CN109171683A - 一种基于光纤光栅传感器的生猪温度及心率监测装置及方法 - Google Patents

一种基于光纤光栅传感器的生猪温度及心率监测装置及方法 Download PDF

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周锋
卞金洪
杨晓芳
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Abstract

本发明提供一种基于光纤光栅传感器的生猪温度及心率监测的装置，包括耳标和监控单元，其中，耳标包括：发光二极管、环形器、光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、电池和信号处理及发送单元；设有监控单元接收由信号处理及发送单元发来的信号，显示被检测生猪的温度和心率信息；耳标是监测装置的传感装置，包括依次连接的发光二极管、环形器、光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、电池、信号处理及发送单元。本发明利用光纤光栅传感器对生猪温度和心率跳动的敏感特性可以实现生猪的体温和心率同时检测，对多种生物体的温度和心率检测具有相同的适用性。

Description

一种基于光纤光栅传感器的生猪温度及心率监测装置及方法
技术领域
本发明涉及生物传感器及数据分析，具体涉及一种光纤光栅传感器用于生猪温度及心率监测的装置及方法。
背景技术
全球肉类的生产总量约为3.207亿吨，猪肉约占一半。然而当前世界养猪业均存在环境污染、生态破坏、食品安全、疾病的早期预防等共性问题。靠饲养获得的生产率极度下降，依赖每头牲畜增产的肉和母猪的产出量是最佳技术体系。现代计算机和数据处理能力使生产过程不断改进，养猪技术得以优化和系统化。中国是全球最大的猪肉消费国和增长型消费国，但中国不是养猪强国。中国养猪业出共性问题外，在饲料利用率、发情母猪的配种成功率等和发达国家相比还存在一定差距，养殖企业的利润率还有待提高。与欧美等传统养猪国家相比每公斤猪肉成本高2-4元，我国每年由于养殖成本高而造成的经济损失达20亿元以上。但我国在养猪技术体系的系统研究相对薄弱，致使养猪业技术水平的提高缺乏强有力的理论支持。实现现代畜牧业需要的发展要大力推进基于物联网技术的养殖环境智能监控系统和养殖个体体征智能监测系统的开发。“互联网 +”和物联网技术和产业异军突起，成为新一轮产业革命的重要发展方向和世界产业格局重构的重要推动力量。因此，研究开发基于物联网技术的生猪体征参数检测的传感器技术具有非常重要的学术价值和现实意义。2013年，杨颖等研究人员提出了一种生猪行为自动监测系统及方法，授权号：201310182416.5，本发明的技术方案充分利用视频技术在宏观视觉表现的直观性及传感器技术在微观参数获取方面的灵敏性，实现了生猪行为监测的精准化和自动化。2015年，陈桂鹏等研究人员提出了一种生猪心率监测方法与系统及生猪存亡状态监测系统，授权号ZL201510289415.X，所述生猪心率监测系统包括：心率传感器、运动传感器，利用心率传感器监测对象的心率数据，通过有线或无线连接与心率传感器和所述运动传感器连接，获取心率传感器和运动传感器发送的心率数据和运动数据，根据运动数据判断被监测对象的运动幅度。2016年，朱虹等研究人员提出了一种基于无线传感器网络的生猪养殖环境监测方法，申请号：201610036973.X，本发明以STM32W108芯片为ZigBee无线传输的主控芯片，设计并制作了无线传输模块，并连接了温湿度传感器和氨气浓度传感器进行猪舍内环境信息的监测，数据通过星型-mesh型网络的混合网络拓扑结构上传至数据中心进行实时监控。从这些报道来看，这些发明中使用的心率传感器和运动传感器都是独立的传感器，增加的设备的成本，很难进行产业化的实施。
发明内容
本发明目的在于，提供一种基于光纤光栅传感器的生猪温度及心率监测的装置及方法，不仅能能够克服现有生猪传感器技术的缺点与不足，实现生猪的体温及心率的同时检测，而且能够实现快速高精度的测量要求，且具有结构简单，易于实现等优点。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于光纤光栅传感器的生猪温度及心率监测的装置无线处理器，其特征在于，包括：耳标和监控单元，其中，耳标包括：发光二极管、环形器、光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、电池和信号处理及发送单元；设有监控单元接收由信号处理及发送单元105发来的信号，显示被检测生猪的温度和心率信息。监控单元通过无线接收耳标发送单元信号，用于获取所述耳标发送的生猪温度和心率数据。
耳标获得生猪温度和心率的实时信息，是监测装置的传感装置，包括依次连接的发光二极管101、环形器102、光纤光栅传感器103、光纤光栅解调仪104、电池105、信号处理及发送单元106、监控单元107；发光二极管101发出的宽带光信号经环形器102 的1#端口进入，从环形器102的2#端口进入光纤光栅传感器103，光纤光栅传感器103 反射的信号经环形器102的2#端口进入，从环形器102的3#端口输出后进入光纤光栅解调仪104，光纤光栅解调仪104输出的电信号进入信号处理及发送单元105进行处理并发送，另设有的监控单元106接收由信号处理及发送单元105发来的信号，显示被检测生猪的温度和心率信息。耳标结构简单、结果精确度高，仪器稳定性好。
进一步，其中上述所述宽带光源为白光发光二极管；
进一步，其中所述光纤光栅传感器为保偏光纤光栅传感器；
进一步，其中所述信号处理及发送单元为德州仪器的超低功耗无线处理器CC2650；
进一步，其中所述光纤光栅解调仪为和光纤光栅传感器波长相匹配的解调仪。
保偏光纤光栅传感器的输出经光纤光栅解调仪解调、处理及发送单元发送到组网的无线处理器构成，保偏光纤光栅传感器在不同偏振方向上对测量参数的敏感的差异特性，可以同时实现生猪温度和应变变量的监测，测量生猪心率参数时，心脏每次振动都对保偏光纤光栅传感器有力的作用，都会引起相应的应变，而这个应变反映在保偏光纤光栅传感器反射中心波长的变化，这样，连续的反射中心波长的变化形成的信号波形就与心跳过程是一致的，温度的测量就是影响反射信号波长的变化，因此，测量输出不同偏振方向上的波长变化，就可以得出生猪温度和心率的信息。无线处理器尤其是利用多协议无线处理器CC2650作为信号处理及发送单元实现无线传输组网，由无线传输组网，无线传输组网(各种MESH网均可)指监控单元接收由信号处理及发送单元通过ZigBee 或蓝牙的多协议网络发来的信号，显示被检测生猪的温度和心率信息。
为达上述目的，一种基于光纤光栅传感器的生猪温度及心率监测的方法，包括下列步骤：发光二极管101发出的宽带光信号经环形器102的1#端口进入，从环形器102 的2#端口进入光纤光栅传感器103，光纤光栅传感器103反射的信号经环形器102的2# 端口进入，从环形器102的3#端口输出后进入光纤光栅解调仪104，光纤光栅解调仪104 输出的电信号进入信号处理及发送单元105进行处理并发送，监控单元106接收由信号处理及发送单元105发来的信号，显示被检测生猪的温度和心率信息。
本发明利用光纤光栅传感器对生猪温度和心率跳动的敏感特性，获得生猪的体温和心率的数据，发光二极管发出的宽带信号经环形器进入光纤光栅传感器，光纤传感器与生猪体表接触，当生猪的体温和心率变化时，从光纤光栅传感器返回的波长信息将发生变化，利用光栅解调仪检测返回信号的波长信息，波长信息经信号处理及发送单元处理并发送，在监控单元显示生猪的体温和心率信息。本发明方法可以实现生猪的体温和心率同时检测，对多种生物体的温度和心率检测具有相同的适用性。
本发明的有益效果：光纤光栅传感器具有对温度和应变非常敏感的特性，可以实现对温度和应变参量的监测，本发明利用保偏光纤光栅传感器作为生猪温度及心率监测的传感器，保偏光纤光栅传感器在不同偏振方向上对测量参数的敏感的差异特性，可以同时实现温度和应变的监测，测量生猪心率参数时，心脏每次振动都对保偏光纤光栅传感器有力的作用，都会引起相应的应变，而这个应变反映在保偏光纤光栅传感器反射中心波长的变化，这样，连续的反射中心波长的变化形成的信号波形就与心跳过程是一致的，温度的测量就是影响反射信号波长的变化，因此，测量输出不同偏振方向上的波长变化，就可以得出生猪温度和心率的信息。利用德州仪器的超低功耗多协议无线处理器 CC2650作为信号处理及发送单元实现无线传输组网，获得生猪温度和心率的实时信息，检测装置系统结构简单、结果精确度高，仪器稳定性好。
附图说明
图1为本发明装置的具体实施耳标系统示意框图；
图2为本发明装置的具体实施示意图；
图3为本发明的生猪心跳频率信息示意图。
图4为耳标的结构示意框图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
为了更了解本发明的技术内容，特举实施例并配合所附图式说明如下。
如图1所示，本实施例的基于光纤光栅传感器的生猪温度及心率监测的装置，包括依次连接的驱动电源电路200、超低功耗处理及发送单元芯片电路300和JTAG接口电路400。
其中，驱动电源电路200包括电感226(BLM18HE152SN1)、电容227(9pF)、电容 228(100nF)、电容229(100nF)、电容230(100nF)、电容231(10μF)、电容232(9pF)、电感233(10μH)、电容234(10μF)、电容235(100nF)、电容236(100nF)、电容237(9pF)。
电感226(BLM18HE152SN1)的一端连接VDD_EB的一个端口，电容227(9pF)、电容228(100nF)、电容229(100nF)、电容230(100nF)、电容231(10μF)、电容232(9pF)、电源VDDS并联接入电感226(BLM18HE152SN1)的另一端，电容227(9pF)、电容 228(100nF)、电容229(100nF)、电容230(100nF)、电容231(10μF)、电容232(9pF)的另外端口分别与地线连接。电感233(10μH)的一端连接DCDC_SW的一端连接，电容 234(10μF)、电容235(100nF)、电容236(100nF)、电容237(9pF)、VDDR并联接入电感233(10μH)的另一端，电容234(10μF)、电容235(100nF)、电容236(100nF)、电容 237(9pF)的另外端口分别与地线连接。
其中，超低功耗处理及发送单元芯片电路300包括电池201(3V)、白光发光二极管202、环形器203、保偏光纤光栅传感器204、光纤光栅解调仪205、超低功耗多协议芯片 206(206A、206B)、电阻207(100k)、电容208(100nF)、电容209(12pF)、电容210(12pF)、晶振211(32.768KHz)、电容212(1μF)、电容213(9pF)、晶振214(24MHz)、电容215(9pF)、电容216(1pF)、电感217(2.4nH)、电容218(6.8pF)、电感219(2.4nH)、电容220(1pF)、电容221(9pF)、电感222(2nH)、电容223(1pF)、电容224(12pF)、天线225。电池201(3V) 对白光发光二极管202进行供电，白光发光二极管202发出的宽带光信号经环形器203的 1#端口进入，从环形器203的2#端口进入保偏光纤光栅传感器204，保偏光纤光栅传感器 204反射的信号经环形器203的2#端口进入，从环形器203的3#端口输出后进入光纤光栅解调仪205(北京虹林光电有限公司光纤光栅解调模块FI-XX1M)，光纤光栅解调仪205输出的电信号进入信号处理及发送单元206的DIO_0引脚，信号处理及发送单元206为德州仪器的超低功耗片上系统，集成射频收发器，增强型8051MCU，具有独特的传感器控制器，可以在standby模式下设定使能状态，在2.4GHz范围内的多种协议(802.15.4RF4CE、 ZigBee、Bluetooth)都可以实现的芯片。为了画图方便，图1中的超低功耗多协议芯片206 包括206A和206B两个部分，超低功耗多协议芯片206的206B中，DIO_16引脚连接JTAG TDO端口，DIO_17引脚连接JTAG TDI端口，超低功耗多协议芯片206的206A中， JTAG_TMSC引脚连接JTAG_TMS，JTAG_TCKC引脚连接JTAG_TCK；RESET_N引脚连接nRESET、电阻207(100K)和电容208(100nF)的第一接头，电阻207(100K)的第二接头连接VDDS，电容208(100nF)的第二接头与地线连接；DCDC_SW引脚连接DCDC_SW， X32K_Q1、X32K_Q2、DCOUPL引脚分别通过电容209(12pF)、电容210(12pF)、电容212(1μF)与地线连接，在X32K_Q1、X32K_Q2引脚之间串联晶振211(32.768KHz)，VSS 引脚直接与地线连接；VDDS2、VDDS3、VDDS、VDDS_DCDC引脚直接连接VDDS， VDDR引脚直接连接VDDR；X24M_N和X24M_P引脚分别通过电容213(9pF)和电容 215(9pF)与地线连接，同时，X24M_N和X24M_P引脚之间串联晶振214(24MHz)，当监测装置处于工作状态情况下，晶振214(24MHz)工作，若监测装置不执行工作的时候，晶振211(32.768KHz)工作，这样就可以保证监测装置处于低能耗状态；RF_P引脚连接电容 216(1pF)和电感217(2.4nH)的第一接头，电感217(2.4nH)的第二接头通过电容 218(6.8pF)与地线连接，RF_N引脚连接电容220(1pF)和电感219(2.4nH)的第一接头，电容220(1pF)第二接头与地线连接，电容216(1pF)和电感219(2.4nH)的第二接头连接电容221(9pF)和电感222(2nH)的第一接头，电容221(9pF)的第二接头与地线连接，电感222(2nH)的第二接头连接电容223(1pF)和电感224(12nH)的第一接头，电容 223(1pF)的第二接头与地线连接，电感224(12nH)的第二接头与天线(225)连接。
其中，JTAG接口电路400包括238A和238B，238A的第1引脚连接JTAG_TCK的一端，238A的第5引脚连接DIO_23，238A的第7引脚和第9引脚共同连接VDD_EB一端，238A 的第11引脚连接DIO_25一端，238A的第13引脚连接DIO_27一端，238A的第15引脚连接 nRESET一端，238A的第17引脚连接DIO_17/JTAG TDI一端，238A的第19引脚连接 DIO_16/JTAG TDO一端，238A的第2和第20引脚共同与地线连接，238A的第4引脚连接 JTAG_TMS一端，238A的第6引脚连接DIO_26一端，238A的第8引脚连接DIO_20一端，238A的第8引脚连接DIO_20一端，238A的第10引脚连接DIO_24一端，238A的第12引脚连接DIO_30一端，238A的第14引脚连接DIO_29一端，238A的第16引脚连接DIO_28一端， 238A的第18引脚连接DIO_21一端；238B的第1和第19引脚共同与地线连接，238B的第3 引脚连接DIO_0一端，238B的第5引脚连接DIO_1一端，238B的第7引脚连接DIO_2一端， 238B的第9引脚连接DIO_3一端，238B的第11引脚连接DIO_4一端，238B的第13引脚连接DIO_5一端，238B的第15引脚连接DIO_13一端，238B的第17引脚连接DIO_14一端， 238B的第2引脚连接DIO_7一端，238B的第4引脚连接DIO_6一端，238B的第6引脚连接 DIO_15一端，238B的第8引脚连接DIO_18一端，238B的第10引脚连接DIO_19一端，238B 的第12引脚连接DIO_12一端，238B的第14引脚连接DIO_11一端，238B的第16引脚连接 DIO_10一端，238B的第18引脚连接DIO_9一端，238B的第20引脚连接DIO_8一端，其余引脚悬空。
上述基于光纤光栅传感器的生猪温度及心率监测的方法，包括以下步骤：白光发光二极管202发出的宽带光信号经环形器203的1#端口进入，从环形器203的2#端口进入保偏光纤光栅传感器204，保偏光纤光栅传感器204反射的信号经环形器203的2#端口进入，从环形器203的3#端口输出后进入光纤光栅解调仪205，光纤光栅解调仪205输出的电信号进入信号处理及发送单元206进行处理并发送，这些构成生猪的耳标，多个生猪的耳标构成无线传感网络，如图2所示，监控单元接收由信号处理及发送单元206通过ZigBee 和蓝牙的多协议网络发来的信号，显示被检测生猪的温度和心率信息。该方法主要利用保偏光纤光栅传感器对温度和应变敏感的特性，实现对温度和应变参量的监测，保偏光纤光栅传感器在不同偏振方向上对测量参数的敏感的差异特性，可以同时实现温度和应变的监测，测量生猪心率参数时，心脏每次振动都对保偏光纤光栅传感器有力的作用，都会引起相应的应变，而这个应变反映在保偏光纤光栅传感器反射中心波长的变化，这样，连续的反射中心波长的变化形成的信号波形就与心跳过程是一致的，温度的测量就是影响反射信号波长的变化，因此，测量输出不同偏振方向上的波长变化，就可以得出生猪温度和心率的信息。
在本实施例中，经过测量生猪的心跳频率如图3所示，从图3可以看出，生猪的心跳频率为2.72Hz，可以得出生猪的心率为2.72Hz×60s＝163.2次/min，测量到生猪的体温为38.8℃。

Claims (5)

1.一种基于光纤光栅传感器的生猪温度及心率监测的装置，其特征在于，包括：耳标和监控单元，其中，耳标包括：发光二极管、环形器、光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、电池和信号处理及发送单元；
耳标是监测装置的传感装置，包括依次连接的发光二极管、环形器、光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、电池、信号处理及发送单元；发光二极管发出的宽带光信号经环形器的1#端口进入，从环形器的2#端口进入光纤光栅传感器，光纤光栅传感器反射的信号经环形器的2#端口进入，从环形器的3#端口输出后进入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪输出的电信号进入信号处理及发送单元进行处理并发送，另设有的监控单元接收由信号处理及发送单元发来的信号，显示被检测生猪的温度和心率信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的生猪温度及心率监测的装置，其特征在于，所述宽带光源为白光发光二极管，所述光纤光栅传感器为保偏光纤光栅传感器。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的生猪温度及心率监测的装置，其特征在于，所述信号处理及发送单元为德州仪器的无线处理器CC2650。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的生猪温度及心率监测的装置，其特征在于，所述光纤光栅解调仪为和光纤光栅传感器波长相匹配的解调仪。
5.根据权利要求1-4之一所述的基于光纤光栅传感器的生猪温度及心率监测的装置进行监测的方法，其特征在于，包括下列步骤：发光二极管发出的宽带光信号经环形器的1#端口进入，从环形器的2#端口进入光纤光栅传感器，光纤光栅传感器反射的信号经环形器的2#端口进入，从环形器的3#端口输出后进入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪输出的电信号进入信号处理及发送单元进行处理并发送，监控单元接收由信号处理及发送单元发来的信号，显示被检测生猪的温度和心率信息。
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