基于DA14580的肉牛运动状况监测系统设计

刘占成 田芳明 赵欣宇 柳晨阳 康广 段丽莹 李曼

摘  要：以实现肉牛运动状况监测为目的，研究基于DA14580和MPU-6050的计步系统，经实际电路调试，可实现对肉牛的运动状况检测。系统由控制器核心电路、6轴加速度传感器步数采集模块MPU6050、LoRa扩频无线传输模块、电源模块、OLED显示模块和上位机实时监测模块组成。经过测试，电路具有低功耗、低成本、抗干扰能力强、可靠性高等优点。

关键词：DA14580;MPU-6050;LoRa;肉牛;运动

中图分类号：TP212.9       文献标识码：A 文章编号：2095-2945（2019）36-0044-03

Abstract： In order to realize the monitoring of the movement condition of beef cattle， the step counting system based on DA14580 and MPU-6050 is studied. Through the debugging of the actual circuit， the movement condition of beef cattle can be detected. The system is composed of controller core circuit， 6-axis accelerometer step acquisition module MPU6050， LoRa spread spectrum wireless transmission module， power supply module， OLED display module and host computer real-time monitoring module. After testing， the circuit has the advantages of low power consumption， low cost， strong anti-interference ability， high reliability and so on.

Keywords： DA14580; MPU-6050; LoRa; beef cattle; exercise

随着养殖业的规模化、集约化发展，肉牛的运动状况监测工作在健康养殖管理中具有极其重要的地位[1]。肉牛运动状况不仅与牛肉口感、品质息息相关，而且还可以及时发现肉牛个体健康状况，以便对肉牛个体进行系统检查并进行针对性治疗。在国内大多数肉牛养殖场中，主要依靠养殖技术人员的经验，通过人工观察对肉牛的健康状况进行鉴定，当肉牛表现出运动减少、饮食不佳等情况时均可被认为是生病。但是人工观察健康状况往往对技术人员的个人素质要求高，存在鉴定不准确或不全面的情况。近年来，随着人们都肉牛养殖的了解逐渐加深，发现日常活动量与肉牛健康状况密切相关[2]。因此，研究适于规模化牧场的肉牛运动状况监测系统对于肉牛健康养殖具有重要意义。在本研究中，消化吸收国内外奶牛、肉牛养殖过程中运动状况检测方法，结合肉牛生理特点，基于低功耗、低成本、高可靠性等设计要求，研究集肉牛计步采集器、控制器、激活器等一套完整的肉牛运动状况监测系统，为肉牛规模化健康养殖提供技术支持。

1 系统总体方案设计

根据肉牛运动状况监测系统的具体指标，经过分析，将系统细化为多个模块形式，系统结构框图如图1所示，具体为MPU6050 6轴加速度传感器步数采集模块、LoRa扩频无线传输模块、5V电源模块、OLED显示模块和上位机实时监测模块。基于DA14580的肉牛运动状态检测系统实现实时或者定时将肉牛的运动步数，经传感器采集到DA14580处理器上，并将采集回来的数据通过LoRa扩频无线传输模块传送电脑，在电脑端上位机上进行显示数据、存储数据。为了使基于DA14580的肉牛运动状态检测系统调试方便，在调试的时候将数据在OLED液晶显示屏进行实时显示。

2 单元模块电路设计

2.1 微控制器的选择

微控制器采用Dialog 公司的蓝牙单芯片DA14580[3]，系统基于Cortex M0架构且集成了RW公司的蓝牙协议栈IP，同时，内置了ROM、OTP和RAM，具有极低功耗，适于便携计数设备开发使用。DA14580电路连接如图2所示。

2.2 计步电路设计

由于牛在生活过程中存在多种运动状态，如站立、静卧、行走等多种姿态，针对肉牛的运动状况进行监测，主要是计量肉牛的运动步数，为了分辨其各种运动状态，需考虑通过多轴数据采集并进行分析，从而得到其运动步数。MPU-6050加速度传感器是一款6轴运动处理芯片[4]，和其他同类加速度传感器整合方案相比，它消除了组合陀螺仪和加速度计时间轴之间的误差值，且封装空间小，为肉牛运动状态监测系统的整体体积减少了很大的空间，其角速度感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec（dps），在记录快速动作与慢速动作的忽快忽慢数据时有很高的精确度，MPU-6050的供电电压范围为2.3V～3.4V之间，接口为I2C协议格式，对应的SCL和SDA引脚连接到微控制器DA14580的P1口27和28引脚上， AD0作为I2C地址控制引脚的最低位，当AD0=0时，其地址为0x68，当AD0=1时，地址为0x69，本设计中选择后者。MPU-6050加速度传感器硬件連接如图3所示。

2.3 外置Flash电路设计

为了保障DA14580的可靠工作，需外挂存储器实现程序存储，系统选用Winbond公司的W25X20cl型号外置flash，该芯片具有体积小，功耗低等优点，正常工作的电压在2.9V±0.5V，正常工作状态下电流消耗量只有不到0.5毫安，在非工作状态状态下电流消耗量不到1毫安。W25X20cl列阵有210个可编程页面，其中每个页面有28个字节。一次最多可编程的字节数为28。系统中设计的W25X20cl电路原理图如图4所示。

2.4 无线数传电路设计

考虑到肉牛运动场地与接收控制箱之间的实际距离和系统功耗要求，选择了SX1278射频芯片作为无线收发的主要芯片[5-6]，并结合LoRa直序扩频技术，实现了3km范围可靠通信，通信频段为433MHz，空中传输速率为2.4kbps，发射功率为20dB，支持定点传输、广播传输、信道监听;支持空中唤醒（超低功耗），适用于电池应用方案，支持FEC前向纠错，提高通信稳定性，支持9.8K±9.5Kbps的超宽数据传输速率，LoRa无线传输模块电路连接如图5所示。

3 系统软件设计

前端的数据采集主要负责将MPU-6050加速度传感器采集到的数据传输到DA14580单片机中，主要流程是，DA14580处理器先发送采集指令给MPU-6050加速度传感器，MPU-6050加速度传感器接收到数据指令之后，将采集到的数据以数据帧的形式发送出来，DA145802将数据采集，存储到寄存器当中。数据传输完成，DA14580从寄存器中将数据读取处理，进行数据对比，判断当前肉牛为何种状态，站立或者躺卧，因为MPU-6050加速度传感器输出值就是数字信号，所以可直接将数据写进OLED液晶屏寄存器，在OLED显示屏上进行显示。最后通过LoRa无线串口传输到电脑上位机端，供用户进行数据查看，得知哪只肉牛出现了不良反应或者异常反应。

4 测试与结果

对设计电路进行制版、焊接、编程并下载调试，利用PC机串口接收采集的数据，分析测量误差和系统可靠性。经测算，系统可实现14个月理论供电，系统的测算精度达到85%。

参考文献：

[1]李真真.规模化肉牛场管理信息系统的设计与实现[D].山西农业大学，2014.

[2]任亮，刘彩娟，罗清华.计步器监测系统对规模化牛场繁育工作的影响[J].中国奶牛，2017（07）：26-29.

[3]同伟.基于DA14580智能蓝牙控制器开发多功能遥控器[J].中国电子商情（基础电子），2015（08）：38-40.

[4]王可心.基于MPU6050简单控制设备[J].电子制作，2018（11）：86-89.

[5]赵全，徐光，郝龙，等.基于LoRa的无线多参数环境监测系统设計[J].国外电子测量技术，2019，38（06）：120-124.

[6]付建文，蒋昱麒.基于LoRa技术的远程抄表系统设计[J].电子设计工程，2019，27（15）：157-160+165.