基于MLX90615的猪耳挂式体温监测系统设计

段练达 施云波 丛大为

摘要：本文介绍了一种基于使用GY-MCU90615红外体温传感器和NodeMCU控制器设计的耳挂式传感器节点，使用中国移动Onenet平台作为云平台的非接触式猪体温检测系统的设计方案。该系统可以实现远程、实时的监控猪体温。系统的传感器节点以猪耳挂为外形，并以测得猪耳温为测量目标。得益于红外传感器的高精度（±0.02℃）测量特性与云平台的互联特性，该系统不仅可以降低饲养员平时工作的强度，还能较为准确、及时地向管理员报告猪的当前体温、并在猪体温异常时发出异常警报，以便饲养员及时应对、减少损失，在实际生产中有良好的应用前景。

关键词：猪耳温监测；红外测温；Onenet；MLX90615；NodeMCU

1.引言

在生猪养殖行业中，体温是猪的基本生理指标之一，如果猪只的体温出现异常，表明猪的生理机能被扰乱[1]。本系统的耳挂式耳温测量节点通过采集耳腔和骨膜的红外辐射转化为温度值，并上传到云平台作进一步处理。与传统的使用水银温度计测量的方案相比，红外测量具有安全、快速、简便、精度高的优势。

2.红外耳温计测温的基本原理

生物的体温控制主要由大脑的下视丘器官来完成，该器官关于耳朵最为接近。耳 朵的温度会随着机体温度的变化而发生变化[2]。得益于耳朵内部为封闭区域，我们得以在受外界影响较小的情况下，通过测量猪耳道与骨膜的红外辐射强度来获得猪的体温信息。红外辐射的能量密度与温度之间满足斯蒂芬-玻尔兹曼辐射定律[3]：

公式（1）阐述了单位表面积所发射的辐射功率与物体辐射率、斯蒂芬-玻尔兹曼阐述σ、物体的热力学温度T之间的关系。可见物体的辐射功率与物体的热力学温度成正比，所以只需要知道物体的辐射功率，就可以推算出物体的热力学温度T。

红外传感器的基本结构是一个串联的热电偶结构。芯片衬底上放置冷接头、薄膜上放置热接头。薄膜吸收红外辐射后会产生微弱的电信号。由公式（1）表述的原理，红外传感器的输出信号为：

其中A是器件的总体敏感度，与传感器的设计有关。T0与Ta分别为目标物体的热力学温度和环境的热力学温度，单位均为K。

3.系统整体设计

红外传感器通过测量目标物体的红外辐射强度获得猪的当前体温，传感器将测得的温度数据通过串口发送到主控芯片。在主控芯片将温度数据打包成Onenet云平台规定的报文格式后，将报文通过串口发送给WiFi模块，WiFi模块使用TCP/IP协议向服务器发送数据报信息。云平台通过解析报文中的数据流对应身份信息，对不同测量目标的测量参数进行更新、用户可通过移动终端访问云平台应用中的信息，对被测对象的测量参数进行实时检测。管理员通过设置触发器的阈值，用户可以在测量值异常时获得通知，及时处理异常。系统整体结构如图1所示：

4.硬件部分设计

整个系统的硬件部分分为三部分。其中传感器选用了MLX96015红外传感器。主控模块和WiFi模块集成与NodeMCU开发板上，NodeMCU是一个开源的可以运行脚本的微控制器，直接支持WiFi链接和GPIO，而且成本低廉，十分适合物联网开发。其核心采用ESP-8266模块，该模块集中了一款32位的超低功耗MCU，支持IEEE802.11b/g/n协议，拥有完善的TCP/IP协议栈与丰富的接口，可以挂载多种类型的传感器。ESP-8266模块在作为Wi-Fi模块的同时，还可以同时作为主控模块使用，不需要额外的单片机用作主控模块，极大缩减了电路体积。电源模块采用中顺芯公司生产的的3.7V 600mAh 602530聚合物锂电池，由于在NodeMCU开发板上集成了LM317稳压芯片，该芯片可以将节点的输入电压稳定在3.3V，以保证传感器节点的正常运行。测温节点的硬件结构图如图2所示：

4.1控制器部分

由于本设计將ESP-8266模块同时作为控制器，和WiFi发射模块，我们在ESP-8266模块中烧录Arduion-WiFi固件实现从串口获取传感器数据与将数据打包发送的功能。得益于该固件，程序员可以快速地实现网络传输的功能。

4.2Onenet云平台部分

数据的接收与进一步处理、呈现在Onenet云平台上完成。Onenet云平台是中移物联网推出的针对物联网应用的开发平台、具有易用免费的特点，Onenet平台作为PaaS层，致力于为SaaS层和IaaS层提供连接的桥梁，向上向下都分别提供了中间层的服务，为各种跨平台的应用提供了方便的接入、存储、计算、可视化等服务。用户可以通过网页和移动端App对已发布的应用进行访问，可以通过电子邮件接收来自云平台的提醒，该平台的强大功能能很好满足本次设计的应用需求。

5.软件设计

5.1程序设计

控制器使用SMBus协议[4]与传感器模块进行通讯，以读取在MLX90614的RAM中储存的温度数据。若使用Data表示存储在MLX90615中的原始数据，则体温Temp可以使用公式Temp=0.02×Data-273.15获得，读取后的温度值随后被缓存在主控模块的数据缓冲区中，以备接下来封装成报文进行传输。

我们可以使用Get协议实现从云平台对传感器节点进行控制的操作，只需要在对控制器对应的数据流进行更改，然后使传感器节点向云平台发送Get协议报文来获取该数据流中的当前信息，再根据该信息的内容做相应操作即可。具体的做法是更改数据发送至云平台的时间间隔，以降低节点的能耗。也可以是提升发送数据的频率来增强监测的实时性。此外我们可以使用Post协议向云平台的数据流中发送数据。

表中post协议的含义是向PIG01数据流中添加一个新的数据点，值为27.5。报文中的Content-Length项所指的长度是报文内容的长度，该项是云平台检验差错的一部分，不能出错。get协议的含义是从名为Switch的数据流中获取数据，数据可以是特定的符号，控制器可以根据该信息做特定的动作。

5.2云平台应用设计

云平台的应用设计包括几个主要部分：生成设备的秘钥号码、确定数据流的名、设计用户界面。进一步的，可以设计条件触发器，触发器的功能在于当测量值满足一定条件时向用户发送警告信息。

使用传感器对一目标物体进行测量，云平台数据呈现界面图3所示：

我们设置触发器的阈值为35，让传感器节点测量温度高于35℃的物体，当传感器节点测得数据超过35时用户会收到一封邮件作为提醒，邮件内容截图如图4所示：

6 结束语

由于在猪的生长过程中异常情况的突发性，传统的测量方式已经不能满足及时报告异常的需求，本设计通过将非接触红外测量与物联网云平台应用于猪体温的监测，相对于传统的人工测量方法，在测量的精度、速度上有显著的优势。该测量方案减轻了人力劳动，能够及时对猪生长的异常情况进行报告，能够减少损失是在上生产上具有良好的应用前景。接下来将对降低节点的功耗、提升节点的工作时间与对节点进行更好的封装做进一步的研究。

参考文献：

[1] 张巧平.基于体温检测的猪疾病判断方法 [J]. 现代农业科技. 2011（20）.

[2] 郑煜. 生理学[M]. 成都：四川大学出版社，2005.

[3] [美]万兹蒂（R·Vanzetti）著，张守一等 译. 红外技术的实际应用[M]. 科学出版社，1981.

[4] 崔健，鲁志平.SMBus协议分析及其在双MCU通讯中的应用[J].微计算机信息，2004（06）：99-100.