基于STM32的奶牛生理参数监测系统

唐宇+骆少明+黄伟锋

摘要：针对传统人工方式监测规模化养殖奶牛健康状况耗时耗力且准确率不高等问题，设计了一种可实时检测奶牛生理指标的监测系统。该系统以STM32F103VET6微处理器为核心，嵌入了定位、通信、运动检测、温湿度检测和基本生理参数测量等模块，可实现对奶牛运动姿态、脉搏、血氧和体温等参数实时监测，并将数据传送到手机客户端和远程数据中心。运用该系统对随机抽样的10头奶牛进行了血压和血氧饱和度远程检测试验，测得收缩压均值为 138.83 mmHg，舒張压为44.09 mmHg，血氧饱和度均值为83.7%。测试情况表明，该系统可实时监测奶牛的生理参数及其所在环境的各种信息，及时发现异常情况，运行可靠、性能稳定、使用灵活，具有一定的实用价值。

关键词：STM32；奶牛；生理参数；监测；远程通信

中图分类号： S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）07-0185-04

近年来，中国奶牛业快速发展，已呈现规模化和集中化的趋势，养殖环境的温湿度是影响奶牛生产性能和繁殖性能的重要因素[1-2]。养殖过程中，饲养员对环境温湿度和奶牛生理参数的定期检测是保证奶牛健康的必要环节。传统的人工检测方法对工作人员要求高，耗时费力且准确率不高，难以满足规模化养殖管理需求。

利用目前兴起的能监护生物体征[3]的可穿戴设备技术，结合计算机监测[4]和通信网络技术[5]，顺应奶牛养殖管理自动化和智能化潮流[6]，实现奶牛生理参数的实时无人值守监测[7]，对于提高奶牛养殖工作效率有着十分重要的意义。

本研究设计了以STM32嵌入式处理器为核心，可测量奶牛的脉搏、血氧和体温等生理特征参数和运动姿态以及养殖现场温湿度的多信息监测系统。系统通过各种传感器模块采集多源信息，应用无线及远程通信技术将养殖现场的相关数据实时传送至智能手机终端和计算机远程数据中心。养殖场管理员可通过该系统直观地了解场内每只奶牛的生理和运动特征以及所处环境的温湿度情况，及时发现异常情况，并为奶牛的饲养制定出更佳的营养方案[8]。

1系统的硬件设计

系统硬件结构如图1所示，各个传感器采集奶牛的基本生理参数和养殖现场周围环境信息。STM32串口采集GPRS和GPS的数据，经主控制器算法处理后做出相应的参数判定。借助远近距离的无线通信GPRS和蓝牙模块，将采集到的相关数据传输至近距离的智能客户端或者远程客户端，实现对奶牛生理参数的实时动态监测。

系统的硬件部分主要包括STM32F103VET6嵌入式处理器[9]、传感器、通信模块以及一些基础设备。系统中的传感器主要为DHT11数字式环境温湿度传感器、光电式红外体温测量传感器、光电式脉搏传感器、光电式血氧传感器和基于MPU6050三轴加速度陀螺仪[10]（奶牛运动趋势感应模块），这些传感模块可测量环境温湿度、奶牛体温、心率、血氧饱和度、血压、行走步数、行走速度和加速度等参数。

1.1MCU与GPRS模块的接口设计

STM32单片机以RXD、TXD和GND三线形式的异步串行口USART1经过电平转换后与Motorola公司的GPRS模块G20进行数据双向全双工通信[11-12]，发送指令，使G20模块完成联网挂接、注册登录和短消息收发等相应操作，同时监听接口，接收来自G20的回传数据。G20开发板具有通信接口电平切换、通信接口选择、来电显示和信号显示等功能，可胜任系统的远程通信任务。

1.2MCU与奶牛脉搏、血氧和血氧感应模块接口设计

STM32通过I/O口接收脉搏、血压和血氧感应模块的感测信息，该模块由光电传感器、信号处理、电压抬升部分构成，如图2所示。通过STM32发出控制信号切换红外光与红光，分时对脉搏光电信号和血氧浓度进行测量，并根据光电脉冲信号估算血压信息。

1.3MCU与显示触摸屏的接口设计

STM32使用可变静态存储控制器（flexible static memory controller，FSMC）接口模块与基于LCD英特尔8080接口的彩色液晶屏S95361进行连接，实现奶牛生理参数及环境数据信息的实时显示，如图3所示。

1.4MCU与GPS及红外体温测量模块接口设计

系统采用MLX90614红外测温模块实现对奶牛体温的非接触测量，通过STM32的I2C接口直接与该模块进行通信，读取温度数据。

STM32单片机以RXD、TXD和GND三线形式的异步串行口USART2经过电平转换后与Motorola公司的GPS模块M12进行数据双向全双工通信，发出AT指令控制M12模块进行空间定位并读取奶牛所处的地理位置坐标信息和数据采集时间数据。

1.5MCU与蓝牙模块、陀螺仪接口设计

系统采用HC-05蓝牙模块实现与近距离手机终端的无线通信，通过STM32单片机的异步串行口USART3的RXD、TXD和GND分别与HC-05的TXD、RXD和GND进行电气连接交换数据。

用于测量奶牛运动趋势参数的陀螺仪模块MPU6050具有标准的I2C接口，与STM32的另外一路I2C接口直接连接，实现模块的初始化和奶牛运动参数的读取。

2系统的软件设计

监测系统的软件部分是在内嵌了GUI界面的μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统基础上编制完成的，主要由奶牛生理参数监测模块、液晶显示模块、GPS定位模块、红外测体温模块、GPRS通信模块、蓝牙模块、温湿度传感器模块和三轴加速度感应模块的驱动代码组成，如图4所示。

系统启动后，首先对各个模块进行初始化，接着显示时钟、位置信息和连接登录GPRS数据网络，该界面包括时钟调校设置、计步器、参数、设置4个应用热区。显示进入到主界面的按钮将主界面分成状态栏、应用栏和控制栏。用户可通过控制键，将采集和经算法处理后的数据，通过2个通信通道与手机移动端通信，并且可以在手机移动端实时更新当前数据，以及读取和显示相关的数据信息。

系统完成所有初始化工作后进入实时监测状态，不断轮回检测前述的各项生理指标参数和环境信息，按既定格式打包数据并通过GPRS网络发送至远程数据终端（监测中心）。

2.1环境温湿度数据处理程序设计

系统利用DHT11温湿度传感器监控奶牛养殖现场环境的温湿度数据，该传感器含有已校准的以数字信号形式输出的温湿度信息，相应的软件处理流程如图5所示。

2.2GPS数据处理程序设计

GPS模块可以实时检测经纬度和海拔高度，实现三维定位，并且可以获取时区精确的国际标准时间，经解码后可利用获取的精准时间数据，校正系统自身的定时信息，该部分程序流程如图6所示。

2.3三维运动趋势感应处理程序设计

系统利用DHT11温湿系统中的MPU-6050对陀螺仪和加速度计分别采用3个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围均是用户可控的，通过对三轴加速度的分析，可以判断奶牛所做出的动作，执行相应的程序，该部分程序流程如图7所示。

2.4脉搏、血氧和血压数据处理程序设计

奶牛生理参数监测模块由光电传感器、信号处理、电压抬升部分构成，通过MCU发出控制信号切换红外光与红光，分时对奶牛脉搏波和血氧浓度进行测量，获取脉搏波形数据，通过相应的算法运算，最终得到实时检测数据。对获取的波形还须进行相应的滤波，才能得到准确的测量数据，该部分程序流程如图8所示。

2.5红外测温处理程序设计

在监测系统中，用于检测温度的传感器是MLX90614红外热电堆传感器模块[13]，它是一款红外非接触温度计，测量范围为-20～120 ℃，其分辨率高达0.14 ℃。该传感器集成了低噪声放大器、17位ADC和强大的数字信号处理单元，可实现高精度和高分辨度的温度检测。系统通过STM32F103VET6的I2C接口来读取数字形式的温度数据，该部分的程序流程如图9所示。

3系统运行试验

3.1试验环境与条件

将调试好的系统程序固化到STM32F103VET6的程序存储器后通电调测，等待所有模块初始化完毕后，进行全系统运行测试。系统功能调测完毕后将各传感模块固定于奶牛颈圈上，如图10所示，进行现场运行试验。从位于广州市从化区鳌头镇新围村的奶牛养殖场内随机选取10头奶牛，套上传感颈圈进行试验。

3.2试验方法与结果

同时将10套传感颈圈挂于试验奶牛颈上，设置每头样本的编号，待系统初始化完毕后，在监控室中连接了Internet的计算机上启动数据中心上位机程序接收、记录和保存相关数据。试验持续5 d，分别在每天09：00和15：00 2個时间进行监测，奶牛的血压和血液浓度测试结果分别如表1和表2所示。

4结语

结合生物传感技术和嵌入式无线监测技术，提出了基于STM32的奶牛生理参数监测系统的硬件和软件设计方案，并实现了养殖现场环境温湿度、奶牛脉搏、血压和血氧浓度等各项参数的实时显示和数据的无线远程传输。测试结果表明，该系统结构模型合理，软硬件设计可行，具有一定的可扩展性，安装方便，成本较低。该试验系统经改良后能投入实际推广应用，满足对规模化养殖奶牛的重要健康参数的监测需要，还可以推广到羊、马和猪等其他家畜养殖领域，应用前景十分广阔。

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