摘 要：本文中笔者基于MSP430低功耗单片机控制的奶牛生理状态监测系统对奶牛生理状态监测原理、2.4G无线模块做星状网络、GPRS模块数据上传方案等进行详细的说明。经实践可知此系统具有低成本、高精度等特点，在NRF24L012.4G模块的应用方面具有创新性。该系统在对奶牛生理状态监测时，既关注奶牛的健康状况，又着重监测奶牛的妊娠期，并将数据无线发送到工作人员的手机客户端和办公显示屏上，从而可以在一定程度上减轻奶牛场工作人员的工作量，提高奶牛妊娠期的监测效率，扩大奶牛场的经济效益。
关键词：MSP430；GPRS；NRF24L01；无线发送；妊娠期
中图分类号：TP274；TP368.1 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）03-0195-02
The Physiological State Monitoring System of Dairy Cow Based on
Single Chip Microcomputer
XU Xuan，LANG Chaoxian，QIU Da，PENG Xinghe，ZHANG Yong
（School of Information Engineering of Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China）
Abstract：In this paper，the physiological state monitoring system of dairy cows based on MSP430 low-power microcontroller is used to monitor the physiological status of dairy cows、2.4G wireless module makes star network，GPRS module data uploading scheme and so on. According to the practice，this system has the characteristics of low cost and high accuracy，and it has an innovative application in the application of NRF24L012. When the cows physiological status monitoring，this system is focused on the health of the dairy cow and focus on monitoring the cow"s pregnancy，and the data are sent to the staff"s mobile APP and office display screen，which can reduce the workload of the dairy farm workers to a certain extent，improve the monitoring efficiency of the cow"s pregnancy and expand the economic benefits of the dairy farm.
Keywords：MSP430；GPRS；NRF24L01；wireless communication；pregnancy
0 引 言
牛奶是生活中必不可少的營养品，提高奶牛牛奶的产量成为商家比较关注的问题。影响奶牛产奶量的关键因素有两个：一是奶牛的生理状况是否健康，二是饲养员能否较为准确的判断奶牛的发情期。目前，对奶牛的发情期判断一般还是由人工来进行，效率较低。若是能利用物联网技术通过计算机判断发情期，并对奶牛的生理状况进行检测和提醒，可以提高工作效率，在一定程度上提高产量，同时也减少工厂工人的数量，为工厂节约成本。本文中笔者设计的奶牛生理状态检测系统，可对每头奶牛的生理状况进行实时检测，并对发情期做出较准确的判断。然后通过2.4G无线模块发送到上位机做提醒和处理，使工作人员能够及时发现奶牛的异常，并及时验证和处理。
1 系统硬件设计原理
该系统的下位机以MSP430f149单片机为核心处理器。
下位机通过非接触式红外测温传感器MLX90614模块采集奶牛的体温，以判断奶牛体温是否正常；使用SON1205脉搏传感器采集奶牛的心跳，再经过MSP430f149单片机对数据进行判断和处理；下位机处理好的数据通过NRF24L01无线传输到上位机。上位机以MSP430F149处理器为核心，通过NRF24L01扫频接收数据，并将处理判断后的发情期情况、体温是否正常等数据显示到显示屏上。然后由GSM发送到云端。若有异常，上位机会发出警报声，并发送拨打电话给工作人员的指令，图1为系统框图。
2 NRF24L01扫频接收功能实现
2.1 NRF24L01初始化步骤
2.2 NRF24L01扫频方案的实现
上位机在设置接收模式后，按照一定规律，不断调整RF_CH寄存器的数值，从而改变上位机的接收频率，最多可设置125个频率点。从机则按照不同的编号设置相应的调整通信频率，并控制寄存器SETUP_RETR，设置自动发送次数，以防止出现信息接收遗漏的情况。NRF24L01在平坦地段收发半径最大可扩展近2公里，经过试验验证，主机在设置成扫频模式后接收半径在400m以上，达到功能设计要求。
3 模块介绍
3.1 NRF20l01+PA模块
此模块工作频率段为2.4～2.5GHzISM频段，采用键控方式进行调制解调并且内置有频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和SPI模块[1-3]。一次可以无线传输32个数据，通讯速率10bps；距离上该模块在空旷的地方传输距离为2000m左右，地势较为颠簸的地方有效距离小于1000m；NRF24L01抗干扰较强，低辐射，耐高温，温度范围为-40～85℃；NRF24L01模块最大的特点是具有6个通道，且在2.4G到2.5G之间的频道进行通信，共125个频道，为实现一对多的扫频收发提供了可能性。为此，设计该系统时，上位机利用NRF24L01扫频接受负责监测奶牛生理状况的从机的数据。
3.2 GPRS模块
GPRS的传输速率从56K到114Kbps不等，理论速度最高达171k，实际测试的下传速度在25K左右。相对于GSM9.6kbps的访问速度而言，GPRS拥有更快的访问数据通信速度，GPRS技术还具有在任何时间、任何地点都能实现连接，永远在线，按流量计费等特点。GPRS模块，是具有GPRS数据传输功能的GSM模块。普通计算机或者单片机可以通过RS232串口与GPRS模块相连，通过AT指令控制GPRS模块实现各种基于GSM的通信功能。本系统中，上位机单片机控制GSM通过http请求发送数据到Java Web服务器；Java Web将数据存储到MySql数据库。手机客户端通过http get请求向服务器请求数据，并接受服务器传来的json包，解析并显示到手机客户端上。
3.3 脉搏心率传感器
该系统选用一款开源的心率传感器pulse sensor。该传感器本质是一个带有放大和消噪功能的光学放大器，通过佩戴在奶牛手指末端或者耳垂等毛细血管末端来检测血液量的变化，从而得到实时心率。该传感器只有三根线，分别为电源、地和信号线，信号线输出模拟信号，然后通过比较器转换为方波，比较器的主要功能是指出兩个输入电压CA0和CA1的大小关系，然后输出CAOUT的值。如果CA0>CA1，则CAOUT=1，否则CAOUT=0。参与的两个电压CA0和CA1可以外部或者内部调整基准电压，使任意组合成为可能[4]。
3.4 MLX90614红外测温模块
MLX90614模块是一组通用的红外测温模块。在出厂前该模块已进行校验及线性化，具有非接触、体积小、精度高、成本低等优点。被测目标温度和环境温度能通过单通道输出，有两种输出方式：PWM输出、可编程SMBus输出，适于多种应用环境。
4 结 论
本设计以MSP430单片机为主控制器，通过2.4G无线模块和GPRS进行无线数据通信。下位机负责奶牛生理状态的监测和判断，并通过2.4G无线模块发送到上位机，上位机整合数据通过GPRS模块发送到Java Web服务器，最终显示到工作人员的客户端上，若奶牛的温度和心率严重失常，上位机将控制蜂鸣器警报，并发送拨打工作人员电话的指令以及时提醒前来救助。
参考文献：
[1] 于乐，苏新彦，姚金杰.基于nRF24L01的无线水声信号传输 [J].火控雷达技术，2015（3）：65-68.
[2] 黄智伟，朱卫华.2.4GHZ单片射频nRF24L01收发芯片 [J].世界电子元器件，2007（3）：26-38.
[3] 徐金馗，周曲，颜国正.基于nRF2401芯片的微型图像采集系统 [J].测控技术，2006（11）：32-34.
[4] 王金成.基于MSP430的奶牛发情期监测器的设计 [D].南京：南京信息工程大学，2008：46.
作者简介：许璇（1995-），男，湖北恩施人，本科。研究方向：通信工程、智能控制、物联网；通信作者：邱达（1984-），男，工程师。研究方向：智能控制。