CN110506656A - 一种低功耗的多功能畜牧智能耳标及其数据采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低功耗的多功能畜牧智能耳标及其数据采集方法，所述智能耳标包括控制单元、供电单元、LED显示模块、温湿度传感器模块、三轴加速度传感器模块、心率血氧传感器模块。所述数据采集方法分别基于采集温湿度事件触发、采集三轴加速度事件触发和基于心率血氧传感器事件触发。本发明解决了畜牧行为采集数据单一、待机时长不够、无法准确定位到某一头畜牧等局限性。
Description
技术领域
本发明涉及耳标技术领域，特别涉及一种低功耗的多功能畜牧智能耳标及其数据采集方法。
背景技术
畜牧养殖行业保障了我国居民大多数的肉奶供应。我国生猪年出栏量约7 亿头、5000万头牛、3亿只羊。以移动互联网、物联网、云计算、大数据等为特征的新一代信息通信技术迅猛发展，其与传统行业的融合已是国家发展战略内容。推进畜牧养殖信息化，进行精细化养殖，是畜牧养殖行业的发展趋势，也是保障畜牧产品质量安全的要求。目前，通过摄像头等设备对畜牧动物生长情况监控、实时跟踪、提醒识别，且对收集到的图像等数据进行处理，分析动物生理特性，实现养殖的精细化管理。但是仍然存在畜牧养殖成本居高不下等问题。动物行为是动物对其生活环境和饲养方式等的综合反应表现，是对动物的运动功能、营养状态、健康状态和精神状态的重要评估依据。精准掌握养殖动物群体行为是精细化养殖的重要内容。通过养殖动物群体行为的研究有助于精准掌握规模养殖动物的行为习性，创造适于养殖动物生长的饲养环境，细化畜牧养殖管理，进而提高生产性能。因此，长期、高效采集养殖动物行为状态变化等数据，通过分析采集数据从而准确地诊断异常行为，是当前精准养殖所研究的主要方向。
本发明为解决上述问题，设计了一种低功耗的多功能畜牧智能耳标。该耳标可以自动获取、存储和传输数据。为满足采集畜牧的整个生长周期行为数据，设计了整体低功耗运行策略。
发明内容
本发明提供了一种低功耗的多功能畜牧智能耳标及其数据采集方法，解决了畜牧行为采集数据单一、待机时长不够、无法准确定位到某一头畜牧等局限性。
本发明的技术方案如下：
一种低功耗的多功能畜牧智能耳标，包括控制单元、供电单元、LED显示模块、温湿度传感器模块、三轴加速度传感器模块、心率血氧传感器模块，其中，所述控制单元通过TWI(Two-wire Serial Interface)总线分别读取三类传感器模块所采集的数据；
所述LED显示模块与所述控制单元连接，用于指示采集的数据是否正常以及对目标畜牧进行定位；
所述供电单元分别与所述控制单元、温湿度传感器模块、三轴加速度传感器模块、心率血氧传感器模块相连接，用于提供电源。
进一步的，所述控制单元包括核心芯片和与之连接的随机存储器RAM (randomaccess memory)、固态存储器FLASH、内置温度传感器、DC-DC降压调节器/LDO、平衡-不平衡变换器巴伦(Balance-unbalance，BALUN)。其中，所述内置温度传感器通过总线的方式将所述控制单元内部的温度传递给控制单元的核心芯片。
进一步的，所述控制单元还包括看门狗和SWD(serial wire debug)调试模块。
进一步的，所述控制单元采用2.4GHz无线电多协议。
进一步的，所述控制单元包含TWI接口，当满足采条件时，所述控制单元从TWI总线上按照Address0、Address1、Address2的地址顺序分别读取所述温度传感器模块、三轴加速度传感器模块、心率血氧传感器模块的数据。
进一步的，所述供电单元包括纽扣电池和程序可控电源管理模块。
进一步的，所述智能耳标还包括Debug调试模块，用于与所述控制单元内部的SWD调试模块配合实现程序在线调试、程序烧录和下载。
进一步的，所述控制单元还包括模数转化ADC(Analog-to-Digital Converter)功能，其与所述纽扣电池连接，可以实时掌握纽扣电池的电量情况。
进一步的，所述LED显示模块采用的是工作电流较小的LED贴片。
一种低功耗的多功能畜牧智能耳标的数据采集方法，包括：在特定事件触发条件下，智能耳标的控制单元分别控制温度传感器模块、三轴加速度传感器模块、心率血氧传感器模块开启数据采集模式，并按照Address0、Address1、Address2 的地址顺序分别进行读取，最后将数据结果按照时间顺序存储到控制单元内部的 FLASH中。
温湿度传感器模块开启数据采集模式的触发事件为控制单元内部的软件定时器时间为预设温湿度采样时间的整数倍；三轴加速度传感器模块开启数据采集模式的触发事件为畜牧的动作；心率血氧传感器模块开启数据采集模式的触发事件为在满足畜牧心率以及血氧算法要求的时间间隔的条件下，以预设频率进行数据采集。
具体地，一种低功耗的多功能畜牧智能耳标的温湿度数据采集方法，其步骤包括：
1)当控制单元内部的软件定时器为预设温湿度采样时间的整数倍时，控制单元开启温湿度采样模式；
2)通过对TWI总线上的Address0进行温湿度数值的读取；
3)采样结束后，所述控制单元处于低功耗状态，将采集到的温湿度数值进行一定的数据处理，将结果按照时间顺序存储到控制单元内部的FLASH。
一种低功耗的畜牧智能耳标的三轴运动加速度数据采集方法，其步骤包括：
1)当畜牧运动时，三轴运动加速度传感器产生中断；
2)该中断事件触发所述控制单元对TWI总线上的Address1XYZ三个方向的运动加速度进行采样、读取；
3)采样结束后，所述控制单元处于低功耗状态，将采集到的XYZ三个方向的运动加速度数值进行一定的数据处理，将数据结果按照时间顺序存储到控制单元内部的FLASH中。
一种低功耗的畜牧智能耳标的心率血氧数据采集方法，其步骤包括：
1)当智能耳标满足心率血氧采集条件时，控制单元开启心率血氧采样模式，所述供电单元内部的所述程序可控电源管理模块产生满足心率血氧传感器工作所需的1.8V电压；
2)通过对TWI总线上的Address2进行心率血氧相关数据的读取；
3)采样结束后，所述控制单元处于低功耗状态，将采集到的心率血氧数值进行一定的数据处理，将数据结果按照时间顺序存储到控制单元内部的FLASH中。
进一步的，上述三种数据采集方法结束后，当满足一定的传输条件时，将存储在FLASH中的数据传输到与之配套的手机客户端或数据汇集装置中。
进一步的，温湿度传感器模块采用SHT31型温湿度传感器；三轴加速度传感器模块采用KX022型三轴加速度传感器；心率血氧传感器模块采用MAX30102型心率血氧传感器。
进一步的，纽扣电池采用的是CR2032型纽扣电池；程序可控电源管理模块采用超RT9193-1HGB。
本发明的各个模块都采用低功耗的芯片，控制单元对各模块进行动态功耗管理，从而达到各模块在正常运行条件下的最低功耗状态，从而实现在畜牧养殖环境下长期稳定有效的数据采集。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
图2A为本发明所述耳标低功耗运行流程图。
图2B为本发明基于系统运行时间事件触发的流程图。
图2C为本发明基于采集温湿度事件触发的流程图。
图2D为本发明基于采集三轴加速度事件触发的流程图。
图2E为本发明基于采集心率血氧事件触发的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
参考图1。传感器是数据采集终端的主要功耗器件。因此，为了保证数据采集终端在畜牧养殖环境中长期持续地独立运营，首要条件就必须减少传感器的功耗。在实际的应用中，温湿度传感器隔一段时间采集一次数据，三轴加速度根据相关人员的实际需求进行运动数据采集；心率血氧传感器在满足心率以及血氧算法要求的时间间隔进行采样，采样的频率都是可以通过与之配套的手机客户端进行控制。
一种低功耗的多功能畜牧智能耳标，包括控制单元、供电单元、温湿度传感器模块、三轴加速度传感器模块、心率血氧传感器模块、LED显示模块。
基于采集温湿度事件触发采样时，控制单元通过TWI总线地址上的Address0 读取温湿度传感器数据，每隔30分钟，触发温湿度传感器采集一次数据，其工作电流大小约为3.4mA,持续时长为1ms,采集后进行一定的数据处理将数据存储在FLASH中。
基于采集三轴加速度事件触发采样时，控制单元通过TWI总线地址上的Address1，该采样频率是根据畜牧的动作频繁程度进行自适应的，也可以通过手机客户端进行设定，触发三轴加速度传感器得到XYZ三个方向的运动数据，畜牧单次动作的其工作电流大小约为3mA，单次持续时长为10ms，采集后进行一定的数据处理将数据存储在FLASH中。
基于心率血氧传感器事件触发采样时，控制单元通过TWI总线地址上的Address2，根据需要按照一定的频率进行采样，其在工作状态下的平均功耗为 1mW，采集后进行一定的数据处理将数据存储到FLASH中。
当用户需要定位到具体的某一头畜牧，通过指令的方式使控制单元将连接 LED的通用输入/输出口GPIO(General-purpose input/output)交替置高电平和低电平，LED灯闪烁，工作电流150uA，持续时间4s。
进一步的，控制单元包括核心芯片Cortex-M4F，及外围的RAM、FLASH、看门狗、内置温度传感器、SWD调试模块、DC-DC降压调节器/LDO、2.4GHz 无线电多协议、巴伦。优选256KBRAM和1024KB FLASH。
进一步的，每隔4S，该控制单元芯片通过2.4GHz无线电多协议向数据汇聚网关或者手机客户端发送一个广播包。
系统的低功耗运行流程图如图2A所示，首先，初始化所述控制单元中软件定时器，配置定时器1s、1min两个中断处理函数；初始化控制单元GPIO，配置三轴加速度Wake-up中断处理函数；协议栈初始化，设置闹钟，并且注册事件派发函数；通用访问配置文件(Generic Access Profile，GAP)初始化；添加数据透传服务和固件升级(Device FirmwareUpgrade，DFU)服务；设置广播数据和广播模式(慢速广播)；初始化传感器和FLASH；最后进行电源管理，进入低功耗模式。本系统采用基于事件触发方式：
当“系统运行时间”事件触发(参照图2B)：软件定时器1s中断；然后系统运行时间加1；当系统运行时间小于2^32次时，通过电源管理，系统进入低功耗运行模式；当系统运行时间大于2^32次时，重启系统。
当“采集温湿度”事件触发(参照图2C)：软件定时器1min中断；然后系统运行时间加1；当数据采集时间是30分钟整数倍时，初始化ADC采集电池电压，采集畜牧所处环境温湿度值，采集后系统进入低功耗运行模式。
当“采集三轴加速度”事件触发(参照图2D)：当畜牧运动时，促使Wake-up 中断，读取三轴加速度数据，数据条数加1，采集数据按顺序保存到FLASH中，更新广播数据，然后系统进入低功耗运行模式。
当“采集心率血氧”事件触发(参照图2E)：当心率血氧传感器的采样时间到，读取心率血氧数据，数据条数加1，采集数据按顺序保存到FLASH中，更新广播数据，然后系统进入低功耗运行模式。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，但本发明的保护范围不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变革或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种低功耗的多功能畜牧智能耳标，包括控制单元、供电单元、LED显示模块、温湿度传感器模块、三轴加速度传感器模块、心率血氧传感器模块；其中，所述控制单元通过TWI总线分别与所述温湿度传感器模块、三轴加速度传感器模块和心率血氧传感器模块连接；
所述LED显示模块与所述控制单元连接；
所述供电单元分别与所述控制单元及所述温湿度传感器模块、三轴加速度传感器模块和心率血氧传感器模块连接。
2.如权利要求1所述智能耳标，其特征在于，所述控制单元包括核心芯片和与该核心芯片连接的随机存储器、固态存储器FLASH、内置温度传感器、DC-DC降压调节器/LDO和平衡-不平衡变换器巴伦。
3.如权利要求2所述智能耳标，其特征在于，所述控制单元还包括看门狗和SWD调试模块。
4.如权利要求1所述智能耳标，其特征在于，所述供电单元包括纽扣电池和程序可控电源管理模块。
5.如权利要求4所述智能耳标，其特征在于，所述控制单元还包括模数转化ADC，其与所述纽扣电池连接。
6.如权利要求1所述智能耳标，其特征在于，所述智能耳标还包括Debug调试模块，与所述控制单元连接。
7.如权利要求1所述智能耳标，其特征在于，所述LED显示模块为LED贴片。
8.一种如权利要求1-7任一所述低功耗的多功能畜牧智能耳标的数据采集方法，包括：在相应事件触发条件下，所述智能耳标的控制单元分别控制温湿度传感器模块、三轴加速度传感器模块、心率血氧传感器模块开启数据采集模式，并分别按照Address0、Address1、Address2的地址顺序进行读取，最后将数据结果按照时间顺序存储到控制单元内部的FLASH中。
9.如权利要求8所述方法，其特征在于，温湿度传感器模块开启数据采集模式的触发事件为控制单元内部的软件定时器时间为预设温湿度采样时间的整数倍；三轴加速度传感器模块开启数据采集模式的触发事件为畜牧的动作；心率血氧传感器模块开启数据采集模式的触发事件为在满足畜牧心率以及血氧算法要求的时间间隔的条件下，以预设频率进行数据采集。
10.如权利要求8所述方法，其特征在于，温湿度传感器模块采用SHT31型温湿度传感器进行数据采集；三轴加速度传感器模块采用KX022型三轴加速度传感器进行数据采集；心率血氧传感器模块采用MAX30102型心率血氧传感器进行数据采集。
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