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)計的耳掛式傳感器節(jié)點，使用中國移動Onenet平臺作為云平臺的非接觸式豬體溫檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程、實時的監(jiān)控豬體溫。系統(tǒng)的傳感器節(jié)點以豬耳掛為外形，并以測得豬耳溫為測量目標(biāo)。得益于紅外傳感器的高精度（±0.02℃）測量特性與云平臺的互聯(lián)特性，該系統(tǒng)不僅可以降低飼養(yǎng)員平時工作的強(qiáng)度，還能較為準(zhǔn)確、及時地向管理員報告豬的當(dāng)前體溫、并在豬體溫異常時發(fā)出異常警報，以便飼養(yǎng)員及時應(yīng)對、減少損失，在實際生產(chǎn)中有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：豬耳溫監(jiān)測；紅外測溫；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)的耳掛式耳溫測量節(jié)點通過采集耳腔和骨膜的紅外輻射轉(zhuǎn)化為溫度值，并上傳到云平臺作進(jìn)一步處理。與傳統(tǒng)的使用水銀溫度計測量的方案相比，紅外測量具有安全、快速、簡便、精度高的優(yōu)勢。

2.紅外耳溫計測溫的基本原理

生物的體溫控制主要由大腦的下視丘器官來完成，該器官關(guān)于耳朵最為接近。耳 朵的溫度會隨著機(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，通過測量豬耳道與骨膜的紅外輻射強(qiáng)度來獲得豬的體溫信息。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?？梢娢矬w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產(chǎn)生微弱的電信號。由公式（1）表述的原理，紅外傳感器的輸出信號為：

其中A是器件的總體敏感度，與傳感器的設(shè)計有關(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

紅外傳感器通過測量目標(biāo)物體的紅外輻射強(qiáng)度獲得豬的當(dāng)前體溫，傳感器將測得的溫度數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到主控芯片。在主控芯片將溫度數(shù)據(jù)打包成Onenet云平臺規(guī)定的報文格式后，將報文通過串口發(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)報信息。云平臺通過解析報文中的數(shù)據(jù)流對應(yīng)身份信息，對不同測量目標(biāo)的測量參數(shù)進(jìn)行更新、用戶可通過移動終端訪問云平臺應(yīng)用中的信息，對被測對象的測量參數(shù)進(jìn)行實時檢測。管理員通過設(shè)置觸發(fā)器的閾值，用戶可以在測量值異常時獲得通知，及時處理異常。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

4.硬件部分設(shè)計

整個系統(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開發(fā)板上，NodeMCU是一個開源的可以運行腳本的微控制器，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，可以掛載多種類型的傳感器。ESP-8266模塊在作為Wi-Fi模塊的同時，還可以同時作為主控模塊使用，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開發(fā)板上集成了LM317穩(wěn)壓芯片，該芯片可以將節(jié)點的輸入電壓穩(wěn)定在3.3V，以保證傳感器節(jié)點的正常運行。測溫節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

4.1控制器部分

由于本設(shè)計將ESP-8266模塊同時作為控制器，和WiFi發(fā)射模塊，我們在ESP-8266模塊中燒錄Arduion-WiFi固件實現(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現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

4.2Onenet云平臺部分

數(shù)據(jù)的接收與進(jìn)一步處理、呈現(xiàn)在Onenet云平臺上完成。Onenet云平臺是中移物聯(lián)網(wǎng)推出的針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開發(fā)平臺、具有易用免費的特點，Onenet平臺作為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)，為各種跨平臺的應(yīng)用提供了方便的接入、存儲、計算、可視化等服務(wù)。用戶可以通過網(wǎng)頁和移動端App對已發(fā)布的應(yīng)用進(jìn)行訪問，可以通過電子郵件接收來自云平臺的提醒，該平臺的強(qiáng)大功能能很好滿足本次設(shè)計的應(yīng)用需求。

5.軟件設(shè)計

5.1程序設(shè)計

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中儲存的溫度數(shù)據(jù)。若使用Data表示存儲在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，以備接下來封裝成報文進(jìn)行傳輸。

我們可以使用Get協(xié)議實現(xiàn)從云平臺對傳感器節(jié)點進(jìn)行控制的操作，只需要在對控制器對應(yīng)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行更改，然后使傳感器節(jié)點向云平臺發(fā)送Get協(xié)議報文來獲取該數(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)送至云平臺的時間間隔，以降低節(jié)點的能耗。也可以是提升發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率來增強(qiáng)監(jiān)測的實時性。此外我們可以使用Post協(xié)議向云平臺的數(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)流中添加一個新的數(shù)據(jù)點，值為27.5。報文中的Content-Length項所指的長度是報文內(nèi)容的長度，該項是云平臺檢驗差錯的一部分，不能出錯。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，控制器可以根據(jù)該信息做特定的動作。

5.2云平臺應(yīng)用設(shè)計

云平臺的應(yīng)用設(shè)計包括幾個主要部分：生成設(shè)備的秘鑰號碼、確定數(shù)據(jù)流的名、設(shè)計用戶界面。進(jìn)一步的，可以設(shè)計條件觸發(fā)器，觸發(fā)器的功能在于當(dāng)測量值滿足一定條件時向用戶發(fā)送警告信息。

使用傳感器對一目標(biāo)物體進(jìn)行測量，云平臺數(shù)據(jù)呈現(xiàn)界面圖3所示：

我們設(shè)置觸發(fā)器的閾值為35，讓傳感器節(jié)點測量溫度高于35℃的物體，當(dāng)傳感器節(jié)點測得數(shù)據(jù)超過35時用戶會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

由于在豬的生長過程中異常情況的突發(fā)性，傳統(tǒng)的測量方式已經(jīng)不能滿足及時報告異常的需求，本設(shè)計通過將非接觸紅外測量與物聯(lián)網(wǎng)云平臺應(yīng)用于豬體溫的監(jiān)測，相對于傳統(tǒng)的人工測量方法，在測量的精度、速度上有顯著的優(yōu)勢。該測量方案減輕了人力勞動，能夠及時對豬生長的異常情況進(jìn)行報告，能夠減少損失是在上生產(chǎn)上具有良好的應(yīng)用前景。接下來將對降低節(jié)點的功耗、提升節(jié)點的工作時間與對節(jié)點進(jìn)行更好的封裝做進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張巧平.基于體溫檢測的豬疾病判斷方法 [J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技. 2011（20）.

[2] 鄭煜. 生理學(xué)[M]. 成都：四川大學(xué)出版社，2005.

[3] [美]萬茲蒂（R·Vanzetti）著，張守一等 譯. 紅外技術(shù)的實際應(yīng)用[M]. 科學(xué)出版社，1981.

[4] 崔健，魯志平.SMBus協(xié)議分析及其在雙MCU通訊中的應(yīng)用[J].微計算機(jī)信息，2004（06）：99-100.