CN112779159A - 一种生物培养智能监控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物培养智能监控系统及方法，生物培养智能监控系统包括MCU、动物培养系统、微生物培养系统、云服务器、RFID模块和无线通信模块；无线通信模块为WiFi模块和远程通信模块，MCU通过无线通信模块与手机通信连接；远程通信模块为GSM、3G、4G或5G通信模块；动物培养系统、微生物培养系统、云服务器、RFID模块和无线通信模块均与MCU相连；微生物培养系统中具有与MCU相连的培养瓶动作模块、温控模块、CO2浓度控制模块和显微监测模块。该生物培养智能监控系统及方法集成度高，功能丰富，构思巧妙，易于实施。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物培养智能监控系统及方法。
背景技术
生物培养实验对生物技术和医疗技术的发展具有不可忽视的意义，但是一个完整的生物实验往往具有周期长、工作量大的特点。同时在实验过程中，培养环境的稳定性往往会直接影响实验的成功与否。
现代生物培养实验包括微生物培养和动物培养。微生物培养实验常用的培养箱主要是摇床、生化培养箱、CO2培养箱、细胞转瓶培养器等。培养箱种类很多，用途也各有千秋，基本原理均是围绕环境控制而设计的。虽然可以控制微生物所处的环境变量，使其达到适合微生物生长的最佳值。但是功能较为单一，只能进行脱机工作，维持微生物的基本生长环境，并未考虑人机交互的优化设计。而对于动物培养来说，具有自动培养和智能化生命体征监测功能的方案还十分缺少。
微生物培养实验中，以恒温空气摇床为例，使用流程为：1.摆放菌种；2.设定工作温度；3.设定工作时长；3.设定工作频率；4.启动摇床。以上操作流程，均未涉及监控功能的设定。因为现有摇床只针对于解决微生物培养工作本身所需要满足的条件而设计，并未考虑人机交互功能优化设计，忽略了如何提高实验人员的工作效率。虽具备基本的温度、湿度、CO2浓度等基本环境的控制功能，但不具备远程监控功能，需时刻有工作人员在现场操作和关注生长状况，才能保证菌种的培养质量。
在动物培养实验中，现有的培养箱也只能检测O2、CO2浓度等环境变量，无法根据环境变量自动作出应对措施，且喂食、喂水动作需人工进行。对于实验动物的生命体征情况，更是无法进行远程的监控。
如何将实验人员从繁锁的生物培养实验中解脱出来，降低因环境问题造成的实验失败率，提高过程控制的精度，迅速应对培养实验中发生的各种状况，具有重要意义。
因此，有必要设计一种生物培养智能监控系统及方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种生物培养智能监控系统及方法，易于实施，且构思巧妙，功能丰富。
发明的技术解决方案如下：
一种生物培养智能监控系统，包括MCU、动物培养系统、微生物培养系统、云服务器、RFID模块和无线通信模块；
无线通信模块为WiFi模块和远程通信模块，MCU通过无线通信模块与手机通信连接；远程通信模块为GSM、3G、4G或5G通信模块；
动物培养系统、微生物培养系统、云服务器、RFID模块和无线通信模块均与MCU相连；RFID模块用于读写标签信息，通过RFID技术将数据写入IC卡，作为实验标签保存；
微生物培养系统中具有与MCU相连的培养瓶动作模块、温控模块、CO2浓度控制模块和显微监测模块；
其中：
培养瓶动作模块用于通过电机驱动培养瓶震荡和翻转；
温控模块用于通过半导体制冷片控制生物培养系统密闭空间内的温度恒定在预设范围内；
CO2浓度控制模块用于将密闭空间内的CO2浓度稳定在预设范围内；
显微监测模块用于通过显微镜头监视微生物的生长繁殖状态。
2.根据权利要求1所述的生物培养智能监控系统，其特征在于，动物培养系统包括与MCU相连的LED光照控制模块、温度控制模块、监视模块、自动喂养模块、通风控制模块和生命体征监测模块；
其中：
LED光照控制模块用于为动物培养区域提供照明控制；
温度控制模块用于通过空调将动物培养区域的温度控制在预设范围内；
监视模块用于通过摄像头监视动物培养区域；
自动喂养模块用于为动物培养区域内的动物投食；具体投食方式为现有技术，如定期的投入实物到动物培养区域；
通风控制模块用于通过NH3监测以及风扇的控制，使得动物培养区域内的NH3浓度低于预设值；
生命体征监测模块用于监测动物培养区域内动物的生命体征(体温、心率、体重、运动频率，具体监测手段为现有成熟技术)。
生物培养智能监控系统采用24V直流电源，MCU连接有电源监控电路；
24V直流电源端依次经串联的电阻R13和稳压管D10接地；电阻R13与稳压管D10的连接点即稳压管D10的阴极接MCU的IO端P3.5管脚；
24V直流电源端经二极管D9接电池的正极，电池的负极接地；
由电阻R11和R14串接而成的分压电路与电池并联；电阻R11和R14的连接点与MCU的ADC5端相连；用于监控电池的电压,ADC端为ADC接口，用于A/D转换；
稳压芯片7805的IN端接二极管D9的负极；稳压芯片7805的GND端接地，稳压芯片7805的OUT端依次经串联的电阻R12和稳压管D11接地；电阻R12和稳压管D11的连接点即稳压管D11的阴极接MCU的ADC2端。
培养瓶动作模块中，培养瓶设置在两个辊之间并由该两个辊支撑，其中一个辊由受控于MCU的步进电机驱动。
LED光照控制模块包括NPN三极管Q2、PNP三极管Q3、N-MOS管Q4和多个同向并联的LED灯，同相是指所有的负极短接，所有的正极短接；
MCU的PWM信号端经限流电阻R8与Q2的B极相连，Q2和Q3的B极短接，Q2的E极与Q3的E极短接，Q2的C极接LED灯的正极；Q3的C极接地；
Q2的E极接Q4的G极，Q4的D极接LED灯的负极；Q4的S极接地。
MCU采用STC单片机IAP15W4K58S4。
动物培养系统和微生物培养系统共用一个MCU。
生物培养智能监控系统的采集的数据上传到云服务器，云服务器允许智能手机访问，以实现通过智能手机监控现场状态。
一种生物培养智能监控方法，采用前述的生物培养智能监控系统实现生物培养监控。
MCU采集的数据存储在云服务器上以备智能手机访问，MCU通过无线通信模块与智能手机通信连接，实现远程监控。
有益效果：
本发明系统分为动物培养系统与微生物培养系统，以STC单片机IAP15W4K58S4为主控芯片，与WIFI模块、蓝牙模块和GSM模块构成硬件控制板主体。采用WIFI与云端连接时，借用Onenet提供的服务器接口，可将单片机采集到的温度、湿度、CO2浓度等数据传输到手机APP上显示，同时手机可控制单片机的外设作出相应动作。采用蓝牙连接时，单片机与手机可实现数据透传，无需考虑复杂的通讯协议。在动物实验房的监控机构中，可对动物进行自动化喂养，同时对心率、体重、体温等生命体征进行监测；微生物培养房中，具有显微镜头，对微生物生长情况进行监测。采用GSM模块，在发生紧急情况时，可对实验人员进行预警。采用红外通讯模块，对实验房空调进行控制，达到恒温目的。
同时，本系统还具备实验环境数据自动采集功能，并通过RFID技术将数据写入IC卡，作为实验标签保存。
整体意义
(1)数据记录功能，可在固定时间点对所有实验数据进行记录(同一实验采集多组数据)，并存储在系统内存中，当实验人员进行刷卡操作时，会将数据转移至IC卡中。该功能可将实验人员从繁琐的检测工作中解放出来，把更多的精力放在更有意义的实验研究中，从而大大提高实验人员的工作效率。该系统可在固定时间点自动进行数据记录，并将实验数据存储至自身的数据库中，无需实验人员频繁地记录。当实验完成后，实验人员只需刷一下IC卡，则可将整个实验所有时间节点采集的数据一次性永久保存。
(2)每个实验人员都可以在手机上查看该设备的状态，以及监控视频，如果用于教学，实验人员将不必再挤在实验室。由单片机作为整个系统的控制核心，只需设定工作参数，即可全自动工作，如遇紧急情况(温湿度无法调节、停电等)，会通过APP提醒实验人员及时处理。可用手机APP对实验环境进行实时监控与参数调整，同时也可远程监测实验动物生命体征指数。
(3)电源监控功能，可对市电情况进行监控，同时对备用电池电量进行监控。一旦出现掉电情况，可及时提醒实验人员作出相应措施，降低损失。
(4)增加摄像头，可对培养系统内部情况进行实时监控。同时针对微生物培养设置了显微监测功能，可将显微镜头采集的数据实时上传至服务器，方便实验人员查看记录。
微生物培养
(1)相比于空气摇床、水域震荡器等传统培养设备，该设计对电机结构有所改进，将电机轴延长并加粗，培养瓶放置加粗的电机轴上，电机轴转动时，带动培养瓶360°旋转，可使微生物与培养基接触面更广。
(2)为了更好地对微生物生长情况进行把控，新增显微监测功能，可将显微镜头采集的数据实时上传至服务器，方便实验人员查看记录。
动物培养
(1)动物培养方面，新增自动喂水与自动喂食结构，可实现动物培养智能化的目标。
(2)新增NH3检测功能，NH3可反映动物粪便的排遗情况，客观反映了动物培养房的卫生情况。正常情况下，风扇模拟自然风，保证动物培养环境通风条件。当氨气浓度升高时，风扇加大功率运转，同时给实验人员发送预警信息。
(3)新增生命体征监测功能，包括体温、心率、体重、运动频率等指标，分别采用对应的传感器采集记录，以便实验人员远程监控实验动物的生存数据，及时把控实验过程。
本系统致力于将培养箱向智能化、自动化的方向开发，优化实验设备的用户体验与实验成功率。
附图说明
图1为监控系统的总体结构示意图；
图2为动物培养系统结构示意图；
图3为微生物培养系统结构示意图；
图4为电源监控电路原理图；
图5为光照强度传感器原理图；
图6为电机驱动示意图；
图7为培养瓶驱动机构示意图；
图8为LED灯驱动电路示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1，系统方案如图1所示。鉴于生物实验人员的需求反馈，本系统将微生物培养系统与动物培养系统的功能合二为一，共用一个控制模块。实验人员在进行实验时，可单独操作每个培养系统。
系统的基本架构由手机、云服务器、RFID模块、微生物培养系统、动物培养系统组成。微生物培养系统与动物培养系统共用一块MCU。
单片机为设备的主控芯片，负责分别采集微生物培养系统与动物培养系统的温度、湿度、气体浓度等参数，通过串口把数据传给WIFI模块，再由WIFI模块上传至服务器。并用手机APP连接服务器，下载数据在手机端显示，从而实现实验人员用手机对培养箱的监控。反之，手机APP的控制信号上传至服务器，即可由单片机进行解析，从而控制单片机外设的工作，实现实验人员通过手机对培养箱的监控与远程控制功能。且该系统还具有自动控制环境变量、固定时间点采集实验数据的功能，可通过IC卡记录实验数据。
MCU模块
本系统的MCU采用IAP15W4K58S4，该芯片具有四路串口，SPI接口，自带ADC、PWM模块，具有46个IO口(LQFP48封装)，自带内部晶振，可达到30MHZ工作频率，且机器周期不分频。该芯片以上参数，足以担任该项目的主控芯片。
在该项目中，本芯片负责采集温度、湿度、CO2浓度值，并将数据通过WIFI模块上传至云端。同时，从云端接收数据并解析，从而修改程序参数，控制电机、舵机等执行器件执行用户发出的控制指令。
监控模块
监控模块采用ufo wifi camera，该模块为家用摄像头模块，可通过手机对其进行网络设置，连上对应网络后，即可通过手机APP进行实时监控。
在微生物培养系统中，本设计还具有显微镜监控系统的功能。在实验过程中，实验人员需要实时监测微生物的生长情况，因此该功能可用手机APP对显微摄像头的拍摄内容进行实时监测。
云服务器
云服务器采用OneNET提供的云服务器作为服务器平台。该云平台提供APP、服务器一站式开发，在OneNET中，可创建设备与应用。单片机可控制WIFI模块将数据上传至OneNET的设备中，OneNET的应用又可从该设备中获取该数据。
OneNET提供一个通用式APP，该APP需利用注册的账号进行登录，该APP可直接映射服务器上的应用，我们的控制界面即是在这个应用中。
用户端
用户端采用OneNET提供的开发接口进行开发，可实现数据采集与显示、操作信息下发至MCU端的功能。
动物培养系统
动物培养系统的系统框架如图2，图中包含了组成该系统的模块，其中各个模块均为与微生物培养系统独立的模块，只存在于动物培养系统中。
其具备的功能和实现原理如下：
1)自动模拟昼夜变化
由于动物生活光照需模拟昼夜变化，故本系统根据光照传感器采集的数据对LED光照系统进行闭环控制，实现亮度趋于大自然的昼夜变化规律的功能。
2)温度控制
当温度与设定值不符时，MCU将会控制红外发射模块控制空调，达到实验室温度趋于实验人员的设定值的目的。
3)监控功能
监控模块通过摄像头实时采集实验室的实验画面，并实时上传至服务器，实验人员可通过手机APP进行查看，及时做出应对措施。
4)自动喂养
实验人员可设定喂养时间间隔。在实验人员启动系统后，系统将会按照实验人员设定的喂养时间间隔，对动物进行自动喂养。
5)通风控制
正常情况下，风扇会模拟自然风的情况工作。当培养环境中的NH3浓度升高时，系统会控制风扇加大功率，尽量保证空气质量的稳定。
6)生命体征监测
多数实验需对动物生命体征进行实时监测，基础生命体征包括体温、心率、体重、运动频率等项目，分别采用对应的传感器采集记录，以便实验人员宏观把控实验内容。
微生物培养系统
微生物培养系统的系统框架如图3，图中包含了组成该系统的模块。其中各个模块均为与动物培养系统独立的模块，只存在于微生物培养系统中。
微生物培养系统结构框图如上所示。其具备的功能和实现原理如下：
1)转速远程控制
通过手机APP可远程设定电机转速，实现培养瓶震荡和翻转速度的智能化控制。本系统的电机采用42步进电机，只要电机负荷不超载，电机的转动速度即恒为单片机驱动信号所对应的速度。
2)温度控制功能
实验人员在开始实验时，可设定一个温度值。系统将会根据实验人员设定的温度值控制温控模块，使生物培养系统的温度趋于设定值。
3)CO2浓度控制功能
在实验人员设定好CO2浓度后系统将会通过CO2浓度传感器实时采集CO2浓度，从而控制CO2加压气瓶的阀门，稳定CO2浓度。
4)显微监测
为了更好地对微生物生长情况进行把控，新增显微监测功能，可将显微镜头采集的数据实时上传至服务器，方便实验人员查看记录。
硬件功能模块
实验记录模块
一张Mifare Classic卡具有16个扇区，每个扇区有4个数据块，其中3个数据块可用于存储数据，每个数据块可存储16个字节的数据，故一张Mifare Classic IC卡的数据存储量为768Byte，而这个容量足以存储一个实验的实验数据，因此实验记录模块以RFID技术为核心。
在培养系统运行的过程中，每隔一个固定时间点，将会自动存储一次实验数据，直到实验完成，数据将保存在培养系统的内存中。实验人员可在培养实验完成后，在培养系统上刷一次卡，培养系统将会把实验数据存储进IC卡中，只需给对应IC卡贴上标签，即可方便实验人员进行数据统计与分析。
视频监控模块
视频监控模块采用ufo wifi camera作为监控摄像头，该摄像头只需通过手机进行简单的配置，即可连上服务器，实现手机APP远程访问摄像头的功能。
电源监控
电源监控采用自主设计的电路来实现，原理图如图4所示；本系统只需提供24V的直流电即可工作，通过R13与D10降压，即可采集24V外界电源是否停电。当24V供电正常时，D9导通，可为整个系统供电，并给备用电池BT1充电。同时单片机的P3.5口将会是高电平。当24V断电时，系统此时由备用电池BT1供电，P3.5由高电平变为低电平，单片机即检测到外部电源消失，向实验人员发出警告。同时经过R11与R14分压，单片机ADC5通道可得到约4.8V的电压，可用于换算备用电池电量。
传感器模块
(1)温、湿度传感器：
本设计采用温湿度二合一传感器模块，可对环境温度、湿度进行采集，并将其转换成数字信号，单片机通过模块自带的通讯协议获取数据。
(2)气体浓度传感器
本设计需要采集的气体为CO2、NH3，这类气体浓度传感器的输出信号为模拟信号，浓度高低由电压的形式体现，故单片机采集传感器回传的电压信号，经过运算，即可得到CO2浓度值。
(3)光照强度传感器
光照传感器采用自主设计的方案，具体方案为恒流源驱动光敏电阻的方案。这样做可以将光敏电阻两端的典雅按照光敏电阻的光照特性曲线反映到电压上，单片机即可进行采集，并按照光照特性曲线还原光照强度信息。电路如图5所示。电路工作原理如下：R7，R4，D1，OP07，R6组成一个恒流源，上电后，电流通过R4与D1流入地端，由于D1正向导通压降为0.7V，故OP07的3号引脚电压为0.7V。R7的存在，令OP07工作在放大区，根据虚短，OP07的2号引脚为0.7V；根据虚断，R7上没有电流，故R5与R6节点的电压恒为0.7V，通过R6与R5的电流恒为0.7V/700Ω＝1mA。该恒流源给R5提供一个恒定1ma的电流，故Sigh引脚输出的电压与光敏电阻成正比，单片机内只需参照光敏电阻的光照特性曲线，即可计算光照强度。
数据分析系统
数据分析系统为独立于培养系统的一个设备。IC卡记录数据后，实验人员可将IC卡分类保存。需要分析数据时，将对应IC卡取出，到分析系统上刷一下，分析系统将把数据读取出来，用液晶显示，并上传至电脑。电脑利用串口助手即可查看实验内容，实验人员可根据串口助手反馈的数据，将数据录入Excel表格，方便实验数据的分析。
微生物培养房特定模块
电机控制
本设计采用42步进电机作为动力源，采用一个驱动器来驱动该电机，可以很方便地对转速、转向以及电机工作状态进行控制。其接线方式如图6所示。其中DIR为电机转向控制，CP为电机转速控制。该控制器有一个拨码开关，决定驱动器细分驱动的细分级别。电机驱动器的特性为CP引脚得到一个脉冲，则步进电机走一个步距角。本设计采用的电机固有步距角为1.8°，本设计采用16分驱动，故驱动器的驱动步距角为0.1125°，故CP引脚得到3200个脉冲数时，电机转动360°。
电机的结构如图7所示。
该结构相比于空气摇床传统结构，可以使微生物与培养液的接触面更广，混合更均匀，使微生物的生长速度更快，节省更多的实验时间。同时，培养瓶中的培养液混合速度也更加可控。
温控模块
半导体制冷片是根据帕帖尔效应制成的一款温控元件。
半导体制冷片作为特种冷源，具有如下特性：
1)不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。
2)半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。
3)半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。
综合上述几点特性，本系统采用半导体制冷片作为微生物培养系统的温控模块。
湿度控制模块
湿度控制方案采用超声波雾化模块，超声雾化是利用超声波定向压强，使液体表面隆起，在隆起的液面周围发生空化作用，从而起到增加空气湿度的目的。单片机通过湿度传感器实时采集空气湿度，与用户设置的湿度值进行比较，从而控制超声波雾化模块的工作，达到恒定湿度的目的。
动物培养房特定模块
红外发射模块(空调控制)：红外发射模块采用单片机驱动特定空调遥控器的编码芯片的方案实现。该方案可稳定工作。
光照控制模块
光照控制模块采用LED作为光源，电路图如图8。PWM信号由单片机提供。由于实验箱需要模拟昼夜变化，故采用PWM的方式驱动LED。其中R8为限流电阻，Q2，Q3组成一个图腾柱电路，可对单片机IO口的电流进行放大，缩短Q4的上升沿与下降沿时间，降低Q4的管耗，从而降低发热量，提高电路的工作效率。C1为LED电源滤波电容，加上该电容可滤除LED的高频频闪，使LED光照更为柔和。本方案可实现无级调节光照强度的功能，更好的模拟昼夜交替的效果。
软件架构和开发环境
APP架构
由于OneNET平台提供的开源接口很丰富，并且技术也已经很成熟，故本设计的APP与云服务器采用OneNET平台提供的开源接口开发。本设计分为两个系统，一个动物培养房系统，一个微生物培养房系统。每个系统具有独立的环境变量与执行机构，故本设计的APP界面也分为两个部分设计。
APP应用界面的左上角提示了市电状态。市电正常时，为一个电池状图标。一旦停电，将会显示插头。APP应用界面的右上角会显示细胞培养箱的工作时间，这样可以方便实验人员了解培养实验的剩余时间。在APP上设置有一个折线图和3个柱状图，在折线图上用户可以看到在一个时间段内，细胞培养箱内的温度、湿度和CO2的浓度的走势；3个柱状图分别直观地显示当前的温度、湿度和CO2的浓度的值。在用户界面上还能显示电机转速和备用电池电量，有了备用电池的电量显示，用户就可以清楚地知道什么时候需要给电池充电，避免市电断电的同时备用电池也没电的情况，防止由于断电的原因导致细胞死亡，实验失败。用户还可以调节界面上的旋钮，自行设定所需的温度、湿度、CO2浓度、电机转速。该应用还具有报警功能，当用户没有查看APP，却出现了断电情况，系统就会自动发送邮件到用户绑定的邮箱，起到警示用户的作用。
动物培养房界面说明：
其设计理念与微生物培养房界面相似，环境监控参数包括NH3浓度、光照强度检测以及温湿度检测，控制参数包括喂食时间间隔、喂水时间间隔、空调温度设定、光照强度调节以及风扇功率，操作方法等同于微生物培养房界面。动物生命体征监测界面显示所检测到的实验动物的实时生命体征指数，包括体温、心率、体重和运动频率，直观地反映动物的身体状况。
本控制系统与手机连接的方式共有蓝牙与WIFI两种方式。蓝牙方式具有局限性，仅限于局域通讯，不能远程通讯。而WIFI通讯只需手机连上互联网，同时WIFI模块也连上互联网，即可实现远距离监控功能。
其余两种通讯方式为系统工作时的内部器件通讯。由于动物培养实验的实验空间是整个房间，故温度控制必须控制空调。本系统提供一个红外发射模块，可根据室温对空调进行控制。IC卡为记录实验数据的标签，在实验完成后，MCU模块会记录整组实验数据，如果实验人员进行刷卡操作，MCU将会通过FM1702把实验数据写入IC卡。实验人员事后可对IC卡进行分类保存，方便后续的实验结果分析。
本设计采用ESP8266进行Wi-Fi通讯的，ESP8266支持透传模式，模块内部已经集成IEEE 802.11系列协议，用户无需再去学习，可直接调用。
采用HC-05蓝牙模块作为蓝牙通讯接口，与手机建立蓝牙连接，可对设备进行操控。RFID为射频通讯模块，采用FM1702作为读写模块，可读写IC卡内容。其中，单片机与FM1702模块进行通讯时，是采用的SPI接口。
Claims (10)
1.一种生物培养智能监控系统，其特征在于，包括MCU、动物培养系统、微生物培养系统、云服务器、RFID模块和无线通信模块；
无线通信模块为WiFi模块和远程通信模块，MCU通过无线通信模块与手机通信连接；远程通信模块为GSM、3G、4G或5G通信模块；
动物培养系统、微生物培养系统、云服务器、RFID模块和无线通信模块均与MCU相连；
微生物培养系统中具有与MCU相连的培养瓶动作模块、温控模块、CO2浓度控制模块和显微监测模块；
其中：
培养瓶动作模块用于通过电机驱动培养瓶震荡和翻转；
温控模块用于通过半导体制冷片控制生物培养系统密闭空间内的温度恒定在预设范围内；
CO2浓度控制模块用于将密闭空间内的CO2浓度稳定在预设范围内；
显微监测模块用于通过显微镜头监视微生物的生长繁殖状态。
2.根据权利要求1所述的生物培养智能监控系统，其特征在于，动物培养系统包括与MCU相连的LED光照控制模块、温度控制模块、监视模块、自动喂养模块、通风控制模块和生命体征监测模块；
其中：
LED光照控制模块用于为动物培养区域提供照明控制；
温度控制模块用于通过空调将动物培养区域的温度控制在预设范围内；
监视模块用于通过摄像头监视动物培养区域；
自动喂养模块用于为动物培养区域内的动物投食；
通风控制模块用于通过NH3监测以及风扇的控制，使得动物培养区域内的NH3浓度低于预设值；
生命体征监测模块用于监测动物培养区域内动物的生命体征。
3.根据权利要求1所述的生物培养智能监控系统，其特征在于，生物培养智能监控系统采用24V直流电源，MCU连接有电源监控电路；
24V直流电源端依次经串联的电阻R13和稳压管D10接地；电阻R13与稳压管D10的连接点即稳压管D10的阴极接MCU的IO端P3.5管脚；
24V直流电源端经二极管D9接电池的正极，电池的负极接地；
由电阻R11和R14串接而成的分压电路与电池并联；电阻R11和R14的连接点与MCU的ADC5端相连；稳压芯片7805的IN端接二极管D9的负极；稳压芯片7805的GND端接地，稳压芯片7805的OUT端依次经串联的电阻R12和稳压管D11接地；电阻R12和稳压管D11的连接点即稳压管D11的阴极接MCU的ADC2端。
4.根据权利要求1所述的生物培养智能监控系统，其特征在于，培养瓶动作模块中，培养瓶设置在两个辊之间并由该两个辊支撑，其中一个辊由受控于MCU的步进电机驱动。
5.根据权利要求1所述的生物培养智能监控系统，其特征在于，LED光照控制模块包括NPN三极管Q2、PNP三极管Q3、N-MOS管Q4和多个同向并联的LED灯；
MCU的PWM信号端经限流电阻R8与Q2的B极相连，Q2和Q3的B极短接，Q2的E极与Q3的E极短接，Q2的C极接LED灯的正极；Q3的C极接地；
Q2的E极接Q4的G极，Q4的D极接LED灯的负极；Q4的S极接地。
6.根据权利要求1所述的生物培养智能监控系统，其特征在于，MCU采用STC单片机IAP15W4K58S4。
7.根据权利要求1所述的生物培养智能监控系统，其特征在于，动物培养系统和微生物培养系统共用一个MCU。
8.根据权利要求1-7任一项所述的生物培养智能监控系统，其特征在于，生物培养智能监控系统的采集的数据上传到云服务器，云服务器允许智能手机访问，以实现通过智能手机监控现场状态。
9.一种生物培养智能监控方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的生物培养智能监控系统实现生物培养监控。
10.根据权利要求9所述的生物培养智能监控方法，其特征在于，MCU采集的数据存储在云服务器上以备智能手机访问，MCU通过无线通信模块与智能手机通信连接，实现远程监控。
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| CN202110057810.0A CN112779159A (zh) | 2021-01-15 | 2021-01-15 | 一种生物培养智能监控系统及方法 |
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