多参数饲养环境远程监测系统设计

摘" 要：为满足动物饲育实验室对温度、相对湿度、气体流量、微压差、颗粒物浓度、CO2浓度、NH3浓度和H2S浓度等关键环境参数的监测需求，该文设计一款集多参数监测、模块化设计、用户友好界面于一体的实验动物饲育与环境指标远程监测系统。该系统采用模块化设计，允许灵活配置功能，并通过Cat-1模组的无线传输方式与云平台控制系统连接，对饲养实验室进行可视化监测和设置监测指标预警，并且可根据实时回传的测试数据对实验室环境状态进行实时分析、处理及参数数据存储。

关键词：环境参数；远程监测系统；Cat-1模组；无线传输；云平台

中图分类号：X835" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：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

随着生物科学研究的不断深入，实验动物作为科学实验的重要参与者，其饲养环境的稳定性直接影响到实验结果的准确性和可靠性。实验动物饲养环境的温度、湿度、气体流量、微压差、颗粒物浓度、CO2浓度、NH3浓度和H2S浓度等关键环境参数的控制和监测[1-5]，成为了科研人员关注的焦点。传统的环境监测方法往往依赖于人工巡检和定期检测，这种方式不仅效率低下，而且实时性差，无法满足现代生物实验室对环境参数监测的高要求。为了解决这一问题，本文提出了一种基于Cat-1的多参数饲养环境远程监测系统设计。该系统充分利用了Cat-1技术的优势[6-7]，通过无线传输方式将实验动物饲养环境的各项关键参数实时传输至云端，实现了对饲养环境的远程监测和管理。不仅提高了监测效率，还增强了实时性，使得科研人员能够随时掌握饲养环境的状况。

该系统采用了模块化设计，可以根据不同的饲养环境和实验需求，灵活配置监测参数，满足多样化的监测需求。本文根据饲养实验室的特殊性，使得系统能够适应各种不同的饲养环境，具有较强的通用性和扩展性。同时，系统还提供了用户友好的界面，使得科研人员可以方便地进行数据查看、分析和处理。科研人员可以通过界面直观地了解到饲养环境的状况，并根据需要调整监测参数，以确保实验动物饲养环境的稳定性和适宜性。

多参数饲养环境远程监测系统的设计能够为实验动物饲养环境监测提供一种高效、实时、稳定的解决方案。此解决方案将为生物科学研究提供实时、可靠的数据支持，有利于提高饲养动物实验室测量结果的准确性和可靠性，推动生物科学研究的进一步发展。同时，该设计还可以为实验动物饲养环境的改善和管理提供科学依据，促进实验动物福利的提升。

1" 多参数饲养环境远程监测系统与LTE Cat-1系统总体结构

1.1" 多参数饲养环境远程监测系统

多参数饲养环境远程监测系统总体结构如图1所示。

多参数饲养环境远程监测系统的主要组成部分包括采集与控制单元、控制管理平台、远程服务器及应用层。采集与控制单元是系统的前端，主要负责实时监测饲养环境中的各种参数。采集单元包括颗粒物传感器、温湿度传感器、流速传感器、微差压传感器及用于检测CO2、NH3、H2S等气体的传感器。同时，将传感器测量环境中各项指标的数据传输至控制管理平台。

控制管理平台中的微控制单元（MCU），主要是控制多参数传感器进行数据的采集和传输。并在MCU中对传感器进行周期性的数据采集时间进行预设，同时将收集到的测试数据打包并通过Cat-1模组发送到远程服务器中。控制管理平台确保了数据能够高效、准确地从采集单元传输到服务器。

远程服务器主要接收来自控制管理平台的环境测试数据，并进行存储、分析和处理。服务器将根据科研人员的要求，对数据进行分析，以便于制定决策和调整饲养环境。此外，远程服务器还支持远程控制功能，允许科研人员或管理人员远程调整实验动物饲养环境的预警参数设置，确保环境的稳定性。

其中，应用层是用户与系统交互的界面，根据科研人员要求，可以在手机端或PC端实时查看饲养环境的状况，接收预警通知，并根据科研人员的需要调整监测参数或执行控制命令。多参数饲养环境远程监测系统的设计是为提供一个高效、实时、稳定的监测解决方案，以确保实验动物饲养环境的最佳条件，从而支持生物科学研究的准确性和可靠性。通过这种系统的部署，科研人员可以更好地控制实验条件，提高实验动物的舒适性，同时促进科学研究的进展。

1.2" Cat-1系统总体结构

本文构建了一个基于Cat-1技术的网络架构，该架构主要包括多参数传感器终端、物联网平台及Cat-1通信模组。传感器终端通过设计的外围电路与通信模组相连，并绑定特定的SIM卡以接入Cat-1网络，实现测试数据的封装与传输。实验室的测试数据在物联网平台上进行处理和存储，其运算结果反馈至上位机界面进行展示。

Cat-1模组以其卓越的性能、成本效益以及广泛的应用范围，成为物联网领域的一种优选解决方案[8]。该模组提供高速的上下行速率和强大的处理能力，支持多种业务功能，包括高清语音、视频传输和远程升级。对多种协议的支持，如TCP/UDP /MQTT/HTTP/HTTPS等，简化了快速开发的过程。特别是其原生支持OpenCPU架构，可以省去外部MCU等周边电路，从而显著降低整体成本。低成本设计和兼容性特点使其成为快速开发多种物联网应用的首选。此外，内置的国产芯片支持多种网络模式和定位技术，增强了模组的实用性和可靠性。凭借广泛的4G/5G网络覆盖，Cat-1模组适用于工业控制、共享经济、金融支付、公网对讲和能源等多种场景，有助于推动物联网技术的创新和应用。

在监测系统网络架构的设计阶段，对Cat-1和NB-IoT 2种通信模组进行了深入的比较分析[9-10]。比较的维度涵盖了产业链配套的成熟度、通信模组的成本效益、应用场景的适应性、商业模式的可持续性、网络覆盖的广泛性、通信速率、对全业务的支持能力、设备的可移动性以及在待机状态下的功耗等多个关键性能指标，具体如图2所示。

鉴于实验动物饲养实验室的特殊场景需求，即对较高数据速率和长距离通信的要求，Cat-1模组展现出其优势。它能够提供高达10 Mbps的下行速率和5 Mbps的上行速率，非常适合需要实时数据传输的应用。相比之下，NB-IoT模组提供的最高速率约为250 kbps，更适用于偶尔传输小数据包的应用场景。此外，Cat-1模组支持语音、短信和数据传输，能够满足多功能通信的需求，而NB-IoT模组则主要支持数据传输，对语音和短信的支持能力有限。综合以上分析，本设计最终决定采用Cat-1模组作为通信解决方案，以实现对实验动物饲养环境的高效、实时监测。

2" 多参数饲养环境远程监测系统与LTE Cat-1系统总体结构

2.1" Cat-1系统总体结构

多参数采集模块硬件设计主要分为传感器采集模块和通信模块的电路设计。其中传感器负责对饲养环境中测试数据的采集，而通信模块则负责与云平台进行数据交换。硬件电路设计中的温湿度数据由MSR-5湿度传感器和DaCW14-3T铂电阻温度传感器采集，气流速度则由CAFS4000B型流量传感器监测，微压差数据采用SDP8XX型压差传感器，颗粒物浓度由SPS30型颗粒物传感器测量，而气体类数据包括CO2浓度、NH3浓度和H2S浓度，分别由SCD30型CO2传感器、ME3-NH3型气体传感器和MEu-H2S型气体传感器进行检测。多参数采集模块与通信模块示意图如图3所示。

采集模块通信实现流程如图4所示，通信模块采用双频天线、Cat-1通信模组和联通专用物联网卡进行通信，并通过双频天线将采集的测试数据直接发送到云平台。

Cat-1通信模组硬件采用“物联网+STM32单片机”控制方案，这种方案响应及时，成本也较低易量产，其中单片机选择为STM32系列单片机。为了使通信模块高效稳定的工作，云平台需要与通信模块每隔5 min进行心跳交互，在通信指令下达结束后，判断系统是否运行结束，如果系统未结束返回系统调试，重复数据交互，如果结束，则直接退出系统[11]。同时，为防止测试数据包的丢失，在采集时刻需采集不少于3次的测试数据，以保证测试数据的准确性。

2.2" 软件设计

根据饲养实验室的要求，本设计选择使用监控平台系统，在系统中在设备管理中添加了多参数模块，在数据管理模块中添加了各个传感器数据模板，并可在历史记录中查看实验室参数数据和运行状态。可根据实际要求，在触发器中添加触发器临界值预警，当传感器上传的数据达到所设的报警阈值，便会触发警报，以高亮和短信的形式，推送报警信息，提醒科研人员查看实验室突发状况。

饲养环境管理系统的组态监控视图如图5所示，在监控视图中可以实时查看实验室的基本信息和环境参数。组态画面信息可以在组态管理中进行开发，并且可以在监测系统中增添新的组件，也可以单独应用。

3" 实验与数据处理

在本次实验中，选取设备1和位置点1作为实验监测对象，并对饲养实验环境中的关键环境参数进行监测。这些参数包括温度、相对湿度、气体流量、微压差、颗粒物浓度、CO2浓度、NH3浓度和H2S浓度等。在监测实验环境前，需将多参数环境传感器采集的数据与标准监测设备进行数据对比验证，确保环境监测系统数据的准确性。同时，为保证实验测试数据的全面性和可靠性，需对环境参数进行连续监测，采集时间持续7天，监测采集频率设定为每间隔2 h取一次数据。测试数据随后通过Cat-1通信模组传输至云平台，以便进行数据存储和进一步分析。通过这种方式，能够确保数据的实时更新和准确记录，为后续的数据分析提供坚实的基础。

通过上述误差公式，对云平台上传的环境实验数据进行处理，具体7天内的温度、相对湿度、气体流量、微压差、颗粒物浓度、CO2浓度、NH3浓度和H2S浓度等多参数数据变化曲线如图6所示。

根据图6所示的饲养环境参数变化曲线，对温度、相对湿度、气体流量、微压差、颗粒物浓度、CO2浓度、NH3浓度和H2S浓度等关键环境参数的每日监测数据进行平均值计算。分析结果显示，连续7天的监测数据平均值数据呈现出一致性，每天的监测数据误差范围均控制在5%以内，这表明饲养环境在考核指标上达到了预期的稳定性。

通过为期7天的监测实验数据，本文验证了所设计的饲养环境监测系统，在准确监测实验动物饲育实验室中的关键环境参数方面的有效性。此外，科研人员可以通过系统提供的可视化界面实时访问监测数据，并根据实验室需求设定环境参数预警阈值。一旦环境参数超出预设阈值，系统将自动触发预警，以便科研人员及时响应并采取相应措施。

4" 结论

本文设计的饲养环境监测系统，采用专用的物联网Cat-1模组，实现对饲养环境监测数据实时上传至云平台控制系统。该系统能够根据预设的环境多参数阈值，对饲养实验室进行可视化监测与预警。经过为期7天的实验数据监测，实验结果表明，本文设计的饲养环境中多参数指标误差范围均控制在5%以内，充分满足了饲养环境的监测要求。此外，该系统的应用显著减少了人工成本，提升了工作效率，并为科研人员提供了准确性和可靠性更高的实验结果评估。此饲养环境监测系统的设计，有效推进了饲养实验室的远距离监测与控制，为饲养实验室的智能化、无人化建设提供了探索与验证的基础。

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