专利名称：一种间接测量动物能量代谢率的装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种间接测量动物能量代谢率的装置与方法，属于电子技术、动物医学和行为生态研究领域。
背景技术：
单位时间内动物的能量消耗称为能量代谢率。能量代谢受肌肉活动的影响最大。肌肉剧烈活动时的能量代谢率将比安静时的能量代谢率显著提高。通过测量能量代谢率，能够测量动物在不同行为状态的能量使用规律，特别是远距离运动过程中的能量使用策略。此外，能量代谢率还能够在一定程度上度量人或动物的精神活动，如由于精神紧张而使肌肉紧张，从而导致能量代谢率显著增高。对于动物(特别是野生动物)的能量代谢通常采用间接测量方法一二氧化碳产生和氧气消耗量，这种方法复杂且不便实施。近年来出现的新方法是采用植入动物体内的植入体测量心率，然后以经验公式估计能量代谢率。
发明内容
发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明采用的技术方案为:
一种间接测量动物能量代谢率的装置，其特征在于:包括心电采集部分、地理定位部分和主控部分；
所述心电采集部分包括:心电采集电极，用于采集动物的心电信号；心电信号放大器；低通滤波器；带阻滤波器;AD转换器，用于把放大滤波后的心电信号转换为数字信号，存在存储器中；
所述地理定位部分包括定位模块，用于实现接收来自卫星的定位信号，从而获知当前的地理坐标，海拔高度及时间信息；
所述主控部分包括:数据记录模块:记录动物所处的地理信息和心电信号；USB接口模块:用于实现把存储芯片中的数据送入计算机或接收计算机的命令；蓝牙模块:用于实现与后台计算机进行无线通信，把存储芯片中的数据送入计算机或接收计算机的命令；人机交互模块:用于接收操作命令和实现信息显示；控制器模块:接收定位模块的地理信息、接收心电的数字化信号、接收人机交互模块的数据、给数据记录模块发送命令使其进行数据记录、通过USB接口模块和计算机进行数据交换；
其中，所述心电采集电极、心电信号放大器、低通滤波器、带阻滤波器、AD转换器依次连接后，连接于控制器模块；所述定位模块、数据记录模块、USB接口模块、蓝牙模块、人机交互模块分别与控制器模块连接。所述的一种间接测量动物能量代谢率的装置，其特征在于:所述心电信号放大器、低通滤波器、带阻滤波器、AD转换器、定位模块、数据记录模块、USB接口模块、蓝牙模块、人机交互模块、控制器模块安装在一块电路板上，所述电路板通过尼龙粘扣固定于被测量的动物背部； 所述心电采集电极采用分别粘贴的方式固定于被测量的动物身体上。
所述的一种间接测量动物能量代谢率的装置，其特征在于:所述心电采集电极采用表面电极，材料为铜质镀银薄片；和/或，所述心电采集电极的测量方式为标准I导联方式。所述的一种间接测量动物能量代谢率的装置，其特征在于:所述心电信号放大器分为信号跟随部分和信号放大部分；所述信号跟随部分采用高输入阻抗运放放大器组成的电压跟随器；所述信号放大部分采用两级放大，包括第一级和第二级，第一级采用高输入阻抗、高共模抑制比的差分放大电路或集成仪用放大电路；第二级采用运算放大器组成比例放大电路；所述第一级和第二级增益均可调。所述的一种间接测量动物能量代谢率的装置，其特征在于:所述数据记录模块采用EEPROM存储芯片或SD卡进行数据存储；和/或，所述定位模块采用GPS定位接收模块。所述的一种间接测量动物能量代谢率的装置，其特征在于:所述低通滤波器，采用运放组成二阶有源低通滤波器，截止频率为250Hz ;和/或，所述带阻滤波器，采用运放组成双T型带阻滤波器。所述的一种间接测量动物能量代谢率的装置，其特征在于:所述AD转换器，采用12位及12位以上分辨率的转换芯片，采样频率为4KHz ;和/或，所述USB接口模块为串行口转USB接口芯片。所述的一种间接测量动物能量代谢率的装置，其特征在于:所述人机交互模块包括按键和发光二极管；和/或，所述控制器模块采用单片机。本发明还提供了一种间接测量动物能量代谢率的方法， 包括以下步骤，
步骤(I):初始化间接测量动物能量代谢率的装置；
步骤(2):开始定时器中断；
步骤(3):接收和记录定位信息；
步骤(4):定时时间到，接收心电信息；
步骤(5):心电信息数字滤波；
步骤(6):记录心电信号；
步骤(7):判断试验是否结束，若未结束，则重复步骤(3)至步骤(6);若结束，则进入步骤(8)；
步骤(8):实验结束，获取记录数据；
步骤(9 ):在后台计算机分析和处理数据，获取能力代谢率等有关数据。所述的一种间接测量动物能量代谢率的方法，其特征在于:所述步骤(6)中“心电信息数字滤波”包括:肌电信号滤波，动物在运动过程中肌电信号对心电信号的干扰很大，通过肌电信号滤波去除肌电信号对心电信号的干扰，获得无肌电信号干扰的心电信号。有益效果:本发明提供的一种间接测量动物能量代谢率的装置与方法，通过此装置与方法，科研人员可以分析动物运动过程中的能量代谢率、能量代谢率与运动轨迹的关系、能量代谢率与运动速度的关系、动物情绪与运动轨迹的关系等等提供有力地支持；可以记录动物在运动迁徙过程中的心电参数，经过计算可以获得动物的能量代谢率；可以记录动物迁徙运动的路线；可以动物运动速度；通过本发明获取的数据为研究动物个体或群体的飞行迁移中能量代谢率、能量代谢率与运动轨迹和速度的关系、动物迁徙规律、迁徙路线、运动导航等提供有力地支持，为展开动物医学研究、保护动物、保护自然环境等做出有益的贡献。
图1是本发明中间接测量动物能量代谢率的装置示意 图2是本发明中间接测量动物能量代谢率的方法流程图。图中:心电采集电极1、心电信号放大器2、低通滤波器3、带阻滤波器4、AD转换器
5、定位模块6、数据记录模块7、USB接口模块8、蓝牙模块9、人机交互模块10、控制器模块
11、电池供电模块12。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作更进一步的说明。如图1所示，为一种间接测量动物能量代谢率的装置，包括心电采集部分、地理定位部分和主控部分；
所述心电采集部分包括:心电采集电极1，用于采集动物的心电信号；心电信号放大器2 ;低通滤波器3 ;带阻滤波器4 ;AD转换器5，用于把放大滤波后的心电信号转换为数字信号，存在存储器中；
所述地理定位部分包括定位模块6，用于实现接收来自卫星的定位信号，从而获知当前的地理坐标，海拔高度及时间信息；
所述主控部分包括:数据记录模块7，记录动物所处的地理信息和心电信号；USB接口模块8，用于实现把存储芯片中的数据送入计算机或接收计算机的命令；蓝牙模块9，用于实现与后台计算机进行无线通信，把存储芯片中的数据送入计算机或接收计算机的命令；人机交互模块10，用于接收操作命令和实现信息显示；控制器模块11，接收定位模块的地理信息、接收心电的数字化信号、接收人机交互模块的数据、给数据记录模块发送命令使其进行数据记录、通过USB接口模块和计算机进行数据交换；
另外，还包括电池供电模块12，用于给上述各模块提供电源；由锂电池、DC-DC及稳压模块构成；
其中，所述心电采集电极1、心电信号放大器2、低通滤波器3、带阻滤波器4、AD转换器4依次连接后，连接于控制器模块11 ;所述定位模块6、数据记录模块7、USB接口模块8、蓝牙模块9、人机交互模块10分别与控制器模块连接。所述心电信号放大器2、低通滤波器3、带阻滤波器4、AD转换器5、定位模块6、数据记录模块7、USB接口模块8、蓝牙模块9、人机交互模块IO、控制器模块11、电池供电模块12安装在一块电路板上，所述电路板通过尼龙粘扣固定于被测量的动物背部；所述心电采集电极采用分别粘贴的方式固定于被测量的动物身体上。所述心电采集电极I采用表面电极，材料为铜质镀银薄片；和/或，所述心电采集电极的测量方式为标准I导联方式。所述心电信号放大器2分为信号跟随部分和信号放大部分；信号跟随部分采用高输入阻抗运放放大器组成的电压跟随器；信号放大部分采 用两级放大，第一级采用高输入阻抗、高共模抑制比的差分放大电路或集成仪用放大电路，放大倍数约为10倍；第二级采用运算放大器组成比例放大电路，放大倍数约160倍；两级总放大倍数为1600倍左右；第一级和第二级增益均可调；
所述数据记录模块7采用EEPROM存储芯片或SD卡进行数据存储；和/或，所述定位模块6采用GPS定位接收模块。所述低通滤波器3，采用运放组成二阶有源低通滤波器，截止频率为250Hz ;和/或，所述带阻滤波器4，采用运放组成双T型带阻滤波器，主要用于滤除50Hz信号。所述AD转换器5，采用12位及12位以上分辨率的转换芯片，采样频率为4KHz ;和/或，所述USB接口模块为串行口转USB接口芯片。所述人机交互模块10包括按键和发光二极管；和/或，所述控制器模块采用单片机。如图2所示，为一种间接测量动物能量代谢率的方法，包括以下步骤，
步骤(I):初始化间接测量动物能量代谢率的装置；
步骤(2):开始定时器中断；
步骤(3):接收和记录定位信息；
步骤(4):定时时间到，接收心电信息；
步骤(5):心电信息数字滤波；
步骤(6):记录心电信号； 步骤(7):判断试验是否结束，若未结束，则重复步骤(3)至步骤(6);若结束，则进入步骤(8)；
步骤(8):实验结束，获取记录数据；
步骤(9 ):在后台计算机分析和处理数据，获取能力代谢率等有关数据。所述步骤(6)中“心电信息数字滤波”包括:肌电信号滤波，动物在运动过程中肌电信号对心电信号的干扰很大，通过肌电信号滤波去除肌电信号对心电信号的干扰，获得无肌电信号干扰的心电信号。本发明在实验结束后，可以从动物身上取下，通过USB接口获取存储模块中的数据；也可以直接通过蓝牙模块以无线方式获取存储模块中的数据。本发明获得运动轨迹方法是:通过每秒I次记录地理坐标。本发明获得运动速度的方法是:通过运动轨迹的两点差和时间差进行计算。本发明获得心率分方法是:通过分析心电波形，获取心电波形中的峰值数和时间差来计算。一、装置安装方式
把由心电信号放大器2、低通滤波器3、带阻滤波器4、AD转换器5、定位模块6、数据记录模块7、USB接口模块8、蓝牙模块9、人机交互模块10、控制器模块11、电池供电模块12组成的装置用无害强力胶粘贴在尼龙粘扣的刺面上；把尼龙粘扣的毛面用无害强力胶粘贴在动物背部；把尼龙粘扣的毛面和刺面粘合，固定好本发明装置。把心电采集电极I用导电胶和医用胶粘贴在动物皮肤上。把用连接导线把上述两部分连接。本实施例采用的动物为鸽子。二、装置实施方式 实施如下:心电采集电极I铜质镀银薄片表面电极，一片粘贴于鸽子尾部皮肤，作为参考电极；一对表面电极粘贴于鸽子背部靠近心脏位置，分别接入运放放大器的“+”和输入端；
心电信号放大器2:本实施例采用运放AD8267及其外围电路做为电压跟随电路；仪用放大电路AD8259及外围电路作为第一级放大，Rg=4.7K，放大倍数约10倍；运放L324及其外围电路作为第二级放大，放大倍数约160倍。低通滤波器3:本实施例运放L324及其外围电路组成二阶有源滤波器，截止频率设定在250Hz。带阻滤波器4:本实施例运放L324及其外围电路组成带阻滤波器，陷频率设定在50Hz。AD转换器5:本实施例采用控制器模块单片机MSP430F427内置的12位AD转换器。电采集电极1、心电信号放大器2、低通滤波器3、带阻滤波器4、AD转换5依次连接后，连接于控制器模块单片机MSP430F427的模拟信号输入引脚。定位模块6:接收来自卫星的定位信号，从而获知当前的地理坐标信息。本实施例采用ST-93 GPS接收模块。其输出引脚连接至单片机MSP430F427的串行口。数据记录模块7:记录动物所处的地理信息和心电信号。本实施例采用MX25L3205D EEPROM芯片；其引脚与单片机MSP430F427 SIP串行口连接。USB接口模块8:用于和后台计算机通信，本实施例采用PL2303，连接于单片机MSP430F427 的 Pl.0 和 Pl.1 口线。蓝牙模块9:用于和后台计算机无线通信，本实例采用HC-07蓝牙模块，连接于单片机 MSP430F427 的 Pl.6 和 Pl.7 口线。人机交互模块10接收人的操作命令和显示信息给人。本实施例采用红色两个发光二极管和两个按键，分别连接至单片机的Pl.2、Pl.3、Pl.4、Pl.5引脚脚。控制器模块11:接收定位模块的地理信息和心电信号；给数据记录模块发送命令使其进行数据记录；通过USB接口模块和计算机进行数据交换；本实施例采用单片机MSP430F427及其外围电路。电池供电模块:12:由锂电池和稳压模块构成。本实施例采用标称3.7VIOOOmah的锂聚合物电池及XC6206P332组成，给其他模块提供3.3V的直流电源。本实施例可供本发明装置工作15小时以上。本实施例的工作原理如下:当电池供电模块11开启后，控制器模块10初始化其他模块和定时器，定时频率4K Hz ;从串口每接收到一个地理信息，即存入存储模块；当定时时间到后采样一次心电信号并滤波和记录，重复以上两项工作直至结束。当动物归巢后取下本发明装置，通过USB接口获取记录的数据并进行分析；或者通过蓝牙模块9以无线方式获得记录的数据并进行分析。本发明能够测量心率，并同时记录运动轨迹和速度的装置，最后通过无线方式把数据传给计算机供科研人员分析，为研究动物个体或群体的飞行或迁移中能量代谢率、能量代谢率与运动轨迹、运 动速度的关系等提供了一种工具。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。
权利要求
1.一种间接测量动物能量代谢率的装置，其特征在于:包括心电采集部分、地理定位部分和主控部分； 所述心电采集部分包括:心电采集电极，用于采集动物的心电信号；心电信号放大器；低通滤波器；带阻滤波器;AD转换器，用于把放大滤波后的心电信号转换为数字信号，存在存储器中； 所述地理定位部分包括定位模块，用于实现接收来自卫星的定位信号，从而获知当前的地理坐标，海拔高度及时间信息； 所述主控部分包括:数据记录模块:记录动物所处的地理信息和心电信号；USB接口模块:用于实现把存储芯片中的数据送入计算机或接收计算机的命令；蓝牙模块:用于实现与后台计算机进行无线通信，把存储芯片中的数据送入计算机或接收计算机的命令；人机交互模块:用于接收操作命令和实现信息显示；控制器模块:接收定位模块的地理信息、接收心电的数字化信号、接收人机交互模块的数据、给数据记录模块发送命令使其进行数据记录、通过USB接口模块和计算机进行数据交换； 其中，所述心电采集电极、心电信号放大器、低通滤波器、带阻滤波器、AD转换器依次连接后，连接于控制器模块；所述定位模块、数据记录模块、USB接口模块、蓝牙模块、人机交互模块分别与控制器模块连接。
2.根据权利 要求1所述的一种间接测量动物能量代谢率的装置，其特征在于:所述心电信号放大器、低通滤波器、带阻滤波器、AD转换器、定位模块、数据记录模块、USB接口模块、蓝牙模块、人机交互模块、控制器模块安装在一块电路板上，所述电路板通过尼龙粘扣固定于被测量的动物背部；所述心电采集电极采用分别粘贴的方式固定于被测量的动物身体上。
3.根据权利要求1所述的一种间接测量动物能量代谢率的装置，其特征在于:所述心电采集电极采用表面电极，材料为铜质镀银薄片；和/或，所述心电采集电极的测量方式为标准I导联方式。
4.根据权利要求1所述的一种间接测量动物能量代谢率的装置，其特征在于:所述心电信号放大器分为信号跟随部分和信号放大部分；所述信号跟随部分采用高输入阻抗运放放大器组成的电压跟随器；所述信号放大部分采用两级放大，包括第一级和第二级，第一级采用高输入阻抗、高共模抑制比的差分放大电路或集成仪用放大电路；第二级采用运算放大器组成比例放大电路；所述第一级和第二级增益均可调。
5.根据权利要求1所述的一种间接测量动物能量代谢率的装置，其特征在于:所述数据记录模块采用EEPROM存储芯片或SD卡进行数据存储；和/或，所述定位模块采用GPS定位接收模块。
6.根据权利要求1所述的一种间接测量动物能量代谢率的装置，其特征在于:所述低通滤波器，采用运放组成二阶有源低通滤波器，截止频率为250Hz ;和/或，所述带阻滤波器，采用运放组成双T型带阻滤波器。
7.根据权利要求1所述的一种间接测量动物能量代谢率的装置，其特征在于:所述AD转换器，采用12位及12位以上分辨率的转换芯片，采样频率为4KHz ;和/或，所述USB接口模块为串行口转USB接口芯片。
8.根据权利要求1所述的一种间接测量动物能量代谢率的装置，其特征在于:所述人机交互模块包括按键和发光二极管；和/或，所述控制器模块采用单片机。
9.一种间接测量动物能量代谢率的方法，包括以下步骤， 步骤(I):初始化间接测量动物能量代谢率的装置； 步骤(2):开始定时器中断； 步骤(3):接收和记录定位信息； 步骤(4):定时时间到，接收心电信息； 步骤(5):心电信息数字滤波； 步骤(6):记录心电信号； 步骤(7):判断试验是否结束，若未结束，则重复步骤(3)至步骤(6);若结束，则进入步骤(8)； 步骤(8):实验结束，获取记录数据； 步骤(9 ):在后台计算机分析和处理数据，获取能力代谢率等有关数据。
10.根据权利要求9所述的一种间接测量动物能量代谢率的方法，其特征在于:所述步骤(6)中“心电信息数 字滤波”包括:肌电信号滤波，动物在运动过程中肌电信号对心电信号的干扰很大，通过肌电信号滤波去除肌电信号对心电信号的干扰，获得无肌电信号干扰的心电信号。
全文摘要
本发明公开了一种间接测量动物能量代谢率的装置与方法，装置包括心电采集部分、地理定位部分和主控部分；心电采集部分包括心电采集电极，用于采集动物的心电信号；心电信号放大器；低通滤波器；带阻滤波器；AD转换器；地理定位部分包括定位模块；主控部分包括:数据记录模块；USB接口模块；蓝牙模块；人机交互模块；控制器模块。本发明提供的间接测量动物能量代谢率的装置与方法，能够测量心率，并同时记录运动轨迹和速度的装置，最后通过无线方式把数据传给计算机供科研人员分析，为研究动物个体或群体的飞行或迁移中能量代谢率、能量代谢率与运动轨迹、运动速度的关系等提供了一种工具。
文档编号A61B5/00GK103142214SQ20131005453
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月21日 优先权日2013年2月21日
发明者刘小峰, 刘玉宏, 蒋爱民, 徐宁, 周小芹 申请人:河海大学常州校区