基于STM32的奶牛生理參數監測系統

唐宇+駱少明+黃偉鋒

摘要：針對傳統人工方式監測規模化養殖奶牛健康狀況耗時耗力且準確率不高等問題，設計了一種可實時檢測奶牛生理指標的監測系統。該系統以STM32F103VET6微處理器為核心，嵌入了定位、通信、運動檢測、溫濕度檢測和基本生理參數測量等模塊，可實現對奶牛運動姿態、脈搏、血氧和體溫等參數實時監測，并將數據傳送到手機客戶端和遠程數據中心。運用該系統對隨機抽樣的10頭奶牛進行了血壓和血氧飽和度遠程檢測試驗，測得收縮壓均值為 138.83 mmHg，舒張壓為44.09 mmHg，血氧飽和度均值為83.7%。測試情況表明，該系統可實時監測奶牛的生理參數及其所在環境的各種信息，及時發現異常情況，運行可靠、性能穩定、使用靈活，具有一定的實用價值。

關鍵詞：STM32；奶牛；生理參數；監測；遠程通信

中圖分類號： S126文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）07-0185-04

近年來，中國奶牛業快速發展，已呈現規模化和集中化的趨勢，養殖環境的溫濕度是影響奶牛生產性能和繁殖性能的重要因素[1-2]。養殖過程中，飼養員對環境溫濕度和奶牛生理參數的定期檢測是保證奶牛健康的必要環節。傳統的人工檢測方法對工作人員要求高，耗時費力且準確率不高，難以滿足規模化養殖管理需求。

利用目前興起的能監護生物體征[3]的可穿戴設備技術，結合計算機監測[4]和通信網絡技術[5]，順應奶牛養殖管理自動化和智能化潮流[6]，實現奶牛生理參數的實時無人值守監測[7]，對于提高奶牛養殖工作效率有著十分重要的意義。

本研究設計了以STM32嵌入式處理器為核心，可測量奶牛的脈搏、血氧和體溫等生理特征參數和運動姿態以及養殖現場溫濕度的多信息監測系統。系統通過各種傳感器模塊采集多源信息，應用無線及遠程通信技術將養殖現場的相關數據實時傳送至智能手機終端和計算機遠程數據中心。養殖場管理員可通過該系統直觀地了解場內每只奶牛的生理和運動特征以及所處環境的溫濕度情況，及時發現異常情況，并為奶牛的飼養制定出更佳的營養方案[8]。

1系統的硬件設計

系統硬件結構如圖1所示，各個傳感器采集奶牛的基本生理參數和養殖現場周圍環境信息。STM32串口采集GPRS和GPS的數據，經主控制器算法處理后做出相應的參數判定。借助遠近距離的無線通信GPRS和藍牙模塊，將采集到的相關數據傳輸至近距離的智能客戶端或者遠程客戶端，實現對奶牛生理參數的實時動態監測。

系統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設備。系統中的傳感器主要為DHT11數字式環境溫濕度傳感器、光電式紅外體溫測量傳感器、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]（奶牛運動趨勢感應模塊），這些傳感模塊可測量環境溫濕度、奶牛體溫、心率、血氧飽和度、血壓、行走步數、行走速度和加速度等參數。

1.1MCU與GPRS模塊的接口設計

STM32單片機以RXD、TXD和GND三線形式的異步串行口USART1經過電平轉換后與Motorola公司的GPRS模塊G20進行數據雙向全雙工通信[11-12]，發送指令，使G20模塊完成聯網掛接、注冊登錄和短消息收發等相應操作，同時監聽接口，接收來自G20的回傳數據。G20開發板具有通信接口電平切換、通信接口選擇、來電顯示和信號顯示等功能，可勝任系統的遠程通信任務。

1.2MCU與奶牛脈搏、血氧和血氧感應模塊接口設計

STM32通過I/O口接收脈搏、血壓和血氧感應模塊的感測信息，該模塊由光電傳感器、信號處理、電壓抬升部分構成，如圖2所示。通過STM32發出控制信號切換紅外光與紅光，分時對脈搏光電信號和血氧濃度進行測量，并根據光電脈沖信號估算血壓信息。

1.3MCU與顯示觸摸屏的接口設計

STM32使用可變靜態存儲控制器（flexible static memory controller，FSMC）接口模塊與基于LCD英特爾8080接口的彩色液晶屏S95361進行連接，實現奶牛生理參數及環境數據信息的實時顯示，如圖3所示。

1.4MCU與GPS及紅外體溫測量模塊接口設計

系統采用MLX90614紅外測溫模塊實現對奶牛體溫的非接觸測量，通過STM32的I2C接口直接與該模塊進行通信，讀取溫度數據。

STM32單片機以RXD、TXD和GND三線形式的異步串行口USART2經過電平轉換后與Motorola公司的GPS模塊M12進行數據雙向全雙工通信，發出AT指令控制M12模塊進行空間定位并讀取奶牛所處的地理位置坐標信息和數據采集時間數據。

1.5MCU與藍牙模塊、陀螺儀接口設計

系統采用HC-05藍牙模塊實現與近距離手機終端的無線通信，通過STM32單片機的異步串行口USART3的RXD、TXD和GND分別與HC-05的TXD、RXD和GND進行電氣連接交換數據。

用于測量奶牛運動趨勢參數的陀螺儀模塊MPU6050具有標準的I2C接口，與STM32的另外一路I2C接口直接連接，實現模塊的初始化和奶牛運動參數的讀取。

2系統的軟件設計

監測系統的軟件部分是在內嵌了GUI界面的μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統基礎上編制完成的，主要由奶牛生理參數監測模塊、液晶顯示模塊、GPS定位模塊、紅外測體溫模塊、GPRS通信模塊、藍牙模塊、溫濕度傳感器模塊和三軸加速度感應模塊的驅動代碼組成，如圖4所示。

系統啟動后，首先對各個模塊進行初始化，接著顯示時鐘、位置信息和連接登錄GPRS數據網絡，該界面包括時鐘調校設置、計步器、參數、設置4個應用熱區。顯示進入到主界面的按鈕將主界面分成狀態欄、應用欄和控制欄。用戶可通過控制鍵，將采集和經算法處理后的數據，通過2個通信通道與手機移動端通信，并且可以在手機移動端實時更新當前數據，以及讀取和顯示相關的數據信息。

系統完成所有初始化工作后進入實時監測狀態，不斷輪回檢測前述的各項生理指標參數和環境信息，按既定格式打包數據并通過GPRS網絡發送至遠程數據終端（監測中心）。

2.1環境溫濕度數據處理程序設計

系統利用DHT11溫濕度傳感器監控奶牛養殖現場環境的溫濕度數據，該傳感器含有已校準的以數字信號形式輸出的溫濕度信息，相應的軟件處理流程如圖5所示。

2.2GPS數據處理程序設計

GPS模塊可以實時檢測經緯度和海拔高度，實現三維定位，并且可以獲取時區精確的國際標準時間，經解碼后可利用獲取的精準時間數據，校正系統自身的定時信息，該部分程序流程如圖6所示。

2.3三維運動趨勢感應處理程序設計

系統利用DHT11溫濕系統中的MPU-6050對陀螺儀和加速度計分別采用3個16位的ADC，將其測量的模擬量轉化為可輸出的數字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器的測量范圍均是用戶可控的，通過對三軸加速度的分析，可以判斷奶牛所做出的動作，執行相應的程序，該部分程序流程如圖7所示。

2.4脈搏、血氧和血壓數據處理程序設計

奶牛生理參數監測模塊由光電傳感器、信號處理、電壓抬升部分構成，通過MCU發出控制信號切換紅外光與紅光，分時對奶牛脈搏波和血氧濃度進行測量，獲取脈搏波形數據，通過相應的算法運算，最終得到實時檢測數據。對獲取的波形還須進行相應的濾波，才能得到準確的測量數據，該部分程序流程如圖8所示。

2.5紅外測溫處理程序設計

在監測系統中，用于檢測溫度的傳感器是MLX90614紅外熱電堆傳感器模塊[13]，它是一款紅外非接觸溫度計，測量范圍為-20～120 ℃，其分辨率高達0.14 ℃。該傳感器集成了低噪聲放大器、17位ADC和強大的數字信號處理單元，可實現高精度和高分辨度的溫度檢測。系統通過STM32F103VET6的I2C接口來讀取數字形式的溫度數據，該部分的程序流程如圖9所示。

3系統運行試驗

3.1試驗環境與條件

將調試好的系統程序固化到STM32F103VET6的程序存儲器后通電調測，等待所有模塊初始化完畢后，進行全系統運行測試。系統功能調測完畢后將各傳感模塊固定于奶牛頸圈上，如圖10所示，進行現場運行試驗。從位于廣州市從化區鰲頭鎮新圍村的奶牛養殖場內隨機選取10頭奶牛，套上傳感頸圈進行試驗。

3.2試驗方法與結果

同時將10套傳感頸圈掛于試驗奶牛頸上，設置每頭樣本的編號，待系統初始化完畢后，在監控室中連接了Internet的計算機上啟動數據中心上位機程序接收、記錄和保存相關數據。試驗持續5 d，分別在每天09：00和15：00 2個時間進行監測，奶牛的血壓和血液濃度測試結果分別如表1和表2所示。

4結語

結合生物傳感技術和嵌入式無線監測技術，提出了基于STM32的奶牛生理參數監測系統的硬件和軟件設計方案，并實現了養殖現場環境溫濕度、奶牛脈搏、血壓和血氧濃度等各項參數的實時顯示和數據的無線遠程傳輸。測試結果表明，該系統結構模型合理，軟硬件設計可行，具有一定的可擴展性，安裝方便，成本較低。該試驗系統經改良后能投入實際推廣應用，滿足對規模化養殖奶牛的重要健康參數的監測需要，還可以推廣到羊、馬和豬等其他家畜養殖領域，應用前景十分廣闊。

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