穿戴式猪用心电监测系统设计
准确高效地实时监测猪个体信息有利于分析猪的生理、健康和福利状况,是实现猪福利化健康生产的基础[1-4]。猪的健康程度直接影响着食品安全[5]。猪的心电和心率数据异常是猪疾病的重要指征[6-7]。目前,我国养猪业中尚未有能够实际应用的猪心电信号连续、自动监测系统。
本文针对猪躯体结构特点,并结合无线传感器网络技术,基于心电传感器芯片BMD101,设计了一套猪用心电监测系统。该系统能够实时、连续、自动监测猪心电信号,并运用Mallat算法对猪心电信号进行滤波处理;基于心电数据可推演出猪心率变化,为实现猪健康饲养、猪行为分析、母猪分娩预测模型的建立奠定基础。
1 穿戴式猪用心电监测系统总体架构
依据目前猪的限位栏饲养模式,穿戴式猪用心电监测系统由心电监测节点、网关节点、中心服务器、Web端(采用Struts2、Spring、Hibernate框架开发),以及移动端APP(采用安卓开发)构成。系统整体结构如图1所示。
图1 穿戴式猪用心电监测系统示意图Fig.1 The diagram of wearable electrocardiogram(ECG) monitoring system
其中,心电监测节点由低功耗心电监测芯片BMD101和CC2430无线通信模块构成。无线传感器网络移植ZigBee协议栈[8]。网关节点采集无线传感器网络中各心电监测节点的数据,并通过以太网将监测结果转发给中心服务器。中心服务器负责对猪心电数据滤波、存储、管理、远程发布等。为方便兽医和饲养员高效地使用猪心电数据,系统提供移动端APP。本文重点阐述猪用心电监测系统中的心电监测节点的设计以及心电数据的滤波。
2 穿戴式猪用心电监测节点设计
图2 心电传感器节点框图Fig.2 ECG node sensor structure
穿戴式猪用心电监测节点由3大模块组成:作为微处理器与无线通信模块的CC2430,心电监测模块BMD101,以及电源供电模块。穿戴式猪用心电传感器节点组成框图如图2所示。
2.1 心电监测节点硬件设计
2.1.1 心电节点电源设计 纹波是叠加在直流电源上的小幅度交流信号,纹波的存在会使所采集的心电数据产生误差,在考虑纹波情况下,心电监测节点电源的傅里叶展开式如式(1)[9]所示:
图3 节点电源模块Fig.3 Node power module
为使测量的猪心电信号达到最佳,降低心电节点的电源纹波,针对猪的身体结构特点,对于心电节点电源采用低压差线性稳压器(low dropout regulator,LDO),其工作于完全的负反馈方式,因此其电源抑制比开关电源要优秀很多,尤其在小信号处理电路采用LDO串联供电,都能取得不错效果[9]。根据BMD101的芯片数据手册可以知道,BMD101的工作电压是3.3 V(3.),而CC2430的工作电压为2～3.6 V。因此选用作为LDO芯片,该芯片具有固定电压3.3 V输出,能够为BMD101心电监测芯片和CC2430提供可靠的低纹波工作电选?2 V是的输入电压要求,基于此要求心电监测节点供电采用7.4 V的锂电池。心电节点电源模块原理图如图3所示。
2.1.2 心电数据感知与射频模块设计 心电采集芯片采用NeuroSky公司的心电检测和处理芯片BMD101,该芯片具有先进的模拟前端电路,配有固化的数字信号处理模块。在测量心电信号时只需在猪体表粘贴2个心电电极片即可实现猪心电信号的测量。BMD101可以采集从μV到mV的生物信号,并且具有极低的系统噪声和可控增益,因此可以有效地检测到生物信号。BMD101内置16位高精度数模转换器,能够将感知到的猪心电信号转化为芯片能够处理的数字信号。BMD101模拟前端有检测感应器脱落的电路,当猪心电电极片脱落时,可以实现自动监测。并且该芯片低电流消耗为0.8 mA,能使穿戴式心电设备达到低功耗要求。
SoC芯片CC2430作为心电节点的控制器和无线传感器网络的射频模块。射频模块是无线通信功能的载体,关键是高频微带天线的设计。CC2430芯片采用一个非平衡天线,并使用双端口差分信号,达到射频信号输入和输出的目的,射频模块使用巴伦电路,实现从双端口到单端口的转变[10]。CC2430与BMD101的电路原理图如图4所示。
图4 BMD101与无线射频模块原理图Fig.4 Schematic diagram of BMD101 and wireless radio frequency(RF)module
图4的CC2430射频模块电路原理图中,巴伦电路组成由8.2和1.8 nH的2个阻抗匹配电感,射频收发模块是由1个22 nH的电感和1个5.8 pF电容组成。
心电节点通过2个电极片来采集猪心电信号,心电监测节点电极片采用钧康凝胶型心电电极片,其型号是JK-1(A-H)。该电极片被广泛应用于人体心电图机、心电监护仪、动态心电记录仪等设备,用来采集人体体表心电信号。为防止猪心电节点在使用过程中脱落,电极片贴在猪的体表时电极片采用医用级压敏胶。
上一篇：实验性脂肪肝出血综合征患鸡生理参数变化
下一篇：没有了
