段練達(dá) 施云波 叢大為

摘要：本文介紹了一種基于使用GY-MCU90615紅外體溫傳感器和NodeMCU控制器設(shè)計(jì)的耳掛式傳感器節(jié)點(diǎn)，使用中國(guó)移動(dòng)Onenet平臺(tái)作為云平臺(tái)的非接觸式豬體溫檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)的監(jiān)控豬體溫。系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)以豬耳掛為外形，并以測(cè)得豬耳溫為測(cè)量目標(biāo)。得益于紅外傳感器的高精度（±0.02℃）測(cè)量特性與云平臺(tái)的互聯(lián)特性，該系統(tǒng)不僅可以降低飼養(yǎng)員平時(shí)工作的強(qiáng)度，還能較為準(zhǔn)確、及時(shí)地向管理員報(bào)告豬的當(dāng)前體溫、并在豬體溫異常時(shí)發(fā)出異常警報(bào)，以便飼養(yǎng)員及時(shí)應(yīng)對(duì)、減少損失，在實(shí)際生產(chǎn)中有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：豬耳溫監(jiān)測(cè)；紅外測(cè)溫；Onenet；MLX90615；NodeMCU

1.引言

在生豬養(yǎng)殖行業(yè)中，體溫是豬的基本生理指標(biāo)之一，如果豬只的體溫出現(xiàn)異常，表明豬的生理機(jī)能被擾亂[1]。本系統(tǒng)的耳掛式耳溫測(cè)量節(jié)點(diǎn)通過(guò)采集耳腔和骨膜的紅外輻射轉(zhuǎn)化為溫度值，并上傳到云平臺(tái)作進(jìn)一步處理。與傳統(tǒng)的使用水銀溫度計(jì)測(cè)量的方案相比，紅外測(cè)量具有安全、快速、簡(jiǎn)便、精度高的優(yōu)勢(shì)。

2.紅外耳溫計(jì)測(cè)溫的基本原理

生物的體溫控制主要由大腦的下視丘器官來(lái)完成，該器官關(guān)于耳朵最為接近。耳 朵的溫度會(huì)隨著機(jī)體溫度的變化而發(fā)生變化[2]。得益于耳朵內(nèi)部為封閉區(qū)域，我們得以在受外界影響較小的情況下，通過(guò)測(cè)量豬耳道與骨膜的紅外輻射強(qiáng)度來(lái)獲得豬的體溫信息。紅外輻射的能量密度與溫度之間滿足斯蒂芬-玻爾茲曼輻射定律[3]：

公式（1）闡述了單位表面積所發(fā)射的輻射功率與物體輻射率、斯蒂芬-玻爾茲曼闡述σ、物體的熱力學(xué)溫度T之間的關(guān)系。可見(jiàn)物體的輻射功率與物體的熱力學(xué)溫度成正比，所以只需要知道物體的輻射功率，就可以推算出物體的熱力學(xué)溫度T。

紅外傳感器的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)串聯(lián)的熱電偶結(jié)構(gòu)。芯片襯底上放置冷接頭、薄膜上放置熱接頭。薄膜吸收紅外輻射后會(huì)產(chǎn)生微弱的電信號(hào)。由公式（1）表述的原理，紅外傳感器的輸出信號(hào)為：

其中A是器件的總體敏感度，與傳感器的設(shè)計(jì)有關(guān)。T0與Ta分別為目標(biāo)物體的熱力學(xué)溫度和環(huán)境的熱力學(xué)溫度，單位均為K。

3.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

紅外傳感器通過(guò)測(cè)量目標(biāo)物體的紅外輻射強(qiáng)度獲得豬的當(dāng)前體溫，傳感器將測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到主控芯片。在主控芯片將溫度數(shù)據(jù)打包成Onenet云平臺(tái)規(guī)定的報(bào)文格式后，將報(bào)文通過(guò)串口發(fā)送給WiFi模塊，WiFi模塊使用TCP/IP協(xié)議向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)信息。云平臺(tái)通過(guò)解析報(bào)文中的數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)身份信息，對(duì)不同測(cè)量目標(biāo)的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行更新、用戶可通過(guò)移動(dòng)終端訪問(wèn)云平臺(tái)應(yīng)用中的信息，對(duì)被測(cè)對(duì)象的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。管理員通過(guò)設(shè)置觸發(fā)器的閾值，用戶可以在測(cè)量值異常時(shí)獲得通知，及時(shí)處理異常。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

4.硬件部分設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分分為三部分。其中傳感器選用了MLX96015紅外傳感器。主控模塊和WiFi模塊集成與NodeMCU開(kāi)發(fā)板上，NodeMCU是一個(gè)開(kāi)源的可以運(yùn)行腳本的微控制器，直接支持WiFi鏈接和GPIO，而且成本低廉，十分適合物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)。其核心采用ESP-8266模塊，該模塊集中了一款32位的超低功耗MCU，支持IEEE802.11b/g/n協(xié)議，擁有完善的TCP/IP協(xié)議棧與豐富的接口，可以掛載多種類(lèi)型的傳感器。ESP-8266模塊在作為Wi-Fi模塊的同時(shí)，還可以同時(shí)作為主控模塊使用，不需要額外的單片機(jī)用作主控模塊，極大縮減了電路體積。電源模塊采用中順芯公司生產(chǎn)的的3.7V 600mAh 602530聚合物鋰電池，由于在NodeMCU開(kāi)發(fā)板上集成了LM317穩(wěn)壓芯片，該芯片可以將節(jié)點(diǎn)的輸入電壓穩(wěn)定在3.3V，以保證傳感器節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

4.1控制器部分

由于本設(shè)計(jì)將ESP-8266模塊同時(shí)作為控制器，和WiFi發(fā)射模塊，我們?cè)贓SP-8266模塊中燒錄Arduion-WiFi固件實(shí)現(xiàn)從串口獲取傳感器數(shù)據(jù)與將數(shù)據(jù)打包發(fā)送的功能。得益于該固件，程序員可以快速地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

4.2Onenet云平臺(tái)部分

數(shù)據(jù)的接收與進(jìn)一步處理、呈現(xiàn)在Onenet云平臺(tái)上完成。Onenet云平臺(tái)是中移物聯(lián)網(wǎng)推出的針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)、具有易用免費(fèi)的特點(diǎn)，Onenet平臺(tái)作為PaaS層，致力于為SaaS層和IaaS層提供連接的橋梁，向上向下都分別提供了中間層的服務(wù)，為各種跨平臺(tái)的應(yīng)用提供了方便的接入、存儲(chǔ)、計(jì)算、可視化等服務(wù)。用戶可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)和移動(dòng)端App對(duì)已發(fā)布的應(yīng)用進(jìn)行訪問(wèn)，可以通過(guò)電子郵件接收來(lái)自云平臺(tái)的提醒，該平臺(tái)的強(qiáng)大功能能很好滿足本次設(shè)計(jì)的應(yīng)用需求。

5.軟件設(shè)計(jì)

5.1程序設(shè)計(jì)

控制器使用SMBus協(xié)議[4]與傳感器模塊進(jìn)行通訊，以讀取在MLX90614的RAM中儲(chǔ)存的溫度數(shù)據(jù)。若使用Data表示存儲(chǔ)在MLX90615中的原始數(shù)據(jù)，則體溫Temp可以使用公式Temp=0.02×Data-273.15獲得，讀取后的溫度值隨后被緩存在主控模塊的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，以備接下來(lái)封裝成報(bào)文進(jìn)行傳輸。

我們可以使用Get協(xié)議實(shí)現(xiàn)從云平臺(tái)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制的操作，只需要在對(duì)控制器對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行更改，然后使傳感器節(jié)點(diǎn)向云平臺(tái)發(fā)送Get協(xié)議報(bào)文來(lái)獲取該數(shù)據(jù)流中的當(dāng)前信息，再根據(jù)該信息的內(nèi)容做相應(yīng)操作即可。具體的做法是更改數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(tái)的時(shí)間間隔，以降低節(jié)點(diǎn)的能耗。也可以是提升發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率來(lái)增強(qiáng)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。此外我們可以使用Post協(xié)議向云平臺(tái)的數(shù)據(jù)流中發(fā)送數(shù)據(jù)。

表中post協(xié)議的含義是向PIG01數(shù)據(jù)流中添加一個(gè)新的數(shù)據(jù)點(diǎn)，值為27.5。報(bào)文中的Content-Length項(xiàng)所指的長(zhǎng)度是報(bào)文內(nèi)容的長(zhǎng)度，該項(xiàng)是云平臺(tái)檢驗(yàn)差錯(cuò)的一部分，不能出錯(cuò)。get協(xié)議的含義是從名為Switch的數(shù)據(jù)流中獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以是特定的符號(hào)，控制器可以根據(jù)該信息做特定的動(dòng)作。

5.2云平臺(tái)應(yīng)用設(shè)計(jì)

云平臺(tái)的應(yīng)用設(shè)計(jì)包括幾個(gè)主要部分：生成設(shè)備的秘鑰號(hào)碼、確定數(shù)據(jù)流的名、設(shè)計(jì)用戶界面。進(jìn)一步的，可以設(shè)計(jì)條件觸發(fā)器，觸發(fā)器的功能在于當(dāng)測(cè)量值滿足一定條件時(shí)向用戶發(fā)送警告信息。

使用傳感器對(duì)一目標(biāo)物體進(jìn)行測(cè)量，云平臺(tái)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)界面圖3所示：

我們?cè)O(shè)置觸發(fā)器的閾值為35，讓傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量溫度高于35℃的物體，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)得數(shù)據(jù)超過(guò)35時(shí)用戶會(huì)收到一封郵件作為提醒，郵件內(nèi)容截圖如圖4所示：

6 結(jié)束語(yǔ)

由于在豬的生長(zhǎng)過(guò)程中異常情況的突發(fā)性，傳統(tǒng)的測(cè)量方式已經(jīng)不能滿足及時(shí)報(bào)告異常的需求，本設(shè)計(jì)通過(guò)將非接觸紅外測(cè)量與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)應(yīng)用于豬體溫的監(jiān)測(cè)，相對(duì)于傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法，在測(cè)量的精度、速度上有顯著的優(yōu)勢(shì)。該測(cè)量方案減輕了人力勞動(dòng)，能夠及時(shí)對(duì)豬生長(zhǎng)的異常情況進(jìn)行報(bào)告，能夠減少損失是在上生產(chǎn)上具有良好的應(yīng)用前景。接下來(lái)將對(duì)降低節(jié)點(diǎn)的功耗、提升節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間與對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更好的封裝做進(jìn)一步的研究。

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