一种基于物联网的动物体重实时获取称量系统

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，具体而言，涉及一种基于物联网的动物体重实时获取称量系统。

背景技术

非人灵长类实验动物在动物房饲养过程需要按照相关管理标准定期对非人灵长类实验动物进行体重称量，便于了解非人灵长类实验动物的大体健康状况，进而通过饮食、营养调配以保持动物健康。当前的做法基本是直接通过技术员用手/肩扛起转移笼，将非人灵长类实验动物转入转移笼后再将转移笼及非人灵长类实验动物放入电子秤上进行称量，尤其是在非人灵长类实验动物数量较多情况下，不仅工作效率低同时还耗费大量人力物力且劳动力大，且只能对实验动物逐只称量。

目前市面上绝大多数的体重称是利用压力传感器。秤体支撑部位传感器内部的电阻应变片会由于压力作用，造成部分形变，改变了应变片内的电阻长度及电路有效载流面积，继而导致了电阻应变片内部电阻电路阻值的变化，当电路的被接入直流恒压电源后，根据欧姆定律，整体电路中的电流值与电路电阻值之间存在反比关系，两者乘积在数值上等于恒压电源电压值。当置物平台被放置重物后，物体的重量使应变片电阻值产生变化，导致电路电流发生变化，通过一定倍数的放大电路将电流放大，种种方法都无法做到远程网络读取，需要现场通过仪表或显示器读数统计，更无法做到批量的实时统计。

综上，现有技术存在如下缺陷：

第一，环境变动小，无需动物转移

传统的非人灵长类实验动物体重称量，是利用转移笼，将实验动物从饲养笼转移至体重秤上进行称量，此过程通常需要经实验动物驱逐至转移笼内，移至称量室，再送回饲养笼，非人灵长类实验动物通常应用于脑科学领域，观察其认知及行为等，通过分析进行科学研究，环境的变化会使实验动物受到一定程度的刺激，会对实验数据的真实性产生影响。

第二，模块化设计，方便更换损坏部件

传统的体重秤为一体化封装，发生故障损坏后，只能报废处理，更换新品使用，由于非人灵长类动物好动，善于探索，对事物好奇的天性，当体重秤被破坏或尿液渗入后，极易损坏，其中仍可使用的部件也只能跟随整体进行报废，产生了大量的电子废品，对环境产生了极大的危害。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于物联网的动物体重实时获取称量系统，以至少解决现有需对动物体转移才可以测量其体重的技术问题。

根据本发明的实施例，提供了一种基于物联网的动物体重实时获取称量系统，包括：体重传感器、通信芯片、物联网平台；其中：

用户在终端设备上使用小程序与物联网平台进行通信；体重传感器、通信芯片、物联网平台依次通信连接；

体重传感器将体重数据传递至通信芯片，通信芯片接入互联网并将体重数据发送给物联网平台；物联网平台接收到体重数据后，通过内设的规则引擎，将体重数据传递至对应端口，使用者通过小程序，获取相应端口信息；小程序内置代码，将端口信息转换为相应时间及体重数据；使用者通过相应时间及体重数据计算出实验动物预设时间内的体重数据。

进一步地，通信芯片包括ESP8266数据板，ESP8266数据板为NodeMCU开发板；ESP8266数据板的引脚均引出来配合USB转串口芯片，使其能够进行快速开发；ESP8266数据板既是WIFI通信芯片，也做业务处理。

进一步地，ESP8266数据板被配置为：先将编写好的程序烧录进ESP8266数据板，程序中包含连接WiFi及连接监听物联网平台信息的代码；ESP8266数据板通电后，便自行连接网络，其上自带LED被指定为网络状态灯，此时LED常亮表明正在初始化并连接网络，5秒后，LED熄灭表明网络连接正常，初始化正常。

进一步地，当小程序接收到物联网平台转发的消息内容为"thing.service.Weight"时，会通过小程序内部代码，将信息转化为时间信息及体重数据，如有需求，计算出不同时段的体重。

进一步地，体重传感器与STM32通信，STM32与ESP8266数据板通信。

进一步地，小程序为微信小程序，微信小程序被配置为：

加入身份验证模块，需判断使用者是否具有操作权限，并设置有状态提示，当显示“连接服务器成功”，表明当前小程序的物联网状态可用；通过MQTT协议接收"thing.service.Weight"信息，由物联网平台内自设服务器接收。

进一步地，物联网平台包括阿里云物联网平台，通信芯片通过MQTT传输协议与阿里云物联网平台进行通信。

进一步地，物联网平台向下支持连接海量设备，采集设备数据上云；向上提供云端API，服务端可通过调用云端API将指令下发至设备端。

进一步地，物联网平台通信分为上行通信和下行指令，上行通信为设备通过MQTT协议与物联网平台建立长连接，上报数据到物联网平台，下行指令为物联网平台通过MQTT协议，使用Publish发送数据到设备端；其中：

物联网平台提供的Topic具有发布及订阅属性，发布属性的Topic需设置为小程序上行通信通道，订阅属性的Topic需设置为ESP8266数据板获取下行指令通道；从上行通信传输到物联网平台的消息不会自动转发到下行指令中，需要对物联网平台编写SQL数据流转转发规则，将上行通信信息自动转发给下行指令。

进一步地，体重传感器包括全桥式电阻应变式悬臂梁压力传感器。

本发明实施例中的基于物联网的动物体重实时获取称量系统，体重传感器将体重数据传递至通信芯片，通信芯片接入互联网并将体重数据发送给物联网平台；物联网平台接收到体重数据后，通过内设的规则引擎，将体重数据传递至对应端口，使用者通过小程序，获取相应端口信息；小程序内置代码，将端口信息转换为相应时间及体重数据；使用者通过相应时间及体重数据计算出实验动物预设时间内的体重数据。该称量系统可以安装在非人灵长类动物疾病模型认知能力实验装置中，在实验动物日常生活的过程中，在实验动物不知不觉中就可以获取实验动物的体重数据，不需要对实验动物进行转移，避免了驱逐、转移及环境变化等对实验动物产生的刺激。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明基于物联网的动物体重实时获取称量系统的系统框图；

图2为本发明基于规则引擎的M2M设备间通信图；

图3为本发明中NodeMCU的引脚图；

图4为本发明中体重传感器的电路图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明在非人灵长类动物实验装置及转运箱的基础上，设计了动物体重实时获取称量系统。无需将实验动物进行转移，在实验动物日常生活活动时，即可实时需要获取实验动物体重数据，并通过一段时间内实验动物的体重变化趋势，可以侧面反映分析实验动物的健康状况，该系统允许实验动物在熟悉的场景下自由活动，不强迫动物转移，不干扰实验动物日常生活，排出人为及环境干扰，保证数据的准确。该称量系统可以安装在非人灵长类动物疾病模型认知能力实验装置中，在实验动物日常生活的过程中，在实验动物不知不觉中就可以获取实验动物的体重数据，不需要对实验动物进行转移，避免了驱逐、转移及环境变化等对实验动物产生的刺激。

本发明欲解决的问题有三个主要特征：1.实现超长距离的物联网操控，突破局域网限制或距离限制，体重测量系统接入互联网，无论实验人员在任何位置，接入互联网均可远程读取体重；2.模块式设计，可单独接入互联网并执行功能，并可单独拆除；3.可批量读取并可随时查看。

本发明采用模块化设计，包括承重平台、远程无线控制访问网络、计算机系统、基于Arduino控制的微控制系统、全桥式电阻应变式悬臂梁压力传感器(体重传感器)。本发明基于ESP8266芯片、计算机系统、基于Arduino控制的微控制系统、全桥式电阻应变式悬臂梁压力传感器，模块添加式物联网远程实验动物体重测定系统及执行方法，执行效率高，3V安全电压控制，无触电风险，作为模块设置并加装，体积小，具有远程化、集成化、准确化、实时化等多重优势。该系统可避免对现有科学实验装置进行改造，扩大了适用范围，远程操作节省了人力物力。其成本远低于传统的体重秤，部件均可进行替换，避免了整体报废，更换简单，环境友好，体重数据能够被远程查看。

本发明能够作为模块添加，且能够不论距离及数量，只要接入网络就可以远程批量查看动物体重的测定系统及执行方法。该系统主要包括：微信小程序客户端、物联网平台、ESP8266开发板、体重传感器。系统框图如图1所示。

首先，体重传感器会将体重数据传递至ESP8266数据板，ESP8266接入互联网并发送给阿里云物联网平台，阿里云物联网平台接收到信息后，通过设定的M2M规则引擎，会将信息传递至对应端口，使用者通过微信小程序，获取相应端口信息，微信小程序内置代码，会将端口信息转换为相应时间及体重数据，便可计算出实验动物一定时间内的体重。

从ESP8266到物联网平台，优选为阿里云物联网平台，再到微信小程序，通过MQTT传输协议进行通信，微信小程序内置代码，体重传感器通过数据线直连ESP8266开发板，下面结合附图对每个子模块进一步说明。

模块一，在设计微信小程序时，加入身份验证模块，需判断使用者是否具有操作权限，并设置有状态提示，当显示“连接服务器成功”，表明当前小程序的物联网状态可用。通过MQTT协议接收"thing.service.Weight"信息，由物联网平台内自设服务器接收。

模块二，物联网平台是一个集成了设备管理、数据安全通信和消息订阅等能力的一体化平台。向下支持连接海量设备，采集设备数据上云；向上提供云端API，服务端可通过调用云端API将指令下发至设备端，实现远程控制。使用物联网平台实现设备完整的通信链接，需要自行完成设备端的设备开发、云端服务器的开发、数据库的创建、手机操控App的开发。在设备和服务器开发中，需完成设备消息的定义和处理逻辑。物联网平台通信分为上行通信和下行指令，上行通信是指设备通过MQTT协议与物联网平台建立长连接，上报数据(通过Publish发布Topic和Payload)到物联网平台，下行指令为物联网平台通过MQTT协议，使用Publish发送数据(指定Topic和Payload)到设备端。物联网平台提供的Topic具有发布及订阅属性，发布属性的Topic需设置为小程序上行通信通道，订阅属性的Topic需设置为ESP8266开发板获取下行指令通道。从上行通信传输到物联网平台的消息不会自动转发到下行指令中，需要对物联网平台编写SQL数据流转转发规则，将上行通信信息自动转发给下行指令，如图2所示。

模块三，单独的ESP8266模块(开发板)只充当WIFI通信模块的作用，只做消息转发不做业务处理，体重传感器与STM32通信，STM32再与ESP8266模块通信。本例所使用的ESP8266为NodeMCU开发板，市面有成品销售，NodeMCU本质就是把ESP8266的引脚都引出来，配合USB转串口芯片，使其能够进行快速开发，使用NodeMCU，省去了STM32转接环节，体重传感器与WiFi芯片直接相连，此时ESP8266芯片既是WIFI通信芯片，也做业务处理，NodeMCU的引脚如图3所示。先将编写好的程序烧录进ESP8266开发板，程序中包含连接WiFi及连接监听物联网平台信息的代码，开发板通电后，便自行连接网络，开发板上自带LED被指定为网络状态灯，此时LED常亮表明正在初始化并连接网络，约5秒后，LED熄灭表明网络连接正常，初始化正常。当微信小程序接收到物联网平台转发的消息内容为"thing.service.Weight"时，会通过小程序内部代码，将信息转化为时间信息及体重数据，如有需求，也可计算出不同时段的体重。

模块四，全桥式电阻应变式悬臂梁压力传感器：其之所以能作为质量——电量的转换元件，是基于金属丝在受拉或受压后会发生弹性变形，其电阻值也随之产生相应的变化这一物理特性实现的。全桥式电阻应变式悬臂梁压力传感器使用方法见图4，其A端固定在底面不动，B端上部安装置物台，实验动物置于台面上，会对B端产生一个向下的压力，压力传感器内电阻应变片的金属丝承受外力作用发生弹性变形时，它的长度、截面积以及电阻率均会发生相应变化。此时其电阻相对变化为在钢制传感器主体结构上，成对地在纵向和横向上贴有R1，R2，R3，R4共4个电阻应变片，它们组成一个全桥式测量电路，如图4所示。图中A、C两点接入激励电压U，本发明采用直流稳压电源供电，B、D两点为输出端，工作时将输出电信号U0。这种桥式测量电路，可以灵敏地测量10-3～10-6量级的微小电阻值变化。由于电阻应变片组成的桥式电路是平衡的，传感器受到压力时，电阻应变片的电阻变化会引起电桥的不平衡，从而输出电信号，该信号与物体的质量(mg)成正比。可以实现质量—电量信号之间的线形变换。

本发明的关键点和欲保护点至少为：

1.一种模块添加式物联网远程实验动物体重测定方案，包括4个部分：微信小程序、物联网平台、ESP8266开发板、压力传感器。

2.本发明中的微信小程序，使用任何软件、支付宝小程序或使用物联网平台后台直接发送数，均属于本发明的保护范围。

3.本发明中的物联网平台，使用其他物联网平台、服务器、自设服务器及局域网内网关控制，以及任何形式可进行数据传输、发送、转发的设计，均属于本发明的保护范围。

4.本发明中的ESP8266开发板，使用其他任何品牌具有逻辑运算、程序执行、网络数据收发功能的单片机或计算机系统，均属于本发明的保护范围。

5.本发明中的压力传感器，使用其他任何工作原理及形式的用以获取压力数据仪器及设备均属于本发明的保护范围。

6.本发明中的模块添加式物联网远程动作执行系统及执行方法，其中任何一个模块替换成其他具有类似功能的模块，均属于本发明的保护范围。

7.本发明执行动作包括但不限于：非人灵长类体重数据的采集，其他任何动物的体重数据，及物体重量的变化数据采集，例如检测液体使用、损耗、利用重量测量等，均属于本发明的保护范围。

本发明与现有技术相比，具备以下优点：

第一，实现超长距离的物联网操控，突破局域网限制或距离限制，体重测量系统接入互联网，无论实验人员在任何位置，接入互联网均可远程读取体重。

第二，模块式设计，可单独接入互联网并执行功能，并可单独拆除。

第三，可批量读取并可随时查看。

本发明经过实物实地测试及验证，可以实现本发明所述功能，结果符合预期，能够在实际环境中使用并大量推广。本发明除了可以远程液体测定，还可以用于其他远程定性或定量测定行为。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。