基于MLX90615的豬耳掛式體溫監測系統設計

段練達 施云波 叢大為

摘要：本文介紹了一種基于使用GY-MCU90615紅外體溫傳感器和NodeMCU控制器設計的耳掛式傳感器節點，使用中國移動Onenet平臺作為云平臺的非接觸式豬體溫檢測系統的設計方案。該系統可以實現遠程、實時的監控豬體溫。系統的傳感器節點以豬耳掛為外形，并以測得豬耳溫為測量目標。得益于紅外傳感器的高精度（±0.02℃）測量特性與云平臺的互聯特性，該系統不僅可以降低飼養員平時工作的強度，還能較為準確、及時地向管理員報告豬的當前體溫、并在豬體溫異常時發出異常警報，以便飼養員及時應對、減少損失，在實際生產中有良好的應用前景。

關鍵詞：豬耳溫監測；紅外測溫；Onenet；MLX90615；NodeMCU

1.引言

在生豬養殖行業中，體溫是豬的基本生理指標之一，如果豬只的體溫出現異常，表明豬的生理機能被擾亂[1]。本系統的耳掛式耳溫測量節點通過采集耳腔和骨膜的紅外輻射轉化為溫度值，并上傳到云平臺作進一步處理。與傳統的使用水銀溫度計測量的方案相比，紅外測量具有安全、快速、簡便、精度高的優勢。

2.紅外耳溫計測溫的基本原理

生物的體溫控制主要由大腦的下視丘器官來完成，該器官關于耳朵最為接近。耳 朵的溫度會隨著機體溫度的變化而發生變化[2]。得益于耳朵內部為封閉區域，我們得以在受外界影響較小的情況下，通過測量豬耳道與骨膜的紅外輻射強度來獲得豬的體溫信息。紅外輻射的能量密度與溫度之間滿足斯蒂芬-玻爾茲曼輻射定律[3]：

公式（1）闡述了單位表面積所發射的輻射功率與物體輻射率、斯蒂芬-玻爾茲曼闡述σ、物體的熱力學溫度T之間的關系。可見物體的輻射功率與物體的熱力學溫度成正比，所以只需要知道物體的輻射功率，就可以推算出物體的熱力學溫度T。

紅外傳感器的基本結構是一個串聯的熱電偶結構。芯片襯底上放置冷接頭、薄膜上放置熱接頭。薄膜吸收紅外輻射后會產生微弱的電信號。由公式（1）表述的原理，紅外傳感器的輸出信號為：

其中A是器件的總體敏感度，與傳感器的設計有關。T0與Ta分別為目標物體的熱力學溫度和環境的熱力學溫度，單位均為K。

3.系統整體設計

紅外傳感器通過測量目標物體的紅外輻射強度獲得豬的當前體溫，傳感器將測得的溫度數據通過串口發送到主控芯片。在主控芯片將溫度數據打包成Onenet云平臺規定的報文格式后，將報文通過串口發送給WiFi模塊，WiFi模塊使用TCP/IP協議向服務器發送數據報信息。云平臺通過解析報文中的數據流對應身份信息，對不同測量目標的測量參數進行更新、用戶可通過移動終端訪問云平臺應用中的信息，對被測對象的測量參數進行實時檢測。管理員通過設置觸發器的閾值，用戶可以在測量值異常時獲得通知，及時處理異常。系統整體結構如圖1所示：

4.硬件部分設計

整個系統的硬件部分分為三部分。其中傳感器選用了MLX96015紅外傳感器。主控模塊和WiFi模塊集成與NodeMCU開發板上，NodeMCU是一個開源的可以運行腳本的微控制器，直接支持WiFi鏈接和GPIO，而且成本低廉，十分適合物聯網開發。其核心采用ESP-8266模塊，該模塊集中了一款32位的超低功耗MCU，支持IEEE802.11b/g/n協議，擁有完善的TCP/IP協議棧與豐富的接口，可以掛載多種類型的傳感器。ESP-8266模塊在作為Wi-Fi模塊的同時，還可以同時作為主控模塊使用，不需要額外的單片機用作主控模塊，極大縮減了電路體積。電源模塊采用中順芯公司生產的的3.7V 600mAh 602530聚合物鋰電池，由于在NodeMCU開發板上集成了LM317穩壓芯片，該芯片可以將節點的輸入電壓穩定在3.3V，以保證傳感器節點的正常運行。測溫節點的硬件結構圖如圖2所示：

4.1控制器部分

由于本設計將ESP-8266模塊同時作為控制器，和WiFi發射模塊，我們在ESP-8266模塊中燒錄Arduion-WiFi固件實現從串口獲取傳感器數據與將數據打包發送的功能。得益于該固件，程序員可以快速地實現網絡傳輸的功能。

4.2Onenet云平臺部分

數據的接收與進一步處理、呈現在Onenet云平臺上完成。Onenet云平臺是中移物聯網推出的針對物聯網應用的開發平臺、具有易用免費的特點，Onenet平臺作為PaaS層，致力于為SaaS層和IaaS層提供連接的橋梁，向上向下都分別提供了中間層的服務，為各種跨平臺的應用提供了方便的接入、存儲、計算、可視化等服務。用戶可以通過網頁和移動端App對已發布的應用進行訪問，可以通過電子郵件接收來自云平臺的提醒，該平臺的強大功能能很好滿足本次設計的應用需求。

5.軟件設計

5.1程序設計

控制器使用SMBus協議[4]與傳感器模塊進行通訊，以讀取在MLX90614的RAM中儲存的溫度數據。若使用Data表示存儲在MLX90615中的原始數據，則體溫Temp可以使用公式Temp=0.02×Data-273.15獲得，讀取后的溫度值隨后被緩存在主控模塊的數據緩沖區中，以備接下來封裝成報文進行傳輸。

我們可以使用Get協議實現從云平臺對傳感器節點進行控制的操作，只需要在對控制器對應的數據流進行更改，然后使傳感器節點向云平臺發送Get協議報文來獲取該數據流中的當前信息，再根據該信息的內容做相應操作即可。具體的做法是更改數據發送至云平臺的時間間隔，以降低節點的能耗。也可以是提升發送數據的頻率來增強監測的實時性。此外我們可以使用Post協議向云平臺的數據流中發送數據。

表中post協議的含義是向PIG01數據流中添加一個新的數據點，值為27.5。報文中的Content-Length項所指的長度是報文內容的長度，該項是云平臺檢驗差錯的一部分，不能出錯。get協議的含義是從名為Switch的數據流中獲取數據，數據可以是特定的符號，控制器可以根據該信息做特定的動作。

5.2云平臺應用設計

云平臺的應用設計包括幾個主要部分：生成設備的秘鑰號碼、確定數據流的名、設計用戶界面。進一步的，可以設計條件觸發器，觸發器的功能在于當測量值滿足一定條件時向用戶發送警告信息。

使用傳感器對一目標物體進行測量，云平臺數據呈現界面圖3所示：

我們設置觸發器的閾值為35，讓傳感器節點測量溫度高于35℃的物體，當傳感器節點測得數據超過35時用戶會收到一封郵件作為提醒，郵件內容截圖如圖4所示：

6 結束語

由于在豬的生長過程中異常情況的突發性，傳統的測量方式已經不能滿足及時報告異常的需求，本設計通過將非接觸紅外測量與物聯網云平臺應用于豬體溫的監測，相對于傳統的人工測量方法，在測量的精度、速度上有顯著的優勢。該測量方案減輕了人力勞動，能夠及時對豬生長的異常情況進行報告，能夠減少損失是在上生產上具有良好的應用前景。接下來將對降低節點的功耗、提升節點的工作時間與對節點進行更好的封裝做進一步的研究。

參考文獻：

[1] 張巧平.基于體溫檢測的豬疾病判斷方法 [J]. 現代農業科技. 2011（20）.

[2] 鄭煜. 生理學[M]. 成都：四川大學出版社，2005.

[3] [美]萬茲蒂（R·Vanzetti）著，張守一等 譯. 紅外技術的實際應用[M]. 科學出版社，1981.

[4] 崔健，魯志平.SMBus協議分析及其在雙MCU通訊中的應用[J].微計算機信息，2004（06）：99-100.