CN102293643B - 一种植入式生理数据测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植入式生理数据测量装置，温度测量模块测量连接电桥分压电路的热敏电阻并将电压信号传输给信号处理模块；脉搏测量模块感受外界压力并传输电信号至信号处理模块；信号处理模块计算出温度值和每分钟脉搏次数值，取平均值后传输给RFID模块；RFID模块将温度值和脉搏次数数据传输到动物体外，并接收动物体外的数据测量命令，控制上述各模块的休眠和唤醒。本发明能够低成本的获取养殖家畜温度脉搏数据，降低了测量误差，延长了使用寿命。

Description

一种植入式生理数据测量装置

技术领域

本发明属于畜牧养殖和农业工程技术领域，涉及一种家畜生理数据测量的装置。

背景技术

养殖家畜的温度、脉搏反映出的生理状态指标对于分析判断动物的生理状态非常重要。在家畜养殖业中，如猪、牛、羊养殖，及时获取家畜个体的温度、脉搏生理数据，能够有效的掌握个体生理状态，对于分析判断个体异常、疾病可能性的意义十分重大。养殖家畜的温度、脉搏数据测量，首先要求进行体内测量以减少外部环境影响产生的误差，其次需要测量装置具有无线数据传输和功耗控制功能。但现有针对养殖家畜的温度和脉搏测量方法与手段远远不能适应长期对每一个体进行生理数据测量要求，导致不能及时准确判断动物的生理状态，耽误了异常个体筛选最佳时间、延误了个体疫病早发现早治疗时机、甚至造成了疫病在养殖种群内蔓延传播。

经检索发现，申请日为2007年11月12日，申请号为200710056301.6的中国专利“体内植入式体温无线实时监测系统”采用体内测温装置和体外接收装置、通过植入体内的CRZ铂金薄膜铂热电阻芯片测量动物体内温度，解决了动物体温不易监测和高传染病毒实验动物体温监测不安全的问题。但该发明专利并没有解决低成本大规模应用以及养殖家畜脉搏生理数据测量的问题，对于动物个体异常、疾病可能性分析支持不足。

另经检索发现，申请日期为2010年05月14日，申请号为201010172189.4的中国专利“动物个体信息监测及无线传输方法”提供通过传感器、无线射频芯片对动物活动、动物姿态、动物体温、动物脉搏等信息进行采集和无线传输，用以对动物生理数据进行采集和行为参数检测的方法。但该发明专利只在原则上提出可以使用多种传感器与无线射频芯片结合，并未详细描述测量养殖家畜温度和脉搏的方法或装置，使得同行业普通技术人员无法再现该发明创造。

发明内容

为了克服现有技术不能低成本大规模应用以及缺少对养殖家畜脉搏测量缺失的不足，本发明提供一种植入式养殖家畜生理数据测量装置，可以低成本的对养殖家畜温度、脉搏生理数据进行体内测量，以实现对养殖家畜个体生理状态进行及时监测，提供较为充足的生理数据支持个体异常、疾病可能性远程分析判断。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种植入式生理数据测量装置，包括温度测量模块、脉搏测量模块、信号处理模块、RFID模块和电源管理模块，温度测量模块包括热敏电阻、电桥分压电路和ADC(模数转化器)，通过电桥分压电路对热敏电阻进行加电，测量出通过电阻的电压信号，由ADC将电压信号转化为数字信号，再将该数字信号传输给信号处理模块；脉搏测量模块包括压电元件、前置放大级、比例放大器、带通滤波器和ADC，压电元件感受到外界压力并传输出电信号，由前置放大级和比例放大器对信号进行放大处理，通过带通滤波器进行噪音过滤，再通过ADC将电信号转化为数字信号，并将该数字信号传输至信号处理模块；信号处理模块包括微控器、存储单元和晶体振荡器，由晶体振荡器为信号处理模块提供工作频率，在此工作频率下，微控器将温度测量模块传输来的数字信号进行处理，通过已知分压电阻阻值和测得的电桥分压电路两端电压数字信号进行计算，得到热敏电阻阻值，并根据Steinhart-Hart方程式计算出对应的温度值暂存于存储单元，微控器再将脉搏测量模块传输来的数字信号进行计算，在脉搏测量模块默认设定的工作周期中每一次数字信号的到达计为一次脉搏跳动，累计获得该工作周期中的脉搏次数，从而计算得到每分钟脉搏次数值，并暂存于存储单元，微控器对温度值和脉搏数据按照设定的时间周期或测量次数取平均值，最终将取平均值后的温度值和脉搏次数数据传输给RFID模块；RFID模块包括无线射频发射单元、无线射频接收单元和存储单元，存储单元对微控器传输来的温度值和脉搏次数数据进行存储，并通过无线射频发送单元将温度值和脉搏次数数据传输到动物体外无线射频接收装置，而无线射频接收单元负责监测和接收动物体外无线射频接收装置发送的数据测量命令，当接收到数据测量命令后，微控器将唤醒植入式生理数据测量装置各个模块进行生理数据测量；电源管理模块包括锂电池和休眠开关电路，锂电池负责植入式生理数据测量装置的系统供电，在RFID模块无线射频接收单元监测状态下，休眠开关电路为关闭状态，当监测到外部射频装置发送的数据测量命令后，由微控器激活休眠开关电路将系统外各个功能模块打开，此时温度测量模块、脉搏测量模块开始工作。

所述温度测量模块、脉搏测量模块、信号处理模块、RFID模块和电源管理模块采用混合电路制造工艺或MEMS制造工艺，采用硅胶、树脂或PU材料封装包裹，包裹外壳为胶囊状、枣核状或丸状，外壳宽度小于或等于10mm，长度小于或等于40mm，RFID无线射频通讯距离范围为0.5米至30米。

所述脉搏测量模块默认设定的工作周期为10秒的倍数，一般不超过60秒，每一次数字信号的到达计为一次脉搏跳动，累计获得该工作周期中的脉搏次数，计算得到每分钟脉搏次数值＝60÷工作周期×该工作周期中脉搏次数。

本发明的有益效果是：由于采用低成本的热敏电阻及电桥分压电路、低成本压电元件、RFID等植入式测量设计和微功耗控制设计，本发明克服了现有技术成本高、无法测量养殖家畜脉搏数据的缺点，低成本的获取养殖家畜温度脉搏数据。由于本发明采取低成本热敏电阻测量温度的方法，通常会产生由于电池电压下降导致的热敏电阻测量温度值逐渐出现偏差的情况。为了使得温度测量更为准确，设计了电桥分压电路，通过分别测量分压电阻最终来计算热敏电阻的精确阻值，以避免因电池电压下降而造成的热敏电阻阻值输出误差。由于本发明所需适用的养殖动物具有生命周期较长的特点，而植入式测量装置必须尽量降低功耗延长测量装置使用寿命，本发明各电子元器件、微控器均选用微功耗元件，同时在电源管理模块中设计了休眠开关电路，在非测量时间仅开启超微功耗的射频信号监测功能，而测量装置其他各个模块均进入休眠状态以减少装置自耗电；当监测到外部射频信号输入的数据测量指令后，才由微控器利用On/Off管脚给出高电平激活休眠开关电路将系统各个功能模块打开。通过养殖环境条件下的活体动物实验，所得数据为植入式生理数据测量装置正常使用寿命大于300天，温度测量精度0.1℃，脉搏测量误差小于5次/分钟，能够对养殖家畜生理状态进行长期及时的监测，有效的支持了养殖家畜个体异常、疾病可能性的远程分析判断。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是一种植入式生理数据测量装置结构图；

图2是一种植入式生理数据测量装置工作原理图；

图3是图2中所示温度测量模块电路原理图；

图4是图2中所示脉搏测量模块电路原理图；

图5是图2中所示电源开关电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种植入式生理数据测量装置主要由温度测量模块、脉搏测量模块、信号处理模块、RFID模块、电源管理模块构成，其中温度测量模块由热敏电阻、电桥分压电路、ADC组成，脉搏测量模块由压电元件、前置放大级、比例放大器、带通滤波器、ADC组成，信号处理模块由微控器80c51、存储单元、晶体振荡器组成，RFID模块由无线射频发射单元、无线射频接收单元、存储单元组成，电源管理模块由锂电池、休眠开关电路组成。

参照图2、3、4所示，通过温度测量模块电桥分压电路对热敏电阻进行加电，测量出通过电阻的电压信号U1和U2，由ADC将电压信号转化为数字信号，并将该数字信号传输至信号处理模块；脉搏测量模块压电元件感受到外界压力并传输出电信号，由前置放大级和比例放大器对信号进行放大处理，通过带通滤波器进行噪音过滤，再通过ADC将电信号转化为数字信号，并传输至信号处理模块；信号处理模块由晶体振荡器为信号处理模块提供工作频率，在此工作频率下，微控器80c51首先通过已知分压电阻R1、R2、R3阻值和测得的电桥分压电路两端电压U1、U2数字信号进行计算，得到热敏电阻Rt阻值，并根据Steinhart-Hart方程式计算出对应的温度值暂存于存储单元，微控器80C51再对脉搏测量模块默认设定的工作周期内(本实例设置为20秒)，每一次数字信号的到达计为一次脉搏跳动，累计获得20秒内的脉搏次数，按照公式(每分钟脉搏次数值＝60÷20×该工作周期中脉搏次数)计算得到每分钟脉搏次数值，信号处理模块取得多次测量的平均值(本实施例取为三次)，最终将温度值和脉搏次数数据传输给RFID模块；RFID模块中存储单元对微控器80c51传输来的温度值和脉搏次数数据进行存储，并通过无线射频发送单元将温度脉搏数据传输到动物体外无线射频接收装置，而无线射频接收单元负责监测和接收动物体外无线射频发送装置发送的数据测量命令，当接收到数据测量命令后，微控器80c51将唤醒植入式生理数据测量装置各个功能模块进行生理数据测量；电源管理模块中锂电池负责植入式生理数据测量装置的系统供电，在RFID模块无线射频接收单元监测状态下，休眠开关电路为关闭状态，当监测到外部射频发送装置发送的数据测量命令后，由微控器80c51利用On/Off管脚给出高电平激活休眠开关电路将系统各个功能模块打开，此时温度测量模块、脉搏测量模块开始工作。

参照图3所示，由VCC输入电压，经过R1、R2、R3三个分压电阻和Rt热敏电阻后，通过采样U1、U2两端电压得到U1、U2电压变化，从而计算Rt热敏电阻阻值。为了避免因电池电压VCC下降而影响热敏电阻Rt的输出，采用了以下的方式对于温度信号进行采集。由于R1、R2、R3是阻值已知的高精度电阻，而U1、U2的测量电压通过ADC可以实际测量到，因此热敏电阻的阻值测量过程中可以避免由于VCC变化带来的阻值测量误差。

U1＝VCC×R1/(R1+R2)

U2＝VCC×R3/(Rt+R3)

$\mathrm{Rt}=\frac{U1(R1+R2)R3}{U2\·R1}-R3$

计算得到热敏电阻Rt阻值后，通过Steinhart-Hart方程式计算温度值：

1/T＝A+B(lnRt)+C(lnRt)3

其中，T为温度值，Rt为热敏电阻阻值，A、B、C为此热敏电阻常量，本示例中A、B、C依据选取热敏电阻元件温箱试验标定为A＝0.00104931，B＝0.000189158，C＝2.05525E-07。

参照图4所示，由于动物体内脉搏对压电元件感受面产生的压力变化，使得压电元件输出电信号，通过前置放大级将微小信号放大成为可使用的信号，在通过比例放大器对前置放大级输出的信号进行10倍比例放大，由带通滤波器对比例放大器输出的信号进行噪音滤波，得到能够表现动物一次脉搏波动的电信号交由ADC进行模数转化。

参照图5所示，当主处理系统在休眠时，自动关闭所有的外围设备的电源。当监测到外部射频装置发送的数据测量命令后，由微控器80c51利用On/Off管脚给出高电平激活休眠开关电路将系统各个功能模块打开。

Claims (3)

1.一种植入式生理数据测量装置，包括温度测量模块、脉搏测量模块、信号处理模块、RFID模块和电源管理模块，其特征在于：温度测量模块包括热敏电阻、电桥分压电路和ADC，通过电桥分压电路对热敏电阻进行加电，测量出通过电阻的电压信号，由ADC将电压信号转化为数字信号，再将该数字信号传输给信号处理模块；脉搏测量模块包括压电元件、前置放大级、比例放大器、带通滤波器和ADC，压电元件感受到外界压力并传输出电信号，由前置放大级和比例放大器对信号进行放大处理，通过带通滤波器进行噪音过滤，再通过ADC将电信号转化为数字信号，并将该数字信号传输至信号处理模块；信号处理模块包括微控器、存储单元和晶体振荡器，由晶体振荡器为信号处理模块提供工作频率，在此工作频率下，微控器将温度测量模块传输来的数字信号进行处理，通过已知分压电阻阻值和测得的电桥分压电路两端电压数字信号进行计算，得到热敏电阻阻值，并根据Steinhart-Hart方程式计算出对应的温度值暂存于存储单元，微控器再将脉搏测量模块传输来的数字信号进行计算，在脉搏测量模块默认设定的工作周期中每一次数字信号的到达计为一次脉搏跳动，累计获得该工作周期中的脉搏次数，从而计算得到每分钟脉搏次数值，并暂存于存储单元，微控器对温度值和脉搏数据按照设定的时间周期或测量次数取平均值，最终将取平均值后的温度值和脉搏次数数据传输给RFID模块；RFID模块包括无线射频发射单元、无线射频接收单元和存储单元，存储单元对微控器传输来的温度值和脉搏次数数据进行存储，并通过无线射频发送单元将温度值和脉搏次数数据传输到动物体外无线射频接收装置，而无线射频接收单元负责监测和接收动物体外无线射频接收装置发送的数据测量命令，当接收到数据测量命令后，微控器将唤醒上述各个模块进行生理数据测量；电源管理模块包括锂电池和休眠开关电路，锂电池负责植入式生理数据测量装置的系统供电，在RFID模块无线射频接收单元监测状态下，休眠开关电路为关闭状态，当监测到外部射频装置发送的数据测量命令后，由微控器激活休眠开关电路将系统外各个功能模块打开，此时温度测量模块、脉搏测量模块开始工作。

2.根据权利要求1所述的植入式生理数据测量装置，其特征在于：所述的温度测量模块、脉搏测量模块、信号处理模块、RFID模块和电源管理模块采用混合电路制造工艺或MEMS制造工艺，采用硅胶、树脂或PU材料封装包裹，包裹外壳为胶囊状、枣核状或丸状，外壳宽度小于或等于10mm，长度小于或等于40mm，RFID无线射频通讯距离范围为0.5米至30米。

3.根据权利要求1所述的植入式生理数据测量装置，其特征在于：所述的脉搏测量模块默认设定的工作周期为10秒的倍数且不超过60秒，计算得到每分钟脉搏次数值＝60÷工作周期×该工作周期中脉搏次数。

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