劉占成 田芳明 趙欣宇 柳晨陽 康廣 段麗瑩 李曼

摘? 要：以實(shí)現(xiàn)肉牛運(yùn)動(dòng)狀況監(jiān)測為目的，研究基于DA14580和MPU-6050的計(jì)步系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)際電路調(diào)試，可實(shí)現(xiàn)對(duì)肉牛的運(yùn)動(dòng)狀況檢測。系統(tǒng)由控制器核心電路、6軸加速度傳感器步數(shù)采集模塊MPU6050、LoRa擴(kuò)頻無線傳輸模塊、電源模塊、OLED顯示模塊和上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊組成。經(jīng)過測試，電路具有低功耗、低成本、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：DA14580;MPU-6050;LoRa;肉牛;運(yùn)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP212.9? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

隨著養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)?；?、集約化發(fā)展，肉牛的運(yùn)動(dòng)狀況監(jiān)測工作在健康養(yǎng)殖管理中具有極其重要的地位[1]。肉牛運(yùn)動(dòng)狀況不僅與牛肉口感、品質(zhì)息息相關(guān)，而且還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)肉牛個(gè)體健康狀況，以便對(duì)肉牛個(gè)體進(jìn)行系統(tǒng)檢查并進(jìn)行針對(duì)性治療。在國內(nèi)大多數(shù)肉牛養(yǎng)殖場中，主要依靠養(yǎng)殖技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，通過人工觀察對(duì)肉牛的健康狀況進(jìn)行鑒定，當(dāng)肉牛表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)減少、飲食不佳等情況時(shí)均可被認(rèn)為是生病。但是人工觀察健康狀況往往對(duì)技術(shù)人員的個(gè)人素質(zhì)要求高，存在鑒定不準(zhǔn)確或不全面的情況。近年來，隨著人們都肉牛養(yǎng)殖的了解逐漸加深，發(fā)現(xiàn)日常活動(dòng)量與肉牛健康狀況密切相關(guān)[2]。因此，研究適于規(guī)模化牧場的肉牛運(yùn)動(dòng)狀況監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)于肉牛健康養(yǎng)殖具有重要意義。在本研究中，消化吸收國內(nèi)外奶牛、肉牛養(yǎng)殖過程中運(yùn)動(dòng)狀況檢測方法，結(jié)合肉牛生理特點(diǎn)，基于低功耗、低成本、高可靠性等設(shè)計(jì)要求，研究集肉牛計(jì)步采集器、控制器、激活器等一套完整的肉牛運(yùn)動(dòng)狀況監(jiān)測系統(tǒng)，為肉牛規(guī)?；】叼B(yǎng)殖提供技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)肉牛運(yùn)動(dòng)狀況監(jiān)測系統(tǒng)的具體指標(biāo)，經(jīng)過分析，將系統(tǒng)細(xì)化為多個(gè)模塊形式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，具體為MPU6050 6軸加速度傳感器步數(shù)采集模塊、LoRa擴(kuò)頻無線傳輸模塊、5V電源模塊、OLED顯示模塊和上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊。基于DA14580的肉牛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或者定時(shí)將肉牛的運(yùn)動(dòng)步數(shù)，經(jīng)傳感器采集到DA14580處理器上，并將采集回來的數(shù)據(jù)通過LoRa擴(kuò)頻無線傳輸模塊傳送電腦，在電腦端上位機(jī)上進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。為了使基于DA14580的肉牛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測系統(tǒng)調(diào)試方便，在調(diào)試的時(shí)候?qū)?shù)據(jù)在OLED液晶顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

2 單元模塊電路設(shè)計(jì)

2.1 微控制器的選擇

微控制器采用Dialog 公司的藍(lán)牙單芯片DA14580[3]，系統(tǒng)基于Cortex M0架構(gòu)且集成了RW公司的藍(lán)牙協(xié)議棧IP，同時(shí)，內(nèi)置了ROM、OTP和RAM，具有極低功耗，適于便攜計(jì)數(shù)設(shè)備開發(fā)使用。DA14580電路連接如圖2所示。

2.2 計(jì)步電路設(shè)計(jì)

由于牛在生活過程中存在多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如站立、靜臥、行走等多種姿態(tài)，針對(duì)肉牛的運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行監(jiān)測，主要是計(jì)量肉牛的運(yùn)動(dòng)步數(shù)，為了分辨其各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，需考慮通過多軸數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行分析，從而得到其運(yùn)動(dòng)步數(shù)。MPU-6050加速度傳感器是一款6軸運(yùn)動(dòng)處理芯片[4]，和其他同類加速度傳感器整合方案相比，它消除了組合陀螺儀和加速度計(jì)時(shí)間軸之間的誤差值，且封裝空間小，為肉牛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的整體體積減少了很大的空間，其角速度感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec（dps），在記錄快速動(dòng)作與慢速動(dòng)作的忽快忽慢數(shù)據(jù)時(shí)有很高的精確度，MPU-6050的供電電壓范圍為2.3V～3.4V之間，接口為I2C協(xié)議格式，對(duì)應(yīng)的SCL和SDA引腳連接到微控制器DA14580的P1口27和28引腳上， AD0作為I2C地址控制引腳的最低位，當(dāng)AD0=0時(shí)，其地址為0x68，當(dāng)AD0=1時(shí)，地址為0x69，本設(shè)計(jì)中選擇后者。MPU-6050加速度傳感器硬件連接如圖3所示。

2.3 外置Flash電路設(shè)計(jì)

為了保障DA14580的可靠工作，需外掛存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)程序存儲(chǔ)，系統(tǒng)選用Winbond公司的W25X20cl型號(hào)外置flash，該芯片具有體積小，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，正常工作的電壓在2.9V±0.5V，正常工作狀態(tài)下電流消耗量只有不到0.5毫安，在非工作狀態(tài)狀態(tài)下電流消耗量不到1毫安。W25X20cl列陣有210個(gè)可編程頁面，其中每個(gè)頁面有28個(gè)字節(jié)。一次最多可編程的字節(jié)數(shù)為28。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的W25X20cl電路原理圖如圖4所示。

2.4 無線數(shù)傳電路設(shè)計(jì)

考慮到肉牛運(yùn)動(dòng)場地與接收控制箱之間的實(shí)際距離和系統(tǒng)功耗要求，選擇了SX1278射頻芯片作為無線收發(fā)的主要芯片[5-6]，并結(jié)合LoRa直序擴(kuò)頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了3km范圍可靠通信，通信頻段為433MHz，空中傳輸速率為2.4kbps，發(fā)射功率為20dB，支持定點(diǎn)傳輸、廣播傳輸、信道監(jiān)聽;支持空中喚醒（超低功耗），適用于電池應(yīng)用方案，支持FEC前向糾錯(cuò)，提高通信穩(wěn)定性，支持9.8K±9.5Kbps的超寬數(shù)據(jù)傳輸速率，LoRa無線傳輸模塊電路連接如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

前端的數(shù)據(jù)采集主要負(fù)責(zé)將MPU-6050加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻A14580單片機(jī)中，主要流程是，DA14580處理器先發(fā)送采集指令給MPU-6050加速度傳感器，MPU-6050加速度傳感器接收到數(shù)據(jù)指令之后，將采集到的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送出來，DA145802將數(shù)據(jù)采集，存儲(chǔ)到寄存器當(dāng)中。數(shù)據(jù)傳輸完成，DA14580從寄存器中將數(shù)據(jù)讀取處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，判斷當(dāng)前肉牛為何種狀態(tài)，站立或者躺臥，因?yàn)镸PU-6050加速度傳感器輸出值就是數(shù)字信號(hào)，所以可直接將數(shù)據(jù)寫進(jìn)OLED液晶屏寄存器，在OLED顯示屏上進(jìn)行顯示。最后通過LoRa無線串口傳輸?shù)诫娔X上位機(jī)端，供用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)查看，得知哪只肉牛出現(xiàn)了不良反應(yīng)或者異常反應(yīng)。

4 測試與結(jié)果

對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行制版、焊接、編程并下載調(diào)試，利用PC機(jī)串口接收采集的數(shù)據(jù)，分析測量誤差和系統(tǒng)可靠性。經(jīng)測算，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)14個(gè)月理論供電，系統(tǒng)的測算精度達(dá)到85%。

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