多參數(shù)飼養(yǎng)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘" 要：為滿足動(dòng)物飼育實(shí)驗(yàn)室對(duì)溫度、相對(duì)濕度、氣體流量、微壓差、顆粒物濃度、CO2濃度、NH3濃度和H2S濃度等關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)需求，該文設(shè)計(jì)一款集多參數(shù)監(jiān)測(cè)、模塊化設(shè)計(jì)、用戶友好界面于一體的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼育與環(huán)境指標(biāo)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，允許靈活配置功能，并通過(guò)Cat-1模組的無(wú)線傳輸方式與云平臺(tái)控制系統(tǒng)連接，對(duì)飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行可視化監(jiān)測(cè)和設(shè)置監(jiān)測(cè)指標(biāo)預(yù)警，并且可根據(jù)實(shí)時(shí)回傳的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、處理及參數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

關(guān)鍵詞：環(huán)境參數(shù)；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；Cat-1模組；無(wú)線傳輸；云平臺(tái)

中圖分類號(hào)：X835" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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

隨著生物科學(xué)研究的不斷深入，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物作為科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要參與者，其飼養(yǎng)環(huán)境的穩(wěn)定性直接影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)環(huán)境的溫度、濕度、氣體流量、微壓差、顆粒物濃度、CO2濃度、NH3濃度和H2S濃度等關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)的控制和監(jiān)測(cè)[1-5]，成為了科研人員關(guān)注的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)方法往往依賴于人工巡檢和定期檢測(cè)，這種方式不僅效率低下，而且實(shí)時(shí)性差，無(wú)法滿足現(xiàn)代生物實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)的高要求。為了解決這一問(wèn)題，本文提出了一種基于Cat-1的多參數(shù)飼養(yǎng)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)充分利用了Cat-1技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[6-7]，通過(guò)無(wú)線傳輸方式將實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)環(huán)境的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸至云端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飼養(yǎng)環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理。不僅提高了監(jiān)測(cè)效率，還增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性，使得科研人員能夠隨時(shí)掌握飼養(yǎng)環(huán)境的狀況。

該系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)不同的飼養(yǎng)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)需求，靈活配置監(jiān)測(cè)參數(shù)，滿足多樣化的監(jiān)測(cè)需求。本文根據(jù)飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室的特殊性，使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種不同的飼養(yǎng)環(huán)境，具有較強(qiáng)的通用性和擴(kuò)展性。同時(shí)，系統(tǒng)還提供了用戶友好的界面，使得科研人員可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)查看、分析和處理?？蒲腥藛T可以通過(guò)界面直觀地了解到飼養(yǎng)環(huán)境的狀況，并根據(jù)需要調(diào)整監(jiān)測(cè)參數(shù)，以確保實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)環(huán)境的穩(wěn)定性和適宜性。

多參數(shù)飼養(yǎng)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供一種高效、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的解決方案。此解決方案將為生物科學(xué)研究提供實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)支持，有利于提高飼養(yǎng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，推動(dòng)生物科學(xué)研究的進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)，該設(shè)計(jì)還可以為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)環(huán)境的改善和管理提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物福利的提升。

1" 多參數(shù)飼養(yǎng)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與LTE Cat-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1" 多參數(shù)飼養(yǎng)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

多參數(shù)飼養(yǎng)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

多參數(shù)飼養(yǎng)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要組成部分包括采集與控制單元、控制管理平臺(tái)、遠(yuǎn)程服務(wù)器及應(yīng)用層。采集與控制單元是系統(tǒng)的前端，主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飼養(yǎng)環(huán)境中的各種參數(shù)。采集單元包括顆粒物傳感器、溫濕度傳感器、流速傳感器、微差壓傳感器及用于檢測(cè)CO2、NH3、H2S等氣體的傳感器。同時(shí)，將傳感器測(cè)量環(huán)境中各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)傳輸至控制管理平臺(tái)。

控制管理平臺(tái)中的微控制單元（MCU），主要是控制多參數(shù)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸。并在MCU中對(duì)傳感器進(jìn)行周期性的數(shù)據(jù)采集時(shí)間進(jìn)行預(yù)設(shè)，同時(shí)將收集到的測(cè)試數(shù)據(jù)打包并通過(guò)Cat-1模組發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器中?？刂乒芾砥脚_(tái)確保了數(shù)據(jù)能夠高效、準(zhǔn)確地從采集單元傳輸?shù)椒?wù)器。

遠(yuǎn)程服務(wù)器主要接收來(lái)自控制管理平臺(tái)的環(huán)境測(cè)試數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和處理。服務(wù)器將根據(jù)科研人員的要求，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以便于制定決策和調(diào)整飼養(yǎng)環(huán)境。此外，遠(yuǎn)程服務(wù)器還支持遠(yuǎn)程控制功能，允許科研人員或管理人員遠(yuǎn)程調(diào)整實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)環(huán)境的預(yù)警參數(shù)設(shè)置，確保環(huán)境的穩(wěn)定性。

其中，應(yīng)用層是用戶與系統(tǒng)交互的界面，根據(jù)科研人員要求，可以在手機(jī)端或PC端實(shí)時(shí)查看飼養(yǎng)環(huán)境的狀況，接收預(yù)警通知，并根據(jù)科研人員的需要調(diào)整監(jiān)測(cè)參數(shù)或執(zhí)行控制命令。多參數(shù)飼養(yǎng)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為提供一個(gè)高效、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)解決方案，以確保實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)環(huán)境的最佳條件，從而支持生物科學(xué)研究的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)這種系統(tǒng)的部署，科研人員可以更好地控制實(shí)驗(yàn)條件，提高實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的舒適性，同時(shí)促進(jìn)科學(xué)研究的進(jìn)展。

1.2" Cat-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文構(gòu)建了一個(gè)基于Cat-1技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)主要包括多參數(shù)傳感器終端、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)及Cat-1通信模組。傳感器終端通過(guò)設(shè)計(jì)的外圍電路與通信模組相連，并綁定特定的SIM卡以接入Cat-1網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的封裝與傳輸。實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試數(shù)據(jù)在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，其運(yùn)算結(jié)果反饋至上位機(jī)界面進(jìn)行展示。

Cat-1模組以其卓越的性能、成本效益以及廣泛的應(yīng)用范圍，成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一種優(yōu)選解決方案[8]。該模組提供高速的上下行速率和強(qiáng)大的處理能力，支持多種業(yè)務(wù)功能，包括高清語(yǔ)音、視頻傳輸和遠(yuǎn)程升級(jí)。對(duì)多種協(xié)議的支持，如TCP/UDP /MQTT/HTTP/HTTPS等，簡(jiǎn)化了快速開(kāi)發(fā)的過(guò)程。特別是其原生支持OpenCPU架構(gòu)，可以省去外部MCU等周邊電路，從而顯著降低整體成本。低成本設(shè)計(jì)和兼容性特點(diǎn)使其成為快速開(kāi)發(fā)多種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的首選。此外，內(nèi)置的國(guó)產(chǎn)芯片支持多種網(wǎng)絡(luò)模式和定位技術(shù)，增強(qiáng)了模組的實(shí)用性和可靠性。憑借廣泛的4G/5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，Cat-1模組適用于工業(yè)控制、共享經(jīng)濟(jì)、金融支付、公網(wǎng)對(duì)講和能源等多種場(chǎng)景，有助于推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)階段，對(duì)Cat-1和NB-IoT 2種通信模組進(jìn)行了深入的比較分析[9-10]。比較的維度涵蓋了產(chǎn)業(yè)鏈配套的成熟度、通信模組的成本效益、應(yīng)用場(chǎng)景的適應(yīng)性、商業(yè)模式的可持續(xù)性、網(wǎng)絡(luò)覆蓋的廣泛性、通信速率、對(duì)全業(yè)務(wù)的支持能力、設(shè)備的可移動(dòng)性以及在待機(jī)狀態(tài)下的功耗等多個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)，具體如圖2所示。

鑒于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室的特殊場(chǎng)景需求，即對(duì)較高數(shù)據(jù)速率和長(zhǎng)距離通信的要求，Cat-1模組展現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)。它能夠提供高達(dá)10 Mbps的下行速率和5 Mbps的上行速率，非常適合需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。相比之下，NB-IoT模組提供的最高速率約為250 kbps，更適用于偶爾傳輸小數(shù)據(jù)包的應(yīng)用場(chǎng)景。此外，Cat-1模組支持語(yǔ)音、短信和數(shù)據(jù)傳輸，能夠滿足多功能通信的需求，而NB-IoT模組則主要支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，對(duì)語(yǔ)音和短信的支持能力有限。綜合以上分析，本設(shè)計(jì)最終決定采用Cat-1模組作為通信解決方案，以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)環(huán)境的高效、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2" 多參數(shù)飼養(yǎng)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與LTE Cat-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1" Cat-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

多參數(shù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)主要分為傳感器采集模塊和通信模塊的電路設(shè)計(jì)。其中傳感器負(fù)責(zé)對(duì)飼養(yǎng)環(huán)境中測(cè)試數(shù)據(jù)的采集，而通信模塊則負(fù)責(zé)與云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。硬件電路設(shè)計(jì)中的溫濕度數(shù)據(jù)由MSR-5濕度傳感器和DaCW14-3T鉑電阻溫度傳感器采集，氣流速度則由CAFS4000B型流量傳感器監(jiān)測(cè)，微壓差數(shù)據(jù)采用SDP8XX型壓差傳感器，顆粒物濃度由SPS30型顆粒物傳感器測(cè)量，而氣體類數(shù)據(jù)包括CO2濃度、NH3濃度和H2S濃度，分別由SCD30型CO2傳感器、ME3-NH3型氣體傳感器和MEu-H2S型氣體傳感器進(jìn)行檢測(cè)。多參數(shù)采集模塊與通信模塊示意圖如圖3所示。

采集模塊通信實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示，通信模塊采用雙頻天線、Cat-1通信模組和聯(lián)通專用物聯(lián)網(wǎng)卡進(jìn)行通信，并通過(guò)雙頻天線將采集的測(cè)試數(shù)據(jù)直接發(fā)送到云平臺(tái)。

Cat-1通信模組硬件采用“物聯(lián)網(wǎng)+STM32單片機(jī)”控制方案，這種方案響應(yīng)及時(shí)，成本也較低易量產(chǎn)，其中單片機(jī)選擇為STM32系列單片機(jī)。為了使通信模塊高效穩(wěn)定的工作，云平臺(tái)需要與通信模塊每隔5 min進(jìn)行心跳交互，在通信指令下達(dá)結(jié)束后，判斷系統(tǒng)是否運(yùn)行結(jié)束，如果系統(tǒng)未結(jié)束返回系統(tǒng)調(diào)試，重復(fù)數(shù)據(jù)交互，如果結(jié)束，則直接退出系統(tǒng)[11]。同時(shí)，為防止測(cè)試數(shù)據(jù)包的丟失，在采集時(shí)刻需采集不少于3次的測(cè)試數(shù)據(jù)，以保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2" 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室的要求，本設(shè)計(jì)選擇使用監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)，在系統(tǒng)中在設(shè)備管理中添加了多參數(shù)模塊，在數(shù)據(jù)管理模塊中添加了各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)模板，并可在歷史記錄中查看實(shí)驗(yàn)室參數(shù)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)。可根據(jù)實(shí)際要求，在觸發(fā)器中添加觸發(fā)器臨界值預(yù)警，當(dāng)傳感器上傳的數(shù)據(jù)達(dá)到所設(shè)的報(bào)警閾值，便會(huì)觸發(fā)警報(bào)，以高亮和短信的形式，推送報(bào)警信息，提醒科研人員查看實(shí)驗(yàn)室突發(fā)狀況。

飼養(yǎng)環(huán)境管理系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控視圖如圖5所示，在監(jiān)控視圖中可以實(shí)時(shí)查看實(shí)驗(yàn)室的基本信息和環(huán)境參數(shù)。組態(tài)畫(huà)面信息可以在組態(tài)管理中進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并且可以在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中增添新的組件，也可以單獨(dú)應(yīng)用。

3" 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

在本次實(shí)驗(yàn)中，選取設(shè)備1和位置點(diǎn)1作為實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)對(duì)象，并對(duì)飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這些參數(shù)包括溫度、相對(duì)濕度、氣體流量、微壓差、顆粒物濃度、CO2濃度、NH3濃度和H2S濃度等。在監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境前，需將多參數(shù)環(huán)境傳感器采集的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證，確保環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，為保證實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的全面性和可靠性，需對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，采集時(shí)間持續(xù)7天，監(jiān)測(cè)采集頻率設(shè)定為每間隔2 h取一次數(shù)據(jù)。測(cè)試數(shù)據(jù)隨后通過(guò)Cat-1通信模組傳輸至云平臺(tái)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和進(jìn)一步分析。通過(guò)這種方式，能夠確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新和準(zhǔn)確記錄，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

通過(guò)上述誤差公式，對(duì)云平臺(tái)上傳的環(huán)境實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體7天內(nèi)的溫度、相對(duì)濕度、氣體流量、微壓差、顆粒物濃度、CO2濃度、NH3濃度和H2S濃度等多參數(shù)數(shù)據(jù)變化曲線如圖6所示。

根據(jù)圖6所示的飼養(yǎng)環(huán)境參數(shù)變化曲線，對(duì)溫度、相對(duì)濕度、氣體流量、微壓差、顆粒物濃度、CO2濃度、NH3濃度和H2S濃度等關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)的每日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算。分析結(jié)果顯示，連續(xù)7天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平均值數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出一致性，每天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差范圍均控制在5%以內(nèi)，這表明飼養(yǎng)環(huán)境在考核指標(biāo)上達(dá)到了預(yù)期的穩(wěn)定性。

通過(guò)為期7天的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的飼養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼育實(shí)驗(yàn)室中的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)方面的有效性。此外，科研人員可以通過(guò)系統(tǒng)提供的可視化界面實(shí)時(shí)訪問(wèn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)室需求設(shè)定環(huán)境參數(shù)預(yù)警閾值。一旦環(huán)境參數(shù)超出預(yù)設(shè)閾值，系統(tǒng)將自動(dòng)觸發(fā)預(yù)警，以便科研人員及時(shí)響應(yīng)并采取相應(yīng)措施。

4" 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的飼養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用專用的物聯(lián)網(wǎng)Cat-1模組，實(shí)現(xiàn)對(duì)飼養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云平臺(tái)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的環(huán)境多參數(shù)閾值，對(duì)飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行可視化監(jiān)測(cè)與預(yù)警。經(jīng)過(guò)為期7天的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的飼養(yǎng)環(huán)境中多參數(shù)指標(biāo)誤差范圍均控制在5%以內(nèi)，充分滿足了飼養(yǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)要求。此外，該系統(tǒng)的應(yīng)用顯著減少了人工成本，提升了工作效率，并為科研人員提供了準(zhǔn)確性和可靠性更高的實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)估。此飼養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有效推進(jìn)了飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)與控制，為飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室的智能化、無(wú)人化建設(shè)提供了探索與驗(yàn)證的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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