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        基于DA14580的肉牛運動狀況監(jiān)測系統(tǒng)設計

        2019-12-23 07:16:37劉占成田芳明趙欣宇柳晨陽康廣段麗瑩李曼
        科技創(chuàng)新與應用 2019年36期
        關(guān)鍵詞:步數(shù)肉牛加速度

        劉占成 田芳明 趙欣宇 柳晨陽 康廣 段麗瑩 李曼

        摘? 要:以實現(xiàn)肉牛運動狀況監(jiān)測為目的,研究基于DA14580和MPU-6050的計步系統(tǒng),經(jīng)實際電路調(diào)試,可實現(xiàn)對肉牛的運動狀況檢測。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擴頻無線傳輸模塊、電源模塊、OLED顯示模塊和上位機實時監(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、可靠性高等優(yōu)點。

        關(guān)鍵詞:DA14580;MPU-6050;LoRa;肉牛;運動

        中圖分類號:TP212.9? ? ? ?文獻標識碼:A 文章編號: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)?;⒓s化發(fā)展,肉牛的運動狀況監(jiān)測工作在健康養(yǎng)殖管理中具有極其重要的地位[1]。肉牛運動狀況不僅與牛肉口感、品質(zhì)息息相關(guān),而且還可以及時發(fā)現(xiàn)肉牛個體健康狀況,以便對肉牛個體進行系統(tǒng)檢查并進行針對性治療。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,通過人工觀察對肉牛的健康狀況進行鑒定,當肉牛表現(xiàn)出運動減少、飲食不佳等情況時均可被認為是生病。但是人工觀察健康狀況往往對技術(shù)人員的個人素質(zhì)要求高,存在鑒定不準確或不全面的情況。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?;顒恿颗c肉牛健康狀況密切相關(guān)[2]。因此,研究適于規(guī)?;翀龅娜馀_\動狀況監(jiān)測系統(tǒng)對于肉牛健康養(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)殖過程中運動狀況檢測方法,結(jié)合肉牛生理特點,基于低功耗、低成本、高可靠性等設計要求,研究集肉牛計步采集器、控制器、激活器等一套完整的肉牛運動狀況監(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)總體方案設計

        根據(jù)肉牛運動狀況監(jiān)測系統(tǒng)的具體指標,經(jīng)過分析,將系統(tǒng)細化為多個模塊形式,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擴頻無線傳輸模塊、5V電源模塊、OLED顯示模塊和上位機實時監(jiān)測模塊。基于DA14580的肉牛運動狀態(tài)檢測系統(tǒng)實現(xiàn)實時或者定時將肉牛的運動步數(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擴頻無線傳輸模塊傳送電腦,在電腦端上位機上進行顯示數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)。為了使基于DA14580的肉牛運動狀態(tài)檢測系統(tǒng)調(diào)試方便,在調(diào)試的時候?qū)?shù)據(jù)在OLED液晶顯示屏進行實時顯示。

        2 單元模塊電路設計

        2.1 微控制器的選擇

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

        2.2 計步電路設計

        由于牛在生活過程中存在多種運動狀態(tài),如站立、靜臥、行走等多種姿態(tài),針對肉牛的運動狀況進行監(jiān)測,主要是計量肉牛的運動步數(shù),為了分辨其各種運動狀態(tài),需考慮通過多軸數(shù)據(jù)采集并進行分析,從而得到其運動步數(shù)。MPU-6050加速度傳感器是一款6軸運動處理芯片[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時間軸之間的誤差值,且封裝空間小,為肉牛運動狀態(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),在記錄快速動作與慢速動作的忽快忽慢數(shù)據(jù)時有很高的精確度,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,對應的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AD0=0時,其地址為0x68,當AD0=1時,地址為0x69,本設計中選擇后者。MPU-6050加速度傳感器硬件連接如圖3所示。

        2.3 外置Flash電路設計

        為了保障DA14580的可靠工作,需外掛存儲器實現(xiàn)程序存儲,系統(tǒng)選用Winbond公司的W25X20cl型號外置flash,該芯片具有體積小,功耗低等優(yōu)點,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個可編程頁面,其中每個頁面有28個字節(jié)。一次最多可編程的字節(jié)數(shù)為28。系統(tǒng)中設計的W25X20cl電路原理圖如圖4所示。

        2.4 無線數(shù)傳電路設計

        考慮到肉牛運動場地與接收控制箱之間的實際距離和系統(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直序擴頻技術(shù),實現(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),適用于電池應用方案,支持FEC前向糾錯,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)軟件設計

        前端的數(shù)據(jù)采集主要負責將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,存儲到寄存器當中。數(shù)據(jù)傳輸完成,DA14580從寄存器中將數(shù)據(jù)讀取處理,進行數(shù)據(jù)對比,判斷當前肉牛為何種狀態(tài),站立或者躺臥,因為MPU-6050加速度傳感器輸出值就是數(shù)字信號,所以可直接將數(shù)據(jù)寫進OLED液晶屏寄存器,在OLED顯示屏上進行顯示。最后通過LoRa無線串口傳輸?shù)诫娔X上位機端,供用戶進行數(shù)據(jù)查看,得知哪只肉牛出現(xiàn)了不良反應或者異常反應。

        4 測試與結(jié)果

        對設計電路進行制版、焊接、編程并下載調(diào)試,利用PC機串口接收采集的數(shù)據(jù),分析測量誤差和系統(tǒng)可靠性。經(jīng)測算,系統(tǒng)可實現(xiàn)14個月理論供電,系統(tǒng)的測算精度達到85%。

        參考文獻:

        [1]李真真.規(guī)?;馀龉芾硇畔⑾到y(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].山西農(nóng)業(yè)大學,2014.

        [2]任亮,劉彩娟,羅清華.計步器監(jiān)測系統(tǒng)對規(guī)?;龇庇ぷ鞯挠绊慬J].中國奶牛,2017(07):26-29.

        [3]同偉.基于DA14580智能藍牙控制器開發(fā)多功能遙控器[J].中國電子商情(基礎(chǔ)電子),2015(08):38-40.

        [4]王可心.基于MPU6050簡單控制設備[J].電子制作,2018(11):86-89.

        [5]趙全,徐光,郝龍,等.基于LoRa的無線多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].國外電子測量技術(shù),2019,38(06):120-124.

        [6]付建文,蔣昱麒.基于LoRa技術(shù)的遠程抄表系統(tǒng)設計[J].電子設計工程,2019,27(15):157-160+165.

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