多參數飼養環境遠程監測系統設計

摘" 要：為滿足動物飼育實驗室對溫度、相對濕度、氣體流量、微壓差、顆粒物濃度、CO2濃度、NH3濃度和H2S濃度等關鍵環境參數的監測需求，該文設計一款集多參數監測、模塊化設計、用戶友好界面于一體的實驗動物飼育與環境指標遠程監測系統。該系統采用模塊化設計，允許靈活配置功能，并通過Cat-1模組的無線傳輸方式與云平臺控制系統連接，對飼養實驗室進行可視化監測和設置監測指標預警，并且可根據實時回傳的測試數據對實驗室環境狀態進行實時分析、處理及參數數據存儲。

關鍵詞：環境參數；遠程監測系統；Cat-1模組；無線傳輸；云平臺

中圖分類號：X835" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）05-0125-05

Abstract： In order to meet the monitoring needs of animal breeding laboratories for key environmental parameters such as temperature， relative humidity， gas flow， micro pressure difference， particulate matter concentration， CO2 concentration， NH3 concentration， and H2S concentration， this paper designs a remote monitoring system integrating multi-parameter monitoring， modular design， and user-friendly interface for laboratory animal breeding and environmental indicators. The system adopts a modular design， allowing flexible configuration of functions， and is connected to the cloud platform control system through the wireless transmission method of the Cat-1 module to visually monitor the breeding laboratory and set early warning of monitoring indicators. It can also be based on real-time transmitted back test data. Real-time analysis and processing of laboratory environmental status and parameter data storage.

Keywords： environmental parameters; remote monitoring system; Cat-1 module; wireless transmission; cloud platform

隨著生物科學研究的不斷深入，實驗動物作為科學實驗的重要參與者，其飼養環境的穩定性直接影響到實驗結果的準確性和可靠性。實驗動物飼養環境的溫度、濕度、氣體流量、微壓差、顆粒物濃度、CO2濃度、NH3濃度和H2S濃度等關鍵環境參數的控制和監測[1-5]，成為了科研人員關注的焦點。傳統的環境監測方法往往依賴于人工巡檢和定期檢測，這種方式不僅效率低下，而且實時性差，無法滿足現代生物實驗室對環境參數監測的高要求。為了解決這一問題，本文提出了一種基于Cat-1的多參數飼養環境遠程監測系統設計。該系統充分利用了Cat-1技術的優勢[6-7]，通過無線傳輸方式將實驗動物飼養環境的各項關鍵參數實時傳輸至云端，實現了對飼養環境的遠程監測和管理。不僅提高了監測效率，還增強了實時性，使得科研人員能夠隨時掌握飼養環境的狀況。

該系統采用了模塊化設計，可以根據不同的飼養環境和實驗需求，靈活配置監測參數，滿足多樣化的監測需求。本文根據飼養實驗室的特殊性，使得系統能夠適應各種不同的飼養環境，具有較強的通用性和擴展性。同時，系統還提供了用戶友好的界面，使得科研人員可以方便地進行數據查看、分析和處理。科研人員可以通過界面直觀地了解到飼養環境的狀況，并根據需要調整監測參數，以確保實驗動物飼養環境的穩定性和適宜性。

多參數飼養環境遠程監測系統的設計能夠為實驗動物飼養環境監測提供一種高效、實時、穩定的解決方案。此解決方案將為生物科學研究提供實時、可靠的數據支持，有利于提高飼養動物實驗室測量結果的準確性和可靠性，推動生物科學研究的進一步發展。同時，該設計還可以為實驗動物飼養環境的改善和管理提供科學依據，促進實驗動物福利的提升。

1" 多參數飼養環境遠程監測系統與LTE Cat-1系統總體結構

1.1" 多參數飼養環境遠程監測系統

多參數飼養環境遠程監測系統總體結構如圖1所示。

多參數飼養環境遠程監測系統的主要組成部分包括采集與控制單元、控制管理平臺、遠程服務器及應用層。采集與控制單元是系統的前端，主要負責實時監測飼養環境中的各種參數。采集單元包括顆粒物傳感器、溫濕度傳感器、流速傳感器、微差壓傳感器及用于檢測CO2、NH3、H2S等氣體的傳感器。同時，將傳感器測量環境中各項指標的數據傳輸至控制管理平臺。

控制管理平臺中的微控制單元（MCU），主要是控制多參數傳感器進行數據的采集和傳輸。并在MCU中對傳感器進行周期性的數據采集時間進行預設，同時將收集到的測試數據打包并通過Cat-1模組發送到遠程服務器中。控制管理平臺確保了數據能夠高效、準確地從采集單元傳輸到服務器。

遠程服務器主要接收來自控制管理平臺的環境測試數據，并進行存儲、分析和處理。服務器將根據科研人員的要求，對數據進行分析，以便于制定決策和調整飼養環境。此外，遠程服務器還支持遠程控制功能，允許科研人員或管理人員遠程調整實驗動物飼養環境的預警參數設置，確保環境的穩定性。

其中，應用層是用戶與系統交互的界面，根據科研人員要求，可以在手機端或PC端實時查看飼養環境的狀況，接收預警通知，并根據科研人員的需要調整監測參數或執行控制命令。多參數飼養環境遠程監測系統的設計是為提供一個高效、實時、穩定的監測解決方案，以確保實驗動物飼養環境的最佳條件，從而支持生物科學研究的準確性和可靠性。通過這種系統的部署，科研人員可以更好地控制實驗條件，提高實驗動物的舒適性，同時促進科學研究的進展。

1.2" Cat-1系統總體結構

本文構建了一個基于Cat-1技術的網絡架構，該架構主要包括多參數傳感器終端、物聯網平臺及Cat-1通信模組。傳感器終端通過設計的外圍電路與通信模組相連，并綁定特定的SIM卡以接入Cat-1網絡，實現測試數據的封裝與傳輸。實驗室的測試數據在物聯網平臺上進行處理和存儲，其運算結果反饋至上位機界面進行展示。

Cat-1模組以其卓越的性能、成本效益以及廣泛的應用范圍，成為物聯網領域的一種優選解決方案[8]。該模組提供高速的上下行速率和強大的處理能力，支持多種業務功能，包括高清語音、視頻傳輸和遠程升級。對多種協議的支持，如TCP/UDP /MQTT/HTTP/HTTPS等，簡化了快速開發的過程。特別是其原生支持OpenCPU架構，可以省去外部MCU等周邊電路，從而顯著降低整體成本。低成本設計和兼容性特點使其成為快速開發多種物聯網應用的首選。此外，內置的國產芯片支持多種網絡模式和定位技術，增強了模組的實用性和可靠性。憑借廣泛的4G/5G網絡覆蓋，Cat-1模組適用于工業控制、共享經濟、金融支付、公網對講和能源等多種場景，有助于推動物聯網技術的創新和應用。

在監測系統網絡架構的設計階段，對Cat-1和NB-IoT 2種通信模組進行了深入的比較分析[9-10]。比較的維度涵蓋了產業鏈配套的成熟度、通信模組的成本效益、應用場景的適應性、商業模式的可持續性、網絡覆蓋的廣泛性、通信速率、對全業務的支持能力、設備的可移動性以及在待機狀態下的功耗等多個關鍵性能指標，具體如圖2所示。

鑒于實驗動物飼養實驗室的特殊場景需求，即對較高數據速率和長距離通信的要求，Cat-1模組展現出其優勢。它能夠提供高達10 Mbps的下行速率和5 Mbps的上行速率，非常適合需要實時數據傳輸的應用。相比之下，NB-IoT模組提供的最高速率約為250 kbps，更適用于偶爾傳輸小數據包的應用場景。此外，Cat-1模組支持語音、短信和數據傳輸，能夠滿足多功能通信的需求，而NB-IoT模組則主要支持數據傳輸，對語音和短信的支持能力有限。綜合以上分析，本設計最終決定采用Cat-1模組作為通信解決方案，以實現對實驗動物飼養環境的高效、實時監測。

2" 多參數飼養環境遠程監測系統與LTE Cat-1系統總體結構

2.1" Cat-1系統總體結構

多參數采集模塊硬件設計主要分為傳感器采集模塊和通信模塊的電路設計。其中傳感器負責對飼養環境中測試數據的采集，而通信模塊則負責與云平臺進行數據交換。硬件電路設計中的溫濕度數據由MSR-5濕度傳感器和DaCW14-3T鉑電阻溫度傳感器采集，氣流速度則由CAFS4000B型流量傳感器監測，微壓差數據采用SDP8XX型壓差傳感器，顆粒物濃度由SPS30型顆粒物傳感器測量，而氣體類數據包括CO2濃度、NH3濃度和H2S濃度，分別由SCD30型CO2傳感器、ME3-NH3型氣體傳感器和MEu-H2S型氣體傳感器進行檢測。多參數采集模塊與通信模塊示意圖如圖3所示。

采集模塊通信實現流程如圖4所示，通信模塊采用雙頻天線、Cat-1通信模組和聯通專用物聯網卡進行通信，并通過雙頻天線將采集的測試數據直接發送到云平臺。

Cat-1通信模組硬件采用“物聯網+STM32單片機”控制方案，這種方案響應及時，成本也較低易量產，其中單片機選擇為STM32系列單片機。為了使通信模塊高效穩定的工作，云平臺需要與通信模塊每隔5 min進行心跳交互，在通信指令下達結束后，判斷系統是否運行結束，如果系統未結束返回系統調試，重復數據交互，如果結束，則直接退出系統[11]。同時，為防止測試數據包的丟失，在采集時刻需采集不少于3次的測試數據，以保證測試數據的準確性。

2.2" 軟件設計

根據飼養實驗室的要求，本設計選擇使用監控平臺系統，在系統中在設備管理中添加了多參數模塊，在數據管理模塊中添加了各個傳感器數據模板，并可在歷史記錄中查看實驗室參數數據和運行狀態。可根據實際要求，在觸發器中添加觸發器臨界值預警，當傳感器上傳的數據達到所設的報警閾值，便會觸發警報，以高亮和短信的形式，推送報警信息，提醒科研人員查看實驗室突發狀況。

飼養環境管理系統的組態監控視圖如圖5所示，在監控視圖中可以實時查看實驗室的基本信息和環境參數。組態畫面信息可以在組態管理中進行開發，并且可以在監測系統中增添新的組件，也可以單獨應用。

3" 實驗與數據處理

在本次實驗中，選取設備1和位置點1作為實驗監測對象，并對飼養實驗環境中的關鍵環境參數進行監測。這些參數包括溫度、相對濕度、氣體流量、微壓差、顆粒物濃度、CO2濃度、NH3濃度和H2S濃度等。在監測實驗環境前，需將多參數環境傳感器采集的數據與標準監測設備進行數據對比驗證，確保環境監測系統數據的準確性。同時，為保證實驗測試數據的全面性和可靠性，需對環境參數進行連續監測，采集時間持續7天，監測采集頻率設定為每間隔2 h取一次數據。測試數據隨后通過Cat-1通信模組傳輸至云平臺，以便進行數據存儲和進一步分析。通過這種方式，能夠確保數據的實時更新和準確記錄，為后續的數據分析提供堅實的基礎。

通過上述誤差公式，對云平臺上傳的環境實驗數據進行處理，具體7天內的溫度、相對濕度、氣體流量、微壓差、顆粒物濃度、CO2濃度、NH3濃度和H2S濃度等多參數數據變化曲線如圖6所示。

根據圖6所示的飼養環境參數變化曲線，對溫度、相對濕度、氣體流量、微壓差、顆粒物濃度、CO2濃度、NH3濃度和H2S濃度等關鍵環境參數的每日監測數據進行平均值計算。分析結果顯示，連續7天的監測數據平均值數據呈現出一致性，每天的監測數據誤差范圍均控制在5%以內，這表明飼養環境在考核指標上達到了預期的穩定性。

通過為期7天的監測實驗數據，本文驗證了所設計的飼養環境監測系統，在準確監測實驗動物飼育實驗室中的關鍵環境參數方面的有效性。此外，科研人員可以通過系統提供的可視化界面實時訪問監測數據，并根據實驗室需求設定環境參數預警閾值。一旦環境參數超出預設閾值，系統將自動觸發預警，以便科研人員及時響應并采取相應措施。

4" 結論

本文設計的飼養環境監測系統，采用專用的物聯網Cat-1模組，實現對飼養環境監測數據實時上傳至云平臺控制系統。該系統能夠根據預設的環境多參數閾值，對飼養實驗室進行可視化監測與預警。經過為期7天的實驗數據監測，實驗結果表明，本文設計的飼養環境中多參數指標誤差范圍均控制在5%以內，充分滿足了飼養環境的監測要求。此外，該系統的應用顯著減少了人工成本，提升了工作效率，并為科研人員提供了準確性和可靠性更高的實驗結果評估。此飼養環境監測系統的設計，有效推進了飼養實驗室的遠距離監測與控制，為飼養實驗室的智能化、無人化建設提供了探索與驗證的基礎。

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