傳方案等進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。經(jīng)實(shí)踐可知此系統(tǒng)具有低成本、高精度等特點(diǎn)，在NRF24L012.4G模塊的應(yīng)用方面具有創(chuàng)新性。該系統(tǒng)在對(duì)奶牛生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，既關(guān)注奶牛的健康狀況，又著重監(jiān)測(cè)奶牛的妊娠期，并將數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)發(fā)送到工作人員的手機(jī)客戶(hù)端和辦公顯示屏上，從而可以在一定程度上減輕奶牛場(chǎng)工作人員的工作量，提高奶牛妊娠期的監(jiān)測(cè)效率，擴(kuò)大奶牛場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：MSP430；GPRS；NRF24L01；無(wú)線(xiàn)發(fā)送；妊娠期

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274；TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）03-0195-02

The Physiological State Monitoring System of Dairy Cow Based on

Single Chip Microcomputer

XU Xuan，LANG Chaoxian，QIU Da，PENG Xinghe，ZHANG Yong

（School of Information Engineering of Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China）

Abstract：In this paper，the physiological state monitoring system of dairy cows based on MSP430 low-power microcontroller is used to monitor the physiological status of dairy cows、2.4G wireless module makes star network，GPRS module data uploading scheme and so on. According to the practice，this system has the characteristics of low cost and high accuracy，and it has an innovative application in the application of NRF24L012. When the cows physiological status monitoring，this system is focused on the health of the dairy cow and focus on monitoring the cow's pregnancy，and the data are sent to the staff's mobile APP and office display screen，which can reduce the workload of the dairy farm workers to a certain extent，improve the monitoring efficiency of the cow's pregnancy and expand the economic benefits of the dairy farm.

Keywords：MSP430；GPRS；NRF24L01；wireless communication；pregnancy

0 引 言

牛奶是生活中必不可少的營(yíng)養(yǎng)品，提高奶牛牛奶的產(chǎn)量成為商家比較關(guān)注的問(wèn)題。影響奶牛產(chǎn)奶量的關(guān)鍵因素有兩個(gè)：一是奶牛的生理狀況是否健康，二是飼養(yǎng)員能否較為準(zhǔn)確的判斷奶牛的發(fā)情期。目前，對(duì)奶牛的發(fā)情期判斷一般還是由人工來(lái)進(jìn)行，效率較低。若是能利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)判斷發(fā)情期，并對(duì)奶牛的生理狀況進(jìn)行檢測(cè)和提醒，可以提高工作效率，在一定程度上提高產(chǎn)量，同時(shí)也減少工廠(chǎng)工人的數(shù)量，為工廠(chǎng)節(jié)約成本。本文中筆者設(shè)計(jì)的奶牛生理狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)每頭奶牛的生理狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并對(duì)發(fā)情期做出較準(zhǔn)確的判斷。然后通過(guò)2.4G無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送到上位機(jī)做提醒和處理，使工作人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)奶牛的異常，并及時(shí)驗(yàn)證和處理。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理

該系統(tǒng)的下位機(jī)以MSP430f149單片機(jī)為核心處理器。

下位機(jī)通過(guò)非接觸式紅外測(cè)溫傳感器MLX90614模塊采集奶牛的體溫，以判斷奶牛體溫是否正常；使用SON1205脈搏傳感器采集奶牛的心跳，再經(jīng)過(guò)MSP430f149單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和處理；下位機(jī)處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)NRF24L01無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)以MSP430F149處理器為核心，通過(guò)NRF24L01掃頻接收數(shù)據(jù)，并將處理判斷后的發(fā)情期情況、體溫是否正常等數(shù)據(jù)顯示到顯示屏上。然后由GSM發(fā)送到云端。若有異常，上位機(jī)會(huì)發(fā)出警報(bào)聲，并發(fā)送撥打電話(huà)給工作人員的指令，圖1為系統(tǒng)框圖。

2 NRF24L01掃頻接收功能實(shí)現(xiàn)

2.1 NRF24L01初始化步驟

2.2 NRF24L01掃頻方案的實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)在設(shè)置接收模式后，按照一定規(guī)律，不斷調(diào)整RF_CH寄存器的數(shù)值，從而改變上位機(jī)的接收頻率，最多可設(shè)置125個(gè)頻率點(diǎn)。從機(jī)則按照不同的編號(hào)設(shè)置相應(yīng)的調(diào)整通信頻率，并控制寄存器SETUP_RETR，設(shè)置自動(dòng)發(fā)送次數(shù)，以防止出現(xiàn)信息接收遺漏的情況。NRF24L01在平坦地段收發(fā)半徑最大可擴(kuò)展近2公里，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，主機(jī)在設(shè)置成掃頻模式后接收半徑在400m以上，達(dá)到功能設(shè)計(jì)要求。

3 模塊介紹

3.1 NRF20l01+PA模塊

此模塊工作頻率段為2.4～2.5GHzISM頻段，采用鍵控方式進(jìn)行調(diào)制解調(diào)并且內(nèi)置有頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和SPI模塊[1-3]。一次可以無(wú)線(xiàn)傳輸32個(gè)數(shù)據(jù)，通訊速率10bps；距離上該模塊在空曠的地方傳輸距離為2000m左右，地勢(shì)較為顛簸的地方有效距離小于1000m；NRF24L01抗干擾較強(qiáng)，低輻射，耐高溫，溫度范圍為-40～85℃；NRF24L01模塊最大的特點(diǎn)是具有6個(gè)通道，且在2.4G到2.5G之間的頻道進(jìn)行通信，共125個(gè)頻道，為實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的掃頻收發(fā)提供了可能性。為此，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，上位機(jī)利用NRF24L01掃頻接受負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)奶牛生理狀況的從機(jī)的數(shù)據(jù)。

3.2 GPRS模塊

GPRS的傳輸速率從56K到114Kbps不等，理論速度最高達(dá)171k，實(shí)際測(cè)試的下傳速度在25K左右。相對(duì)于GSM9.6kbps的訪(fǎng)問(wèn)速度而言，GPRS擁有更快的訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)通信速度，GPRS技術(shù)還具有在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)連接，永遠(yuǎn)在線(xiàn)，按流量計(jì)費(fèi)等特點(diǎn)。GPRS模塊，是具有GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能的GSM模塊。普通計(jì)算機(jī)或者單片機(jī)可以通過(guò)RS232串口與GPRS模塊相連，通過(guò)AT指令控制GPRS模塊實(shí)現(xiàn)各種基于GSM的通信功能。本系統(tǒng)中，上位機(jī)單片機(jī)控制GSM通過(guò)http請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)到Java Web服務(wù)器；Java Web將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到MySql數(shù)據(jù)庫(kù)。手機(jī)客戶(hù)端通過(guò)http get請(qǐng)求向服務(wù)器請(qǐng)求數(shù)據(jù)，并接受服務(wù)器傳來(lái)的json包，解析并顯示到手機(jī)客戶(hù)端上。

3.3 脈搏心率傳感器

該系統(tǒng)選用一款開(kāi)源的心率傳感器pulse sensor。該傳感器本質(zhì)是一個(gè)帶有放大和消噪功能的光學(xué)放大器，通過(guò)佩戴在奶牛手指末端或者耳垂等毛細(xì)血管末端來(lái)檢測(cè)血液量的變化，從而得到實(shí)時(shí)心率。該傳感器只有三根線(xiàn)，分別為電源、地和信號(hào)線(xiàn)，信號(hào)線(xiàn)輸出模擬信號(hào)，然后通過(guò)比較器轉(zhuǎn)換為方波，比較器的主要功能是指出兩個(gè)輸入電壓CA0和CA1的大小關(guān)系，然后輸出CAOUT的值。如果CA0>CA1，則CAOUT=1，否則CAOUT=0。參與的兩個(gè)電壓CA0和CA1可以外部或者內(nèi)部調(diào)整基準(zhǔn)電壓，使任意組合成為可能[4]。

3.4 MLX90614紅外測(cè)溫模塊

MLX90614模塊是一組通用的紅外測(cè)溫模塊。在出廠(chǎng)前該模塊已進(jìn)行校驗(yàn)及線(xiàn)性化，具有非接觸、體積小、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。被測(cè)目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度能通過(guò)單通道輸出，有兩種輸出方式：PWM輸出、可編程SMBus輸出，適于多種應(yīng)用環(huán)境。

4 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)以MSP430單片機(jī)為主控制器，通過(guò)2.4G無(wú)線(xiàn)模塊和GPRS進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信。下位機(jī)負(fù)責(zé)奶牛生理狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和判斷，并通過(guò)2.4G無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)整合數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊發(fā)送到Java Web服務(wù)器，最終顯示到工作人員的客戶(hù)端上，若奶牛的溫度和心率嚴(yán)重失常，上位機(jī)將控制蜂鳴器警報(bào)，并發(fā)送撥打工作人員電話(huà)的指令以及時(shí)提醒前來(lái)救助。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 王金成.基于MSP430的奶牛發(fā)情期監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì) [D].南京：南京信息工程大學(xué)，2008：46.

作者簡(jiǎn)介：許璇（1995-），男，湖北恩施人，本科。研究方向：通信工程、智能控制、物聯(lián)網(wǎng)；通信作者：邱達(dá)（1984-），男，工程師。研究方向：智能控制。