基于單片機的奶牛生理狀態監測系統

許璇 郎朝先 邱達 彭興河 張勇

摘 要：本文中筆者基于MSP430低功耗單片機控制的奶牛生理狀態監測系統對奶牛生理狀態監測原理、2.4G無線模塊做星狀網絡、GPRS模塊數據上傳方案等進行詳細的說明。經實踐可知此系統具有低成本、高精度等特點，在NRF24L012.4G模塊的應用方面具有創新性。該系統在對奶牛生理狀態監測時，既關注奶牛的健康狀況，又著重監測奶牛的妊娠期，并將數據無線發送到工作人員的手機客戶端和辦公顯示屏上，從而可以在一定程度上減輕奶牛場工作人員的工作量，提高奶牛妊娠期的監測效率，擴大奶牛場的經濟效益。

關鍵詞：MSP430；GPRS；NRF24L01；無線發送；妊娠期

中圖分類號：TP274；TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：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養品，提高奶牛牛奶的產量成為商家比較關注的問題。影響奶牛產奶量的關鍵因素有兩個：一是奶牛的生理狀況是否健康，二是飼養員能否較為準確的判斷奶牛的發情期。目前，對奶牛的發情期判斷一般還是由人工來進行，效率較低。若是能利用物聯網技術通過計算機判斷發情期，并對奶牛的生理狀況進行檢測和提醒，可以提高工作效率，在一定程度上提高產量，同時也減少工廠工人的數量，為工廠節約成本。本文中筆者設計的奶牛生理狀態檢測系統，可對每頭奶牛的生理狀況進行實時檢測，并對發情期做出較準確的判斷。然后通過2.4G無線模塊發送到上位機做提醒和處理，使工作人員能夠及時發現奶牛的異常，并及時驗證和處理。

1 系統硬件設計原理

該系統的下位機以MSP430f149單片機為核心處理器。

下位機通過非接觸式紅外測溫傳感器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，再經過MSP430f149單片機對數據進行判斷和處理；下位機處理好的數據通過NRF24L01無線傳輸到上位機。上位機以MSP430F149處理器為核心，通過NRF24L01掃頻接收數據，并將處理判斷后的發情期情況、體溫是否正常等數據顯示到顯示屏上。然后由GSM發送到云端。若有異常，上位機會發出警報聲，并發送撥打電話給工作人員的指令，圖1為系統框圖。

2 NRF24L01掃頻接收功能實現

2.1 NRF24L01初始化步驟

2.2 NRF24L01掃頻方案的實現

上位機在設置接收模式后，按照一定規律，不斷調整RF_CH寄存器的數值，從而改變上位機的接收頻率，最多可設置125個頻率點。從機則按照不同的編號設置相應的調整通信頻率，并控制寄存器SETUP_RETR，設置自動發送次數，以防止出現信息接收遺漏的情況。NRF24L01在平坦地段收發半徑最大可擴展近2公里，經過試驗驗證，主機在設置成掃頻模式后接收半徑在400m以上，達到功能設計要求。

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，采用鍵控方式進行調制解調并且內置有頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和SPI模塊[1-3]。一次可以無線傳輸32個數據，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，地勢較為顛簸的地方有效距離小于1000m；NRF24L01抗干擾較強，低輻射，耐高溫，溫度范圍為-40～85℃；NRF24L01模塊最大的特點是具有6個通道，且在2.4G到2.5G之間的頻道進行通信，共125個頻道，為實現一對多的掃頻收發提供了可能性。為此，設計該系統時，上位機利用NRF24L01掃頻接受負責監測奶牛生理狀況的從機的數據。

3.2 GPRS模塊

GPRS的傳輸速率從56K到114Kbps不等，理論速度最高達171k，實際測試的下傳速度在25K左右。相對于GSM9.6kbps的訪問速度而言，GPRS擁有更快的訪問數據通信速度，GPRS技術還具有在任何時間、任何地點都能實現連接，永遠在線，按流量計費等特點。GPRS模塊，是具有GPRS數據傳輸功能的GSM模塊。普通計算機或者單片機可以通過RS232串口與GPRS模塊相連，通過AT指令控制GPRS模塊實現各種基于GSM的通信功能。本系統中，上位機單片機控制GSM通過http請求發送數據到Java Web服務器；Java Web將數據存儲到MySql數據庫。手機客戶端通過http get請求向服務器請求數據，并接受服務器傳來的json包，解析并顯示到手機客戶端上。

3.3 脈搏心率傳感器

該系統選用一款開源的心率傳感器pulse sensor。該傳感器本質是一個帶有放大和消噪功能的光學放大器，通過佩戴在奶牛手指末端或者耳垂等毛細血管末端來檢測血液量的變化，從而得到實時心率。該傳感器只有三根線，分別為電源、地和信號線，信號線輸出模擬信號，然后通過比較器轉換為方波，比較器的主要功能是指出兩個輸入電壓CA0和CA1的大小關系，然后輸出CAOUT的值。如果CA0>CA1，則CAOUT=1，否則CAOUT=0。參與的兩個電壓CA0和CA1可以外部或者內部調整基準電壓，使任意組合成為可能[4]。

3.4 MLX90614紅外測溫模塊

MLX90614模塊是一組通用的紅外測溫模塊。在出廠前該模塊已進行校驗及線性化，具有非接觸、體積小、精度高、成本低等優點。被測目標溫度和環境溫度能通過單通道輸出，有兩種輸出方式：PWM輸出、可編程SMBus輸出，適于多種應用環境。

4 結 論

本設計以MSP430單片機為主控制器，通過2.4G無線模塊和GPRS進行無線數據通信。下位機負責奶牛生理狀態的監測和判斷，并通過2.4G無線模塊發送到上位機，上位機整合數據通過GPRS模塊發送到Java Web服務器，最終顯示到工作人員的客戶端上，若奶牛的溫度和心率嚴重失常，上位機將控制蜂鳴器警報，并發送撥打工作人員電話的指令以及時提醒前來救助。

參考文獻：

[1] 于樂，蘇新彥，姚金杰.基于nRF24L01的無線水聲信號傳輸 [J].火控雷達技術，2015（3）：65-68.

[2] 黃智偉，朱衛華.2.4GHZ單片射頻nRF24L01收發芯片 [J].世界電子元器件，2007（3）：26-38.

[3] 徐金馗，周曲，顏國正.基于nRF2401芯片的微型圖像采集系統 [J].測控技術，2006（11）：32-34.

[4] 王金成.基于MSP430的奶牛發情期監測器的設計 [D].南京：南京信息工程大學，2008：46.

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