CN109156379A - 一种用于畜牧业动物计步和定位的实时嵌入式设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于畜牧业动物计步和定位的实时嵌入式设备，属于畜牧业动物体征监测领域。本发明捆绑在动物腰背部位，动物走动时，可以通过六轴陀螺仪模块获取加速度的信息，经过单片机去噪后得到计步信息，计步信息一方面通过OLED屏幕显示出来，一方面通过LoRa通信模块实时上传至LoRa基站，并由LoRa基站通过GPRS通信方式将计步信息传至云端服务器。该计步信息可作为畜牧类养殖动物健康状况的基本衡量标准，可动态实时的监测动物生理兴奋状态，作为疫情预测、饲养方法回测等方面的基本数据；又可以作为畜牧类动物肉类溯源信息基本数据来源，将肉类健康状况提供给消费者。该设备具有成本低廉，实时性好，可重复利用，节能节耗等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于畜牧业动物计步和定位的实时嵌入式设备，属于畜牧业动物体征监测领域。
背景技术
我国是畜牧业大国，特别在养殖领域，更是因为人们生活水平的提高而出现了更大的需求和增长空间。随着物联网不断深入的发展，带动了各行各业的产业升级，但在畜牧业动物养殖这一领域还亟待发展，普遍存在智能化程度低，专用设备缺乏等问题。另一方面，随着人们对生活质量提出了更加苛刻的要求，人们在购买食品时，更加注重食品安全，目前溯源食品主要以蔬菜瓜果为主，此类溯源产品能够追溯产品的生产地和生产环境，市场证明，此类产品能够赢得消费者的信心，得到市场认可，且由于食品安全能够较好的得到保证，往往有较高的附加值。但是畜牧业动物养殖的肉类溯源系统目前极其少见，主要由于动物体征监测设备的研发成本较高、功耗较高、通信方式难以解决。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明涉及一种用于畜牧业动物计步和定位的实时嵌入式设备。该设备可以灵活的、多种方式捆绑在畜牧业动物腰背部位，对动物进行步数监测以及定位，帮助饲养员监测动物的健康状态和消费者对产品溯源。
本发明的技术方案是：一种用于畜牧业动物计步和定位的实时嵌入式设备，包括设备外壳、OLED显示模块2-1、控制电路板3-2和蓄电池组4-1，所述设备外壳自上而下分为三个部分，分别为设备顶壳1-1、设备盒体1-4和蓄电池仓盖1-9，其中，设备顶壳1-1一侧固定有OLED显示模块2-1；设备盒体1-4分为两层，上层用于固定控制电路板3-2，下层用于放置蓄电池组4-1；蓄电池仓盖1-9固定在设备盒体1-4的底部；
所述控制电路板3-2上集成有降压稳压模块5-1、STM8单片机模块5-2、六轴陀螺仪模块5-3、LoRa通信模块5-4和多系统定位模块5-5，所述STM8单片机模块5-2分别与STM8单片机模块5-2、六轴陀螺仪模块5-3、LoRa通信模块5-4和多系统定位模块5-5相连；所述OLED显示模块2-1用于显示计步步数，蓄电池组4-1用于为控制电路板3-2上的各模块以及OLED显示模块2-1供电，六轴陀螺仪模块5-3用于对动物进行计步，多系统定位模块5-5用于对动物所处养殖场位置进行定位，STM8单片机模块5-2用于接收六轴陀螺仪模块5-3和多系统定位模块5-5采集到的数据并通过LoRa通信模块5-4上传至本地LoRa基站再转发传输至云端服务器并存储。
所述设备顶壳1-1通过卡扣连接套设在设备盒体1-4上，所述设备顶壳1-1两侧的顶端设有若干散热孔，设备盒体1-4通过中间的隔板隔为上下两层，上层用于放置控制电路板3-2，控制电路板3-2通过卡入电路板卡槽1-3内进行固定，隔板上设有散热通孔1-6和端子连接线通孔1-5，散热通孔1-6用于将蓄电池组4-1产生的热量向上传递，端子连接线通孔1-5用于将蓄电池组4-1的电源线端子4-2从设备盒体1-4的下层引入到上层，设备盒体1-4的下端两侧设有通孔1-8，捆绑带通过通孔1-8将设备捆绑在畜牧动物腰背上，所述蓄电池仓盖1-9内设有蓄电池固位槽1-10。
具体的，所述OLED显示模块2-1包括OLED屏幕M1、SSD1306显示屏驱动芯片U7、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、1N4148二极管D3和OLED屏幕控制接口母头3-1，其中OLED屏幕M1通过排线连接SSD1306显示屏驱动芯片U7，SSD1306显示屏驱动芯片U7的1号引脚接电容C17的一端，电容C17的另一端接SSD1306显示屏驱动芯片U7的2号引脚，SSD1306显示屏驱动芯片U7的3号引脚接电容C18的一端，电容C18的另一端接SSD1306显示屏驱动芯片U7的4号引脚，SSD1306显示屏驱动芯片U7的5号引脚和8号引脚同时接3V3电源正极；3V3电源正极同时接电容C19的一端和电容C20的一端；电容C19的另一端接地，电容C20的另一端接地，SSD1306显示屏驱动芯片U7的9号引脚接电阻R10的一端，电阻R10的另一端同时接3V3电源正极和1N4148二极管D3的负极端；1N4148二极管D3的正极端同时接SSD1306显示屏驱动芯片U7的9号引脚和电容C24的一端，电容C24的另一端接地，SSD1306显示屏驱动芯片U7的10号引脚同时接电阻R11的一端和OLED屏幕控制接口母头3-1的3号引脚，电阻R11的另一端接3V3电源正极，SSD1306显示屏驱动芯片U7的11号引脚同时接电阻R12的一端和OLED屏幕控制接口母头3-1的2号引脚，电阻R12的另一端接3V3电源正极，SSD1306显示屏驱动芯片U7的12号引脚接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接地，SSD1306显示屏驱动芯片U7的13号引脚接电容C21的一端，电容C21的另一端接地，SSD1306显示屏驱动芯片U7的14号引脚同时接电容C22的一端和电容C23的一端，电容C22的另一端和电容C23的另一端同时接地。
具体的，所述降压稳压模块5-1包括RT9193-33线性稳压芯片U1、锂电池插座10-1、极性电容C1、电容C2和电容C3，其中RT9193-33线性稳压芯片U1的1号引脚和3号引脚接锂电池插座10-1的1号引脚，RT9193-33线性稳压芯片U1的2号引脚接锂电池插座10-1的2号引脚，RT9193-33线性稳压芯片U1的4号引脚接电容C3的一端，电容C3的另一端接地，RT9193-33线性稳压芯片U1的5号引脚接3V3电源正极，3V3电源正极同时接极性电容C1的正极端和电容C2的一端，极性电容C1的负极端和电容C2的另一端同时接地。
具体的，所述STM8单片机模块5-2包括STM8S003F3单片机芯片U2、SWIM下载器接口J1、电阻R1、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、轻触开关S1和晶振Y1，其中3V3电源正极接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接STM8S003F3单片机芯片U2的4号引脚；STM8S003F3单片机芯片U2的4号引脚同时接轻触开关S1的一端和电容C4的一端，轻触开关S1的另一端和电容C4的另一端同时接地，STM8S003F3单片机芯片U2的5号引脚同时接晶振Y1的一端和电容C5的一端；STM8S003F3单片机芯片U2的6号引脚同时接晶振Y1的另一端和电容C6的一端；电容C5的另一端和电容C6的另一端同时接地；STM8S003F3单片机芯片U2的7号引脚同时接3V3电源正极和电容C7的一端，电容C7的另一端接地；STM8S003F3单片机芯片U2的8号引脚接电容C8的一端，电容C8的另一端接地；STM8S003F3单片机芯片U2的9号引脚接地；SWIM下载器接口J1的1号端口接3V3电源正极，SWIM下载器接口J1的2号端口接STM8S003F3单片机芯片U2的4号引脚，SWIM下载器接口J1的3号端口接STM8S003F3单片机芯片U2的18号引脚，SWIM下载器接口J1的4号端口接地。
具体的，所述六轴陀螺仪模块5-3包括MPU6050芯片U3、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C9、电容C10和电容C11，其中MPU6050芯片U3的1号引脚、11号引脚、18号引脚同时接地，MPU6050芯片U3的8号引脚接3V3电源正极，MPU6050芯片U3的9号引脚接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接地，MPU6050芯片U3的10号引脚接电容C11的一端，电容C11的另一端接地，MPU6050芯片U3的12号引脚接STM8S003F3单片机芯片U2的13号引脚，MPU6050芯片U3的13号引脚同时接3V3电源正极和电容C10的一端，电容C10的另一端接地，MPU6050芯片U3的20号引脚接电容C9的一端，电容C9的另一端接地，MPU6050芯片U3的23号引脚同时接电阻R3的一端和STM8S003F3单片机芯片U2的12号引脚；电阻R3的另一端接3V3电源正极，MPU6050芯片U3的24号引脚同时接电阻R2的一端和STM8S003F3单片机芯片U2的11号引脚；电阻R2的另一端接3V3电源正极。
具体的，所述LoRa通信模块5-4包括ZM433SX-M射频模块U4、电容C12、电容C13、电容C14、电感L1和LoRa天线接口J2，其中ZM433SX-M射频模块U4的1号引脚、2号引脚、3号引脚、4号引脚、11号引脚、12号引脚、19号引脚、20号引脚、22号引脚同时接地，ZM433SX-M射频模块U4的13号引脚同时接电容C14的一端和电感L1的一端，电容C14的另一端接地，电感L1的另一端接3V3电源正极，ZM433SX-M射频模块U4的14号引脚接STM8S003F3单片机芯片U2的15号引脚；ZM433SX-M射频模块U4的15号引脚接STM8S003F3单片机芯片U2的17号引脚；ZM433SX-M射频模块U4的16号引脚接STM8S003F3单片机芯片U2的16号引脚；ZM433SX-M射频模块U4的17号引脚接STM8S003F3单片机芯片U2的10号引脚；ZM433SX-M射频模块U4的18号引脚接STM8S003F3单片机芯片U2的14号引脚，ZM433SX-M射频模块U4的21号引脚接电容C12的一端，电容C12的另一端同时接LoRa天线接口J2的1号端口和电容C13的一端；电容C13的另一端接地，LoRa天线接口J2的2号端口接地。
具体的，所述多系统定位模块5-5包括ATGM336H-5N定位模块U5、AT24C32存储芯片U6、GPS天线接口J3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C15、电容C16、1N4007二极管D1、发光二极管D2和备用纽扣电池BT1，其中ATGM336H-5N定位模块U5的1号引脚、10号引脚、12号引脚接地，ATGM336H-5N定位模块U5的2号引脚接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接STM8S003F3单片机芯片U2的3号引脚；ATGM336H-5N定位模块U5的3号引脚接电阻R7的一端，电阻R7的另一端接STM8S003F3单片机芯片U2的2号引脚，ATGM336H-5N定位模块U5的4号引脚接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接发光二极管D2的负极端，发光二极管D2的正极端接3V3电源正极，ATGM336H-5N定位模块U5的5号引脚、8号引脚接3V3电源正极，ATGM336H-5N定位模块U5的6号引脚同时接备用纽扣电池BT1的正极端和1N4007二极管D1的负极端；备用纽扣电池BT1的负极端接地，1N4007二极管D1的正极端接3V3电源正极，3V3电源正极接电容C15的一端，电容C15的另一端接地，ATGM336H-5N定位模块U5的9号引脚、14号引脚同时接电阻R5的一端，电阻R5的另一端同时接ATGM336H-5N定位模块U5的11号引脚、GPS天线接口J3的1号端口，GPS天线接口J3的2号端口接地，AT24C32存储芯片U6的1号引脚、2号引脚、3号引脚、4号引脚、7号引脚接地；AT24C32存储芯片U6的5号引脚接ATGM336H-5N定位模块U5的16号引脚；AT24C32存储芯片U6的6号引脚接ATGM336H-5N定位模块U5的17号引脚；AT24C32存储芯片U6的8号引脚接3V3电源正极，3V3电源正极接电容C16的一端，电容C16的另一端接地。
本发明的工作原理：动物走动时，可以通过六轴陀螺仪模块5-3获取加速度的信息，经过STM8单片机模块5-2计算去噪后得到计步信息；另一方面，多系统定位模块5-5通过特定协议将数据发送至STM8单片机模块5-2，STM8单片机模块5-2将定位数据解码后，形成经纬度、海拔组成的定位信息。 计步信息和定位信息一方面通过OLED显示模块2-1显示出来，一方面通过LoRa通信模块5-4上传至LoRa基站，并由LoRa基站通过GPRS通信方式将计步信息传至云端服务器，实现设备对畜牧类动物的计步远程和近端同时检测。计步数据和定位数据作为畜牧业动物肉类溯源的基本数据，后期可以允许消费者通过二维码扫描的方式，连接云端服务器，查询到所购买的肉类在养殖过程中的计步步数和养殖厂位置。计步步数可以最简单、清晰的反映出动物的健康和兴奋程度，以便消费者购买到“放心肉”。
本发明的有益效果：该设备可以灵活的、多种方式捆绑在畜牧业动物腰背部位，该设备以更节能的方式实现监测采集，可以让饲养员不在现场也能实时的监测动物的健康状态，作为动物养殖中疫情、病情的预警信息。
附图说明
图1是本发明的外观结构示意图；
图2是本发明的电路结构框图；
图3是本发明的降压稳压模块电路连接图；
图4是本发明的STM8单片机模块电路连接图；
图5是本发明的六轴陀螺仪模块电路连接图；
图6是本发明的LoRa通信模块电路连接图；
图7是本发明的多系统定位模块电路连接图；
图8是本发明的OLED显示模块电路连接图；
图1-8中各标号：1-1-设备顶壳、1-2-盒体连接卡扣Ⅰ、1-3-电路板卡槽、1-4-设备盒体、1-5-端子连接线通孔、1-6-散热通孔、1-7-盒体连接卡扣Ⅱ、1-8-设备捆绑带通孔、1-9-蓄电池仓盖、1-10-蓄电池固位槽、2-1-OLED显示模块、2-2-OLED屏幕控制接口公头、3-1-OLED屏幕控制接口母头、3-2-控制电路板、3-3-电源接口母头、4-1-蓄电池组、4-2-电源接口公头、4-3-软性棉垫、5-1-降压稳压模块、5-2-STM8单片机模块、5-3-六轴陀螺仪模块、5-4-LoRa通信模块、5-5-多系统定位模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释发明，并不限定本发明。
实施例1：如图1-2所示，一种用于畜牧业动物计步和定位的实时嵌入式设备，包括设备外壳、OLED显示模块2-1、控制电路板3-2和蓄电池组4-1，所述设备外壳自上而下分为三个部分，分别为设备顶壳1-1、设备盒体1-4和蓄电池仓盖1-9，其中，设备顶壳1-1一侧固定有OLED显示模块2-1；设备盒体1-4分为两层，上层用于固定控制电路板3-2，下层用于放置蓄电池组4-1；蓄电池仓盖1-9固定在设备盒体1-4的底部；
所述设备顶壳1-1通过两侧的盒体连接卡扣Ⅰ1-2、盒体连接卡扣Ⅱ1-7套设在设备盒体1-4上，所述设备顶壳1-1两侧的顶端设有若干散热孔，用于把设备盒内的控制电路板3-2和蓄电池组4-1散发的热量散出设备，开孔位置在设备侧面，防止雨水倒灌。设备盒体1-4通过中间的隔板隔为上下两层，上层用于放置控制电路板3-2，控制电路板3-2通过卡入电路板卡槽1-3内进行固定，隔板上设有散热通孔1-6和端子连接线通孔1-5，散热通孔1-6用于将蓄电池组4-1产生的热量向上传递，端子连接线通孔1-5用于将蓄电池组4-1的电源线端子4-2从设备盒体1-4的下层引入到上层，设备盒体1-4的下端两侧设有通孔1-8，捆绑带通过通孔1-8将设备捆绑在畜牧动物腰背上，该方式构造简单，方便易用，允许了捆绑方式的多样化。所述蓄电池仓盖1-9内设有蓄电池固位槽1-10，轻薄软性，方便用户以正确的方式摆放好电池，并加以形态固定。软性棉垫4-3通过胶合方式固定在设备盒体1-4的隔板下侧电池仓内，用于更好的固定蓄电池组4-1。
所述控制电路板3-2上集成有降压稳压模块5-1、STM8单片机模块5-2、六轴陀螺仪模块5-3、LoRa通信模块5-4和多系统定位模块5-5，所述STM8单片机模块5-2分别与STM8单片机模块5-2、六轴陀螺仪模块5-3、LoRa通信模块5-4和多系统定位模块5-5相连；同时，通过OLED屏幕控制接口母头3-1与OLED屏幕控制接口公头2-2的连接，建立了控制电路板3-2和OLED显示模块2-1的电连接关系；通过电源接口母头3-3和电源接口公头4-2的连接，建立了控制电路板3-2、OLED显示模块2-1和18650蓄电池组4-1的电连接关系。所述OLED显示模块2-1用于显示计步步数，蓄电池组4-1用于为控制电路板3-2上的各模块以及OLED显示模块2-1供电，六轴陀螺仪模块5-3用于对动物进行计步，多系统定位模块5-5用于对动物所处养殖场位置进行定位，STM8单片机模块5-2用于接收六轴陀螺仪模块5-3和多系统定位模块5-5采集到的数据并通过LoRa通信模块5-4上传至本地LoRa基站再转发传输至云端服务器并存储。
该设备用于捆绑在人工养殖的猪、牛、羊等畜牧类动物腰背部位，动物走动时，可以通过六轴陀螺仪模块5-3获取加速度的信息，经过STM8单片机模块5-2计算去噪后得到计步信息；另一方面，多系统定位模块5-5通过特定协议将数据发送至STM8单片机模块5-2，STM8单片机模块5-2将定位数据解码后，形成经纬度、海拔组成的定位信息。 计步信息和定位信息一方面通过OLED显示模块2-1显示出来，一方面通过LoRa通信模块5-4上传至LoRa基站，并由LoRa基站通过GPRS通信方式将计步信息传至云端服务器，实现设备对畜牧类动物的计步远程和近端同时检测。
实施例2：如图8所示，所述OLED显示模块2-1包括OLED屏幕M1、SSD1306显示屏驱动芯片U7、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、1N4148二极管D3、OLED屏幕控制接口母头3-1。电路连接方式如下：OLED屏幕M1通过排线连接SSD1306显示屏驱动芯片U7。SSD1306显示屏驱动芯片U7的1号引脚接电容C17的一端，电容C17的另一端接SSD1306显示屏驱动芯片U7的2号引脚。SSD1306显示屏驱动芯片U7的3号引脚接电容C18的一端，电容C18的另一端接SSD1306显示屏驱动芯片U7的4号引脚。SSD1306显示屏驱动芯片U7的5号引脚、8号引脚同时接3V3电源正极；3V3电源正极同时接电容C19的一端、电容C20的一端；电容C19的另一端接地，电容C20的另一端接地。SSD1306显示屏驱动芯片U7的9号引脚接电阻R10的一端，电阻R10的另一端同时接3V3电源正极、1N4148二极管D3的负极端；1N4148二极管D3的正极端同时接SSD1306显示屏驱动芯片U7的9号引脚、电容C24的一端，电容C24的另一端接地。SSD1306显示屏驱动芯片U7的10号引脚同时接电阻R11的一端、OLED屏幕控制接口母头3-1的3号引脚，电阻R11的另一端接3V3电源正极。SSD1306显示屏驱动芯片U7的11号引脚同时接电阻R12的一端、OLED屏幕控制接口母头3-1的2号引脚，电阻R12的另一端接3V3电源正极。SSD1306显示屏驱动芯片U7的12号引脚接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接地。SSD1306显示屏驱动芯片U7的13号引脚接电容C21的一端，电容C21的另一端接地。SSD1306显示屏驱动芯片U7的14号引脚同时接电容C22的一端、电容C23的一端，电容C22的另一端和电容C23的另一端同时接地。
实施例3：所述控制电路板3-2包含若干电路模块，包括降压稳压模块5-1、STM8单片机模块5-2、六轴陀螺仪模块5-3、LoRa通信模块5-4、多系统定位模块5-5。所述降压稳压模块5-1使用RT9193-33超低压差快速线性稳压器，具有极低的噪声和静态电流消耗，且体积小，是一款专为无线射频推出的线性稳压器，最大电流300mA，关机模式下仅消耗0.01uA的电流，启动时间50us，非常适合经常启停的设备使用。所述STM8单片机模块5-2使用ST公司生产的STM8S003F3型号处理器，主频16MHz，8位MCU，体积小，功耗低。所述六轴陀螺仪模块5-3使用MPU6050芯片，该芯片集成了一个3轴MEMS陀螺仪，一个3轴MEMS 加速度计，以及一个DMP（可扩展的数字运动处理器），本装置主要根据加速度计获取的数据，通过DMP处理后，将有效数据传入单片机计数累加，形成计步传感功能。所述LoRa通信模块5-4的核心模块选用广州致远有限公司生产的ZM433S-M射频模块，具有高灵敏度，发射功率可调，功耗低等优点。所述多系统定位模块5-5采用中科微生产的ATGM336H-5N芯片，多系统即该芯片支持多种卫星导航系统，包括BDS、GPS、GLONASS、GALILEO、QZSS以及卫星增强系统SBAS，相比于传统GPS定位芯片，具有极其出色的成本低、功耗低、外围电路简单等优势。
如图3所示，所述降压稳压模块5-1包括RT9193-33线性稳压芯片U1、锂电池插座10-1、极性电容C1、电容C2、电容C3。电路连接方式如下：RT9193-33线性稳压芯片U1的1号引脚、3号引脚接锂电池插座10-1的1号引脚。RT9193-33线性稳压芯片U1的2号引脚接锂电池插座10-1的2号引脚。RT9193-33线性稳压芯片U1的4号引脚接电容C3的一端，电容C3的另一端接地。RT9193-33线性稳压芯片U1的5号引脚接3V3电源正极。3V3电源正极同时接极性电容C1的正极端、电容C2的一端，极性电容C1的负极端和电容C2的另一端同时接地。
如图4所示，所述STM8单片机模块5-2包括STM8S003F3单片机芯片U2、SWIM下载器接口J1、电阻R1、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、轻触开关S1、晶振Y1。电路连接方式如下：3V3电源正极接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接STM8S003F3单片机芯片U2的4号引脚；STM8S003F3单片机芯片U2的4号引脚同时接轻触开关S1的一端、电容C4的一端，轻触开关S1的另一端和电容C4的另一端同时接地。STM8S003F3单片机芯片U2的5号引脚同时接晶振Y1的一端、电容C5的一端；STM8S003F3单片机芯片U2的6号引脚同时接晶振Y1的另一端、电容C6的一端；电容C5的另一端和电容C6的另一端同时接地。STM8S003F3单片机芯片U2的7号引脚同时接3V3电源正极、电容C7的一端，电容C7的另一端接地。STM8S003F3单片机芯片U2的8号引脚接电容C8的一端，电容C8的另一端接地。STM8S003F3单片机芯片U2的9号引脚接地。SWIM下载器接口J1的1号端口接3V3电源正极，SWIM下载器接口J1的2号端口接STM8S003F3单片机芯片U2的4号引脚，SWIM下载器接口J1的3号端口接STM8S003F3单片机芯片U2的18号引脚，SWIM下载器接口J1的4号端口接地。
如图5所示，所述六轴陀螺仪模块5-3包括MPU6050芯片U3、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C9、电容C10、电容C11。电路连接方式如下：MPU6050芯片U3的1号引脚、11号引脚、18号引脚同时接地。MPU6050芯片U3的8号引脚接3V3电源正极。MPU6050芯片U3的9号引脚接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接地。MPU6050芯片U3的10号引脚接电容C11的一端，电容C11的另一端接地。MPU6050芯片U3的12号引脚接STM8S003F3单片机芯片U2的13号引脚。MPU6050芯片U3的13号引脚同时接3V3电源正极、电容C10的一端，电容C10的另一端接地。MPU6050芯片U3的20号引脚接电容C9的一端，电容C9的另一端接地。MPU6050芯片U3的23号引脚同时接电阻R3的一端、STM8S003F3单片机芯片U2的12号引脚；电阻R3的另一端接3V3电源正极。MPU6050芯片U3的24号引脚同时接电阻R2的一端、STM8S003F3单片机芯片U2的11号引脚；电阻R2的另一端接3V3电源正极。
如图6所示，所述LoRa通信模块5-4包括ZM433SX-M射频LoRa模块U4、电容C12、电容C13、电容C14、电感L1、LoRa天线接口J2。电路连接方式如下：ZM433SX-M射频LoRa模块U4的1号引脚、2号引脚、3号引脚、4号引脚、11号引脚、12号引脚、19号引脚、20号引脚、22号引脚同时接地。ZM433SX-M射频LoRa模块U4的13号引脚同时接电容C14的一端、电感L1的一端，电容C14的另一端接地，电感L1的另一端接3V3电源正极。ZM433SX-M射频LoRa模块U4的14号引脚接STM8S003F3单片机芯片U2的15号引脚；ZM433SX-M射频LoRa模块U4的15号引脚接STM8S003F3单片机芯片U2的17号引脚；ZM433SX-M射频LoRa模块U4的16号引脚接STM8S003F3单片机芯片U2的16号引脚；ZM433SX-M射频LoRa模块U4的17号引脚接STM8S003F3单片机芯片U2的10号引脚；ZM433SX-M射频LoRa模块U4的18号引脚接STM8S003F3单片机芯片U2的14号引脚。ZM433SX-M射频LoRa模块U4的21号引脚接电容C12的一端，电容C12的另一端同时接LoRa天线接口J2的1号端口、电容C13的一端；电容C13的另一端接地。LoRa天线接口J2的2号端口接地。
如图7所示，所述多系统定位模块5-5包括ATGM336H-5N定位模块U5、AT24C32存储芯片U6、GPS天线接口J3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C15、电容C16、1N4007二极管D1、发光二极管D2、备用纽扣电池BT1。电路连接方式如下：ATGM336H-5N定位模块U5的1号引脚、10号引脚、12号引脚接地。ATGM336H-5N定位模块U5的2号引脚接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接STM8S003F3单片机芯片U2的3号引脚；ATGM336H-5N定位模块U5的3号引脚接电阻R7的一端，电阻R7的另一端接STM8S003F3单片机芯片U2的2号引脚。ATGM336H-5N定位模块U5的4号引脚接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接发光二极管D2的负极端，发光二极管D2的正极端接3V3电源正极。ATGM336H-5N定位模块U5的5号引脚、8号引脚接3V3电源正极。ATGM336H-5N定位模块U5的6号引脚同时接备用纽扣电池BT1的正极端、1N4007二极管D1的负极端；备用纽扣电池BT1的负极端接地，1N4007二极管D1的正极端接3V3电源正极。3V3电源正极接电容C15的一端，电容C15的另一端接地。ATGM336H-5N定位模块U5的9号引脚、14号引脚同时接电阻R5的一端，电阻R5的另一端同时接ATGM336H-5N定位模块U5的11号引脚、GPS天线接口J3的1号端口，GPS天线接口J3的2号端口接地。AT24C32存储芯片U6的1号引脚、2号引脚、3号引脚、4号引脚、7号引脚接地；AT24C32存储芯片U6的5号引脚接ATGM336H-5N定位模块U5的16号引脚；AT24C32存储芯片U6的6号引脚接ATGM336H-5N定位模块U5的17号引脚；AT24C32存储芯片U6的8号引脚接3V3电源正极。3V3电源正极接电容C16的一端，电容C16的另一端接地。
其中蓄电池组4-1可以使用两节18650电池并联连接而成，输出电压3.7V，单节电量3400mAh，两节6800mAh。若客户需要更多电量以获取设备更长工作时间，可扩增电池仓，并使用四节、六节18650电池组合蓄电池。
用电模块根据工作模式分类分为“全时工作”和“间时工作”两类。“全时工作”的用电模块包括多系统定位模块、六轴陀螺仪模块、STM8单片机模块，它们进行全天候的长时间工作，时时工作，时时耗电。“间时工作”的用电模块包括OLED显示模块、LoRa通信模块，他们每隔一段时间工作一次，其它时间处于休眠状态以节省能耗。以工作电压3.3V，时间1小时为例，理论上，六轴陀螺仪模块、STM8单片机模块工作状态下的最大功耗总和为：3.9mA+5mA=8.9mA。多系统定位模块、OLED显示模块、LoRa通信模块每间隔20分钟工作一次，一次工作时间为30秒，最大功耗为：(25+10)mA/60*0.5*3+18mA/60*0.5*3+120mA/60*0.5*3+1.7mA/60*(60-1.5)=5.9825mA。综上，该设备每小时耗电理论最大值为：14.8825mA。根据权利要求10所述，18650蓄电池组4-1在两节18650电池充满电的状态下，可供整个系统用电时常约6800/14.8825=456.912小时，约19天。特别声明，设备不排除减少无用时段（如夜间待机）的模块工作时间，以获得更好的节能效果。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、改进、等效替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于畜牧业动物计步和定位的实时嵌入式设备，其特征在于：包括设备外壳、OLED显示模块（2-1）、控制电路板（3-2）和蓄电池组（4-1），所述设备外壳自上而下分为三个部分，分别为设备顶壳（1-1）、设备盒体（1-4）和蓄电池仓盖（1-9），其中，设备顶壳（1-1）一侧固定有OLED显示模块（2-1）；设备盒体（1-4）分为两层，上层用于固定控制电路板（3-2），下层用于放置蓄电池组（4-1）；蓄电池仓盖（1-9）固定在设备盒体（1-4）的底部；
所述控制电路板（3-2）上集成有降压稳压模块（5-1）、STM8单片机模块（5-2）、六轴陀螺仪模块（5-3）、LoRa通信模块（5-4）和多系统定位模块（5-5），所述STM8单片机模块（5-2）分别与STM8单片机模块（5-2）、六轴陀螺仪模块（5-3）、LoRa通信模块（5-4）和多系统定位模块（5-5）相连；所述OLED显示模块（2-1）用于显示计步步数，蓄电池组（4-1）用于为控制电路板（3-2）上的各模块以及OLED显示模块（2-1）供电，六轴陀螺仪模块（5-3）用于对动物进行计步，多系统定位模块（5-5）用于对动物所处养殖场位置进行定位，STM8单片机模块（5-2）用于接收六轴陀螺仪模块（5-3）和多系统定位模块（5-5）采集到的数据并通过LoRa通信模块（5-4）上传至本地LoRa基站再转发传输至云端服务器并存储。
2.根据权利要求1所述的一种用于畜牧业动物计步和定位的实时嵌入式设备，其特征在于：所述设备顶壳（1-1）通过卡扣连接套设在设备盒体（1-4）上，所述设备顶壳（1-1）两侧的顶端设有若干散热孔，设备盒体（1-4）通过中间的隔板隔为上下两层，上层用于放置控制电路板（3-2），控制电路板（3-2）通过卡入电路板卡槽（1-3）内进行固定，隔板上设有散热通孔（1-6）和端子连接线通孔（1-5），散热通孔（1-6）用于将蓄电池组（4-1）产生的热量向上传递，端子连接线通孔（1-5）用于将蓄电池组（4-1）的电源线端子（4-2）从设备盒体（1-4）的下层引入到上层，设备盒体（1-4）的下端两侧设有通孔（1-8），捆绑带通过通孔（1-8）将设备捆绑在畜牧动物腰背上，所述蓄电池仓盖（1-9）内设有蓄电池固位槽（1-10）。
3.根据权利要求1所述的一种用于畜牧业动物计步和定位的实时嵌入式设备，其特征在于：所述OLED显示模块（2-1）包括OLED屏幕M1、SSD1306显示屏驱动芯片U7、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、1N4148二极管D3和OLED屏幕控制接口母头（3-1），其中OLED屏幕M1通过排线连接SSD1306显示屏驱动芯片U7，SSD1306显示屏驱动芯片U7的1号引脚接电容C17的一端，电容C17的另一端接SSD1306显示屏驱动芯片U7的2号引脚，SSD1306显示屏驱动芯片U7的3号引脚接电容C18的一端，电容C18的另一端接SSD1306显示屏驱动芯片U7的4号引脚，SSD1306显示屏驱动芯片U7的5号引脚和8号引脚同时接3V3电源正极；3V3电源正极同时接电容C19的一端和电容C20的一端；电容C19的另一端接地，电容C20的另一端接地，SSD1306显示屏驱动芯片U7的9号引脚接电阻R10的一端，电阻R10的另一端同时接3V3电源正极和1N4148二极管D3的负极端；1N4148二极管D3的正极端同时接SSD1306显示屏驱动芯片U7的9号引脚和电容C24的一端，电容C24的另一端接地，SSD1306显示屏驱动芯片U7的10号引脚同时接电阻R11的一端和OLED屏幕控制接口母头（3-1）的3号引脚，电阻R11的另一端接3V3电源正极，SSD1306显示屏驱动芯片U7的11号引脚同时接电阻R12的一端和OLED屏幕控制接口母头（3-1）的2号引脚，电阻R12的另一端接3V3电源正极，SSD1306显示屏驱动芯片U7的12号引脚接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接地，SSD1306显示屏驱动芯片U7的13号引脚接电容C21的一端，电容C21的另一端接地，SSD1306显示屏驱动芯片U7的14号引脚同时接电容C22的一端和电容C23的一端，电容C22的另一端和电容C23的另一端同时接地。
4.根据权利要求1所述的一种用于畜牧业动物计步和定位的实时嵌入式设备，其特征在于：所述降压稳压模块（5-1）包括RT9193-33线性稳压芯片U1、锂电池插座（10-1）、极性电容C1、电容C2和电容C3，其中RT9193-33线性稳压芯片U1的1号引脚和3号引脚接锂电池插座（10-1）的1号引脚，RT9193-33线性稳压芯片U1的2号引脚接锂电池插座（10-1）的2号引脚，RT9193-33线性稳压芯片U1的4号引脚接电容C3的一端，电容C3的另一端接地，RT9193-33线性稳压芯片U1的5号引脚接3V3电源正极，3V3电源正极同时接极性电容C1的正极端和电容C2的一端，极性电容C1的负极端和电容C2的另一端同时接地。
5.根据权利要求1所述的一种用于畜牧业动物计步和定位的实时嵌入式设备，其特征在于：所述STM8单片机模块（5-2）包括STM8S003F3单片机芯片U2、SWIM下载器接口J1、电阻R1、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、轻触开关S1和晶振Y1，其中3V3电源正极接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接STM8S003F3单片机芯片U2的4号引脚；STM8S003F3单片机芯片U2的4号引脚同时接轻触开关S1的一端和电容C4的一端，轻触开关S1的另一端和电容C4的另一端同时接地，STM8S003F3单片机芯片U2的5号引脚同时接晶振Y1的一端和电容C5的一端；STM8S003F3单片机芯片U2的6号引脚同时接晶振Y1的另一端和电容C6的一端；电容C5的另一端和电容C6的另一端同时接地；STM8S003F3单片机芯片U2的7号引脚同时接3V3电源正极和电容C7的一端，电容C7的另一端接地；STM8S003F3单片机芯片U2的8号引脚接电容C8的一端，电容C8的另一端接地；STM8S003F3单片机芯片U2的9号引脚接地；SWIM下载器接口J1的1号端口接3V3电源正极，SWIM下载器接口J1的2号端口接STM8S003F3单片机芯片U2的4号引脚，SWIM下载器接口J1的3号端口接STM8S003F3单片机芯片U2的18号引脚，SWIM下载器接口J1的4号端口接地。
6.根据权利要求1所述的一种用于畜牧业动物计步和定位的实时嵌入式设备，其特征在于：所述六轴陀螺仪模块（5-3）包括MPU6050芯片U3、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C9、电容C10和电容C11，其中MPU6050芯片U3的1号引脚、11号引脚、18号引脚同时接地，MPU6050芯片U3的8号引脚接3V3电源正极，MPU6050芯片U3的9号引脚接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接地，MPU6050芯片U3的10号引脚接电容C11的一端，电容C11的另一端接地，MPU6050芯片U3的12号引脚接STM8S003F3单片机芯片U2的13号引脚，MPU6050芯片U3的13号引脚同时接3V3电源正极和电容C10的一端，电容C10的另一端接地，MPU6050芯片U3的20号引脚接电容C9的一端，电容C9的另一端接地，MPU6050芯片U3的23号引脚同时接电阻R3的一端和STM8S003F3单片机芯片U2的12号引脚；电阻R3的另一端接3V3电源正极，MPU6050芯片U3的24号引脚同时接电阻R2的一端和STM8S003F3单片机芯片U2的11号引脚；电阻R2的另一端接3V3电源正极。
7.根据权利要求1所述的一种用于畜牧业动物计步和定位的实时嵌入式设备，其特征在于：所述LoRa通信模块（5-4）包括ZM433SX-M射频模块U4、电容C12、电容C13、电容C14、电感L1和LoRa天线接口J2，其中ZM433SX-M射频模块U4的1号引脚、2号引脚、3号引脚、4号引脚、11号引脚、12号引脚、19号引脚、20号引脚、22号引脚同时接地，ZM433SX-M射频模块U4的13号引脚同时接电容C14的一端和电感L1的一端，电容C14的另一端接地，电感L1的另一端接3V3电源正极，ZM433SX-M射频模块U4的14号引脚接STM8S003F3单片机芯片U2的15号引脚；ZM433SX-M射频模块U4的15号引脚接STM8S003F3单片机芯片U2的17号引脚；ZM433SX-M射频模块U4的16号引脚接STM8S003F3单片机芯片U2的16号引脚；ZM433SX-M射频模块U4的17号引脚接STM8S003F3单片机芯片U2的10号引脚；ZM433SX-M射频模块U4的18号引脚接STM8S003F3单片机芯片U2的14号引脚，ZM433SX-M射频模块U4的21号引脚接电容C12的一端，电容C12的另一端同时接LoRa天线接口J2的1号端口和电容C13的一端；电容C13的另一端接地，LoRa天线接口J2的2号端口接地。
8.根据权利要求1所述的一种用于畜牧业动物计步和定位的实时嵌入式设备，其特征在于：所述多系统定位模块（5-5）包括ATGM336H-5N定位模块U5、AT24C32存储芯片U6、GPS天线接口J3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C15、电容C16、1N4007二极管D1、发光二极管D2和备用纽扣电池BT1，其中ATGM336H-5N定位模块U5的1号引脚、10号引脚、12号引脚接地，ATGM336H-5N定位模块U5的2号引脚接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接STM8S003F3单片机芯片U2的3号引脚；ATGM336H-5N定位模块U5的3号引脚接电阻R7的一端，电阻R7的另一端接STM8S003F3单片机芯片U2的2号引脚，ATGM336H-5N定位模块U5的4号引脚接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接发光二极管D2的负极端，发光二极管D2的正极端接3V3电源正极，ATGM336H-5N定位模块U5的5号引脚、8号引脚接3V3电源正极，ATGM336H-5N定位模块U5的6号引脚同时接备用纽扣电池BT1的正极端和1N4007二极管D1的负极端；备用纽扣电池BT1的负极端接地，1N4007二极管D1的正极端接3V3电源正极，3V3电源正极接电容C15的一端，电容C15的另一端接地，ATGM336H-5N定位模块U5的9号引脚、14号引脚同时接电阻R5的一端，电阻R5的另一端同时接ATGM336H-5N定位模块U5的11号引脚、GPS天线接口J3的1号端口，GPS天线接口J3的2号端口接地，AT24C32存储芯片U6的1号引脚、2号引脚、3号引脚、4号引脚、7号引脚接地；AT24C32存储芯片U6的5号引脚接ATGM336H-5N定位模块U5的16号引脚；AT24C32存储芯片U6的6号引脚接ATGM336H-5N定位模块U5的17号引脚；AT24C32存储芯片U6的8号引脚接3V3电源正极，3V3电源正极接电容C16的一端，电容C16的另一端接地。
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