劉紹鑫，肖茁，張可靖，張振彪，鐘茉

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412000）

0 引言

實(shí)驗(yàn)生物是研究生命科學(xué)不可或缺的材料，但飼養(yǎng)過程中存在一些潛在風(fēng)險(xiǎn)。其一，許多實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)在未達(dá)良好標(biāo)準(zhǔn)的場(chǎng)地，甚至在實(shí)驗(yàn)室中散養(yǎng)，伴隨動(dòng)物撕咬、抓傷等事故的發(fā)生；其二，許多師生不按照實(shí)驗(yàn)安全注意事項(xiàng)進(jìn)行操作，沒有防護(hù)措施，個(gè)人未滅菌直接進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室，極易導(dǎo)致人畜共患病和動(dòng)物氣溶膠的危害。

國內(nèi)外研發(fā)飼養(yǎng)箱研究現(xiàn)狀，國外的研究在智能化和自動(dòng)化方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展[1]，而我國的生物實(shí)驗(yàn)飼養(yǎng)箱在技術(shù)上不夠成熟，在一定程度上依賴于外國進(jìn)口。目前我國尚無統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物籠器具標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)器材在實(shí)際應(yīng)用中存在許多不足之處，能夠幫助研究、檢測(cè)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的設(shè)備大多功能單一，且只能針對(duì)單一的動(dòng)物。

由此設(shè)計(jì)一款集自動(dòng)控制技術(shù)、智能檢測(cè)技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)、云平臺(tái)技術(shù)于一體的生物實(shí)驗(yàn)飼養(yǎng)箱系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1、擴(kuò)充產(chǎn)品的適用對(duì)象，能根據(jù)生物的不同生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)從而能夠飼養(yǎng)多種動(dòng)物；

2、可通過云平臺(tái)、手機(jī)等實(shí)施近遠(yuǎn)程相結(jié)合的實(shí)時(shí)監(jiān)控、多種數(shù)據(jù)記錄與操作；

3、在喂養(yǎng)、衛(wèi)生環(huán)境、報(bào)警等方面擁有自動(dòng)和手動(dòng)模式；

4、降低了病菌傳播感染風(fēng)險(xiǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，以一臺(tái)工控機(jī)監(jiān)控多臺(tái)寵物飼養(yǎng)箱，工控機(jī)與下位機(jī)采用485總線通訊模式，通訊距離大于1000m。飼養(yǎng)箱包含溫濕度控制模塊、自動(dòng)換氣與空氣消毒模塊、自動(dòng)投食模塊、動(dòng)物行為監(jiān)控模塊等部分，其中溫濕度控制模塊主要實(shí)現(xiàn)飼養(yǎng)箱恒溫、恒濕控制；自動(dòng)投食模塊除具有投食、投水功能外，還包含實(shí)物與水定量控制；自動(dòng)換氣與空氣消毒模塊。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主要實(shí)現(xiàn)飼養(yǎng)箱與實(shí)驗(yàn)室空氣對(duì)流與殺毒；動(dòng)物行為監(jiān)控主要實(shí)現(xiàn)動(dòng)物在實(shí)驗(yàn)條件下動(dòng)物行為，包含飲食情況、運(yùn)動(dòng)情況等實(shí)驗(yàn)要求。

如圖2所示是監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，工控機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，再由云平臺(tái)傳輸給手機(jī)客戶端，同時(shí)，手機(jī)客戶端也能利用云平臺(tái)來控制工控機(jī)，從而控制寵物飼養(yǎng)箱的各個(gè)模塊。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度控制模塊

采用DHT11傳感器作為溫濕度傳感器，它能對(duì)數(shù)字進(jìn)行精確采集以及對(duì)溫濕度具有較好的傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性[2]。此傳感器包括NTC溫度傳感和濕敏電阻元件，并且連接于單個(gè)的STM32單片機(jī)，它不僅響應(yīng)較快，而且具有很強(qiáng)的抗干擾能力，性價(jià)比也極高。其精度濕度為±單片機(jī)相，溫度±溫度，量程濕度 20%～90%RH，溫度 0～50度[3]。傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用在OTP內(nèi)存中以程序的形式儲(chǔ)存的校準(zhǔn)系數(shù)。為了使系統(tǒng)的集成變得簡(jiǎn)捷，采用單線制串口。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選則[4]，電路如圖3所示。

圖3 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器與單片機(jī)的連接電路

在高溫條件下，將PTC陶瓷發(fā)s熱組件與波紋鋁條膠粘組成溫度加熱裝置。該類型PTC加熱器有熱阻小、換熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，是一種自動(dòng)恒溫、省電的電加熱器[5]。具有升溫迅速、使用壽命長(zhǎng)、工作電壓范圍廣（12V～380V），設(shè)計(jì)方便等特點(diǎn)，最主要是PTC安全性能好，發(fā)熱時(shí)不發(fā)紅、無明火，可以避免起火。

加濕裝置采用繼電器來控制加加濕器的運(yùn)行，選用的是JQC-3FF-S-Z電磁繼電器，該繼電器工作電流65mA，吸合電壓為5伏，觸發(fā)電壓0-3.5V，觸發(fā)電流2mA。由鐵芯、簧片、線圈和銜鐵組成如圖4所示。

圖4 繼電器控制電路

首先，由用戶通過觸摸屏設(shè)置相應(yīng)飼養(yǎng)箱內(nèi)部的溫度及濕度，再由溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)傳遞到STM32單片機(jī)進(jìn)行處理，對(duì)不在設(shè)定的范圍之內(nèi)的飼養(yǎng)箱的溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，如當(dāng)溫度過低時(shí)，通過單片機(jī)控制接通溫度加熱裝置的電源，從而使溫度達(dá)到要求；當(dāng)濕度未在要求范圍內(nèi)時(shí)，由單片機(jī)控制加濕器使?jié)穸冗_(dá)到要求。

2.2 自動(dòng)排換氣模塊

MG811二氧化碳傳感器對(duì)CO2具有良好的靈敏度和選擇性[6-7]，二氧化碳低濕度和溫度依賴長(zhǎng)期穩(wěn)定性和再現(xiàn)性的特點(diǎn)。

為了方便使用，換氣扇設(shè)置了兩種工作狀態(tài)：手動(dòng)和自動(dòng)。通過STM32生成雙路PWM波經(jīng)過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來分別控制排氣通道的換氣扇和進(jìn)氣通道的換氣扇；為了避免誤操作導(dǎo)致?lián)Q氣扇在高速運(yùn)行時(shí)突然停止，產(chǎn)生大電流將電路燒壞，通過改變STM32生成的脈沖寬度調(diào)制的波形的占空比來使排氣扇的轉(zhuǎn)速達(dá)到理想轉(zhuǎn)速。

由于L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路有：可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速。啟動(dòng)性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。工作電壓可達(dá)到36V，工作電流最大值為4A，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)，采用L298N驅(qū)動(dòng)電路作為換氣扇電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，電路如圖5所示。

圖5 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

由于手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式方式都是控制相同的對(duì)象，為減少電路不必要的回路，將手動(dòng)模式以及自動(dòng)模式采用同一個(gè)控制信號(hào)，通過按鍵SW1來將二氧化碳傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)斷開或連接來控制手動(dòng)與自動(dòng)模式的切換，按鍵SW1按一下就切換一次操作模式。當(dāng)模塊工作在手動(dòng)操作模式時(shí)，通過按下按鍵SW2使換氣扇工作在排氣狀態(tài)、通過按下按鍵SW3使換氣扇工作在進(jìn)氣狀態(tài)、通過按下按鍵SW4使換氣扇停止工作。當(dāng)模塊工作在自動(dòng)操作模式時(shí)，利用二氧化碳傳感器檢測(cè)生物實(shí)驗(yàn)寵物箱內(nèi)部的二氧化碳濃度，二氧化碳傳感器將采集的信息經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換傳遞給STM32單片機(jī)，單片機(jī)通過對(duì)比用戶設(shè)置的二氧化碳濃度的范圍，進(jìn)行判斷換氣扇是否工作并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的信號(hào)，從而，實(shí)現(xiàn)換氣扇的運(yùn)行。同時(shí)在排放氣的通道各加一個(gè)空氣過濾器，用來防止實(shí)驗(yàn)寵物箱里面的有毒的細(xì)菌通過換氣這個(gè)過程，進(jìn)入到箱外，從而，避免實(shí)驗(yàn)室研究人員感染細(xì)菌，也避免了實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)實(shí)驗(yàn)室時(shí)意外攜帶的細(xì)菌、病毒等通過換氣通道進(jìn)入試驗(yàn)箱內(nèi)，干擾實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。如圖6所示是自動(dòng)換氣扇模塊工作流程圖。

圖6 自動(dòng)換氣扇模塊工作流程圖

2.3 空氣消毒模塊

該模塊采用K24次氯酸消毒液進(jìn)行空氣消毒，K24次氯酸消毒液有效除菌原理與人體白血球的抗抑菌原理相同，僅對(duì)細(xì)菌和病毒等產(chǎn)生強(qiáng)氧化作用，對(duì)人和動(dòng)物無傷害，相比酒精類消毒產(chǎn)品的揮發(fā)性和易燃易爆性，次氯酸消毒液在較大范圍內(nèi)使用時(shí)更加安全，也可以防止寵物呼吸時(shí)吸入揮發(fā)至空氣中的酒精而導(dǎo)致身體受損。

其次，空氣消毒模塊也采用STM32產(chǎn)生PWM經(jīng)過L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，控制舵機(jī)的動(dòng)作來使噴霧器工作，利用STM32來進(jìn)行定時(shí)設(shè)定用戶設(shè)置的消毒周期，每當(dāng)達(dá)到一個(gè)消毒周期，STM32就控制裝有K24次氯酸消毒液的噴霧器運(yùn)行10ms來進(jìn)行消毒，噴霧器運(yùn)行的時(shí)間可根據(jù)測(cè)試時(shí)的實(shí)際的使用情況進(jìn)行修改，以達(dá)到對(duì)整個(gè)飼養(yǎng)箱消毒的目的。

圖7 空氣消毒模塊工作流程圖

為了避免消毒液用完而沒有及時(shí)補(bǔ)充事情的發(fā)生，在噴霧器下方加一個(gè)壓力傳感器，當(dāng)噴霧器給壓力傳感器低于一定值時(shí)，將由STM32通過WIFI傳到云平臺(tái)上，最后通過云平臺(tái)向工作人員的手機(jī)發(fā)出及時(shí)補(bǔ)充消毒液的信息。

WIFI模塊采用ESP8266模塊， 其具有一個(gè)完整的內(nèi)含TCP/IP 協(xié)議棧的WIFI網(wǎng)絡(luò)解決方案，它能夠獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為從機(jī)搭載于其他主機(jī)MCU運(yùn)行。ESP8266模塊使用AT 指令對(duì)設(shè)備進(jìn)行快速配置，根據(jù)實(shí)際使用需要可以將模塊配置成ST模式[7]。

2.4 自動(dòng)投食模塊

主要有3種喂水喂食方式：第一種是Rtc時(shí)鐘定時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)顯示屏設(shè)定的時(shí)間時(shí)，飼養(yǎng)箱自動(dòng)開啟水泵或喂食舵機(jī)；第二種是LCD手動(dòng)控制，通過LCD顯示屏的控制界面來手動(dòng)開啟水泵或喂食舵機(jī)；第三種是手機(jī)終端控制，手機(jī)登錄App遠(yuǎn)程開啟水泵或喂食舵機(jī)[8]。

稱重裝置采用HX711壓力傳感器，它集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路[9]，如圖8所示，不僅集成度高，而且響應(yīng)速度快，還不易受干擾。使得電子秤的成本有所下降，還提升了整機(jī)的各項(xiàng)性能和穩(wěn)定性。當(dāng)食物重量發(fā)生變化時(shí)，梁因受到垂直壓力P而發(fā)生形變，電阻應(yīng)變片R1、R3的阻值因此彎拉伸而變大。R2、R4受壓縮，阻值減小。電橋失去平衡，產(chǎn)生不平衡電壓U，電壓U與作用在傳感器上的正壓力P成正比，從而將非電量轉(zhuǎn)化為電量輸出[10]。電橋示意圖如圖9所示。

圖8 HX711外部電路

圖9 電橋示意圖

自動(dòng)投食模塊設(shè)置了一個(gè)定量開關(guān)來控制電磁鐵的開關(guān)，在實(shí)物量少于100 g時(shí)打開出料口，在達(dá)到閾值后關(guān)閉出料口。為了保證食物的新鮮，每隔兩天通過云平臺(tái)向工作人員的手機(jī)發(fā)出換食物的信息。

2.5 體溫測(cè)量與行為監(jiān)控部分

利用MLX90614紅外熱成像傳感器得到寵物飼養(yǎng)箱內(nèi)熱源圖。采用雙線性內(nèi)插值算法將原始的32*24分辨率熱源圖放大10倍。其原理較為簡(jiǎn)單，如圖10所示，p點(diǎn)像素值決定于Q12、Q22、Q11、Q21這4個(gè)點(diǎn)的像素值：

圖10 紅外熱成像傳感器獲取的熱源圖

先在X軸方向做2次插值操作（分別為R1和R2），之后在Y軸方向做一次插值操作§，相反的，也可以先在Y軸做2次插值操作，然后在X軸做一次插值操作：

再將圖像閾值二值化后進(jìn)行邊緣檢測(cè)，使用改進(jìn)的迭代法求二值化的閾值：該算法每次取m1與m1之和的一半來更新閾值，該算法每次取m0與m1之和的一半來更新閾值

為了使閾值更接近m1，對(duì)以上公式進(jìn)行修改，增大m1的比重，同時(shí)減小m1的比重，比重可隨實(shí)際情況修改：

在最大的區(qū)域的像素點(diǎn)中選擇溫度最高的15個(gè)像素點(diǎn)的溫度，取平均值作為寵物的體溫?cái)?shù)據(jù)并記錄。

由于生物的體溫明顯比環(huán)境溫度高，因此可直接使用灰度重心法求取重心?；叶葓D像由每個(gè)像素點(diǎn)的溫度值直接轉(zhuǎn)換為灰度值獲得。對(duì)于M * N大小的圖像f，像素的灰度值凡是超過閾值T（可用二值化閾值代替）的均參與重心處理，于是重心坐標(biāo)為：

記錄每次刷新后的重心坐標(biāo)值，繪制成行動(dòng)軌跡對(duì)其監(jiān)控并將監(jiān)控信息通過WIFI保存并發(fā)往云平臺(tái)。

3 系統(tǒng)人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

3.1 工控PC機(jī)、云平臺(tái)、手機(jī)APP小程序

工控PC機(jī)采用485總線結(jié)構(gòu)監(jiān)控多臺(tái)寵物飼養(yǎng)箱，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣消毒裝置、飼養(yǎng)箱自動(dòng)排氣換氣模塊、溫濕度控制模塊、寵物行為監(jiān)控與體溫測(cè)量的遠(yuǎn)程參數(shù)監(jiān)測(cè)、控制參數(shù)修改、開關(guān)遠(yuǎn)程控制、特殊情況報(bào)警、報(bào)警記錄保存與查看功能、數(shù)據(jù)打印等功能，這種結(jié)構(gòu)不僅節(jié)省布線成本，便于寵物飼養(yǎng)箱增加新的功能模塊，也有利于寵物飼養(yǎng)箱的更新升級(jí)。

有人透?jìng)髟铺峁┝艘惶锥伍_發(fā)demo，采用 JAVA語言進(jìn)行云平臺(tái)二次開發(fā)，通過MyEclipse軟件編寫云平臺(tái)程序并在Tomcat上面部署項(xiàng)目，Tomcat運(yùn)行在云服務(wù)器上，云服務(wù)器一邊連接有人透?jìng)髟频腃oAP服務(wù)器，一邊為手機(jī)APP端提供TCP連接，這樣只要授權(quán)用戶訪問云服務(wù)器就可以獲取實(shí)驗(yàn)寵物箱的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

手機(jī)APP的開發(fā)主要采用mui框架，mui框架具有開發(fā)簡(jiǎn)單、快捷的特點(diǎn)，開發(fā)出來的界面美觀簡(jiǎn)潔，APP可以兼容Android、iOS、平板等不同平臺(tái)。APP界面中對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行分塊處理，每一塊對(duì)應(yīng)一個(gè)模塊的所有信息的處理，包括基本數(shù)據(jù)顯示，信息記錄，以及相應(yīng)控制參數(shù)的修改，以及對(duì)模塊異常的報(bào)警。

3.2 觸摸屏顯示控制模塊

觸摸屏選用四線電阻式。將具有12位轉(zhuǎn)換精度并且支持SPI通訊協(xié)議的ADS7846控制芯片作為觸摸屏控制器的選擇；液晶屏控制器選用的EPSON公司的SED1335，帶有32K字節(jié)的SRAM，適用于文本顯示和圖形顯示（320*240點(diǎn)）兩種形式，最多3層圖形顯示合成[11]。

通訊以STM32單片機(jī)作為主機(jī)，而SPI從機(jī)的半雙工方式通訊以ADS7846作為程序流程圖。當(dāng)使用者點(diǎn)擊觸摸屏，觸摸屏一旦接收到，中斷請(qǐng)求就由ADS7846向主機(jī)發(fā)出，該請(qǐng)求由C8051F350進(jìn)行響應(yīng)，第一次SPI傳送是STM32單片機(jī)發(fā)送控制字符給ADS7846控制器，包含起始位、通道選取、8/12位模式、差分/單端選取和掉電模式選取等信息[11]，接下來的兩次SPI傳送則是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)由STM32從ADS7846中讀取，觸摸屏和單片機(jī)之間就完成了一次通訊。通訊有初始化系統(tǒng)，傳輸SPI數(shù)據(jù)、中斷服務(wù)等過程。調(diào)用兩次SPI通訊程序來完成一次坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，以分別讀取X、Y坐標(biāo)的值。由于轉(zhuǎn)換的有效值結(jié)果最后兩位有較大的變化，故可將其高十位作為最后的計(jì)算結(jié)果。

觸摸屏界面共有8幅畫面，主畫面、自動(dòng)排換氣模塊畫面、溫度濕度控制模塊畫面、空氣消毒模塊畫面、自動(dòng)投水投食模塊畫面、體溫測(cè)量與行為監(jiān)控模塊畫面，參數(shù)設(shè)定與說明畫面，故障報(bào)警畫面。主畫面主要是對(duì)系統(tǒng)的各部分的介紹，方便用戶使用；自動(dòng)排換氣模塊畫面主要顯示當(dāng)前飼養(yǎng)箱內(nèi)部的CO2濃度；溫度濕度控制模塊畫面顯示當(dāng)前飼養(yǎng)箱內(nèi)部的溫濕度；空氣消毒模塊畫面顯示消毒液的剩余量以及上次消毒的時(shí)間；自動(dòng)投水投食模塊畫面顯示水的剩余量以及飼料的剩余量；體溫測(cè)量與行為監(jiān)控模塊畫面顯示當(dāng)前生物的體溫以及異常行為的記錄；在參數(shù)設(shè)定與說明畫面可以設(shè)置溫濕度控制范圍、空氣消毒的間隔時(shí)間、喂食量等以及對(duì)各模塊的參數(shù)值進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，有利于實(shí)驗(yàn)人員更快了解實(shí)驗(yàn)生物的狀況，故障報(bào)警畫面對(duì)各異常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警以及對(duì)異常狀況進(jìn)行記錄，可以隨時(shí)查詢報(bào)警的原因及時(shí)間，并提醒實(shí)驗(yàn)人員及時(shí)解決問題。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款集恒溫、恒濕、消毒、錄像、自動(dòng)投食、紅外測(cè)溫、遠(yuǎn)程監(jiān)控、異常情況報(bào)警等功能于一體的生物實(shí)驗(yàn)飼養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以工控PC機(jī)為樞紐，通過485總線連接各模塊，同時(shí)控制多個(gè)飼養(yǎng)箱。系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，云平臺(tái)和手機(jī)客戶端進(jìn)行互相信息傳遞，從而控制寵物飼養(yǎng)箱的各個(gè)模塊，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控，可極大的減少實(shí)驗(yàn)人員管理實(shí)驗(yàn)生物的時(shí)間和實(shí)驗(yàn)人員接觸實(shí)驗(yàn)對(duì)象的次數(shù)，既降低了實(shí)驗(yàn)人員感染病毒的風(fēng)險(xiǎn)，又提高了實(shí)驗(yàn)效率，還降低了人力物力成本。本系統(tǒng)還有幾個(gè)有待優(yōu)化和提高的地方，比如可以增加一個(gè)攝像頭，實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)寵物當(dāng)前狀態(tài)，優(yōu)化圖像處理算法，給投食投水模塊增加箱內(nèi)清潔、糞便分解功能等。