本实用新型涉及电子通讯技术领域，更具体地说，涉及一种基于nb-iot的动物远程监测与神经调控系统。
背景技术：
生物机器人是以生物的神经学原理为基础，通过把微电极植入与生物行为有关的脑部区域或运动感受野，并施加人工模拟编码的生物神经刺激电信号，以此引导或控制生物按照预先设定的轨迹运动。生物机器人相对传统机器人具有更好的续航能力，运动更加灵活精细，具有天然隐蔽性、机动性和复杂环境的自适应性，在人员搜救、灾害预警、情报侦察、军事打击等方面具有广阔的应用前景。
目前飞行生物譬如鸟类机器人对鸟类飞行进行控制主要依靠射频或者gprs无线传输方案，但射频传输距离有限，信号受场地限制；而gprs通讯网络连接可靠性弱、数据传输不稳定且功耗大，并且gprs与gps模块并未集成，导致监控终端体积过大、负载较重、功耗较高，使得二者都无法有效控制鸟类户外远距离的飞行运动，影响了鸟类机器人的进一步研究和应用。
技术实现要素：
有鉴于此，本实用新型的第一个目的在于提供一种基于nb-iot的动物远程监测与神经调控系统，以解决现有的飞行生物机器人传输距离有限、网络连接可靠性弱、数据传输不稳定且功耗大的问题。
为了达到上述第一个目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种基于nb-iot的动物远程监测与神经调控系统，包括：
输出端与动物的脑部运动区域连接以输出刺激电信号的动物监控终端，所述动物监控终端包括用以进行通讯和定位的nb-iot定位通信模块；
与所述动物监控终端经所述nb-iot定位通信模块和nb核心网连接的云平台；
与所述云平台连接的客户端服务器以及与所述客户端服务器连接的用户终端，所述动物监控终端经所述nb-iot定位通信模块将动物运动数据以及位置信息发送至所述云平台，并接收所述云平台转发的所述用户终端下达的刺激指令。
优选地，所述动物监控终端包括：
电源供电模块；
用于对动物的运动数据进行采集的运动数据采集模块；
用于与动物的脑部运动区域连接的恒流刺激模块；
分别与所述电源供电模块、所述运动数据采集模块、所述恒流刺激模块和所述nb-iot定位通信模块连接的主控模块，所述主控模块用以将所述运动数据采集模块采集的运动数据和所述nb-iot定位通信模块的位置信息经nb-iot定位通信模块发送至所述云平台，并根据接收到的所述云平台转发的所述用户终端下达的刺激指令控制恒流刺激模块动作。
优选地，所述运动数据采集模块包括：
用于采集动物的运动方向数据的运动方向采集单元；
用于采集动物的加速度数据的加速度采集单元；
用于采集动物的转向速度数据的转向速度采集单元；
所述运动方向采集单元、所述加速度采集单元、所述转向速度采集单元分别与所述主控模块连接。
优选地，所述运动方向采集单元为三轴陀螺仪，和/或所述加速度采集单元为三轴加速度传感器，和/或所述转向速度采集单元为三轴磁阻传感器。
优选地，还包括用于装载所述动物监控终端的装载背包和与其缝合固定的尼龙搭扣母带，以及一端与所述尼龙搭扣母带搭接且另一端粘接于动物身上的尼龙搭扣子带。
优选地，所述nb-iot定位通信模块为sim7000c芯片。
优选地，所述主控模块为stm32f103rct6芯片，所述stm32f103rct6芯片经usart1串口与所述nb-iot定位通信模块连接，并经tcp协议与所述云平台连接。
优选地，所述用户终端为智能手机、平板电脑、笔记本电脑或台式电脑；
和/或，所述客户端服务器为机架式服务器、刀片式服务器、塔式服务器以及机柜式服务器中的一种或几种。
优选地，所述恒流刺激模块包括：
依次连接的电路工作时电荷总积累量为零的正负双极性压控恒流源电路、刺激绕线、电极转接接口和设于动物脑部运动区域的植入电极，以发送恒流电刺激脉冲至所述植入电极对动物的轨迹运动进行诱导。
优选地，所述正负双极性压控恒流源电路的输出端连接有差分四通道模拟开关，以进行多方位点恒流刺激波形输出。
本实用新型提供的基于nb-iot的动物远程监测与神经调控系统，包括输出端与动物的脑部运动区域连接以输出刺激电信号的动物监控终端，动物监控终端包括用以进行通讯和定位的nb-iot定位通信模块；与动物监控终端经nb-iot定位通信模块和nb核心网连接的云平台；与云平台连接的客户端服务器以及与客户端服务器连接的用户终端，动物监控终端经nb-iot定位通信模块将动物运动数据以及位置信息发送至云平台，并接收云平台转发的用户终端下达的刺激指令。
上述技术方案提供一种飞行动物远程监测与神经调控系统，与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
1、在降低传输功耗和远距离控制方面，采用基于蜂窝的低功耗、广覆盖、传输远、海量连接的nb-iot(窄带物联网)通讯技术代替传统的gprs进行控制终端与云平台的无线数据传输，实现了动物运动行为的长距离、低功耗的控制目标；
2、为了尽量减轻动物的负载重量，设计了高度集成的通信与定位于一体的nb-iot定位通信模块，有效改进了整个控制终端的重量和体积；
3、为了便于集群式控制系统的扩展，选用云平台作为监控终端与客户端数据传输服务的中转站，接收客户端服务器指令下达以及各用户终端数据的上传，通过相应的接口协议进行数据的存储和转发，为后续的大规模接入提供了基础条件。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例提供的一种基于nb-iot的动物远程监测与神经调控系统的结构框图；
图2为本实用新型实施例提供的动物监控终端的结构框图；
图3为本实用新型实施例提供的动物与动物监控终端的安装结构示意图。
附图中标记如下：
动物监控终端11、云平台12、客户端服务器13、用户终端14；
nb-iot定位通信模块21、微处理器22、运动数据采集模块23、电源供电模块24、恒流刺激模块25；
三轴陀螺仪231、三轴加速度传感器232、三轴磁阻传感器233；
电极转接接口251、刺激绕线252。
具体实施方式
本实用新型实施例公开了一种基于nb-iot的动物远程监测与神经调控系统，以解决现有的生物机器人传输距离有限、网络连接可靠性弱、数据传输不稳定且功耗大的问题。
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1-图3，图1为本实用新型实施例提供的一种基于nb-iot的动物远程监测与神经调控系统的结构框图；图2为本实用新型实施例提供的动物监控终端的结构框图；图3为本实用新型实施例提供的动物与动物监控终端的安装结构示意图。
在该具体实施例中，本实用新型的基于nb-iot的动物远程监测与神经调控系统，包括：
输出端与动物的脑部运动区域连接以输出刺激电信号的动物监控终端11，动物监控终端11包括用以进行通讯和定位的nb-iot定位通信模块21；动物监控终端11与动物优选为通过粘接或者通过植入体内的方式进行固定，可以理解的是，动物监控终端11的输出端植入动物脑部运动区域或运动野并施加人工模拟编码的生物神经刺激信号，以对生物的运动轨迹进行引导或控制。
动物监控终端11的个数为多个，以便于集群式控制系统的扩展，各动物监控终端11均分别通过nb-iot定位通信模块21和nb核心网与云平台12连接，动物监控终端11包括主控模块和与主控模块连接的nb-iot定位通信模块21，nb-iot定位通信模块21集成通讯功能和定位功能，以降低动物监控终端11的重量和体积，减轻动物的负载重量，其中，nb-iot定位通信模块21可设置为sim7000c芯片，可根据需要设置nb-iot定位通信模块21的具体结构。
云平台12与动物监控终端11经nb-iot定位通信模块21和nb核心网连接；
与云平台12连接的客户端服务器13以及与客户端服务器13连接的用户终端14，动物监控终端11经nb-iot定位通信模块21将动物运动数据以及位置信息发送至云平台12，并接收云平台12转发的用户终端14下达的刺激指令，nb-iot定位通信模块21与nb核心网连接。
其中，云平台12可设置为onenet云平台12，以作为动物监控终端11和客户端服务器13的数据传输中转站，接收客户端指令下达以及各控制终端数据的上传，通过相应的接口协议进行数据的存储和转发，为后续的大规模接入提供了基础条件。
动物监控终端11将动物的运动数据以及通过nb-iot定位通信模块21得到的位置信息经nb核心网发送至云平台12，云平台12将上述信息发送至客户端服务器13，用户终端14与服务器连接以接收动物运动数据和位置信息，同时将刺激指令发送至客户端服务器13，并依次经云平台12和nb核心网传输至nb-iot定位通信模块21，动物监控终端11根据接收的刺激指令控制输出刺激电信号至动物，以对其轨迹运动进行引导。
应用本实用新型提供的动物远程监测与神经调控系统，通过nb-iot定位通信模块21集成通讯功能和定位功能，动物监控终端11通过nb-iot定位通信模块21和nb核心网连接云平台12，云平台12连接客户端服务器13，用户终端14与客户端服务器13连接以实现与动物监控终端11的数据交互，动物监控终端11根据用户终端14发送的刺激指令对动物的脑部的运动区域或运动野进行刺激，以对动物的运动轨迹进行引导或控制。上述系统采用基于蜂窝的低功耗、广覆盖、传输远、海量连接的nb-iot(窄带物联网)通讯技术代替传统的gprs进行控制终端与云平台12的无线数据传输，实现了动物的长距离、低功耗的控制目标；同时nb-iot定位通信模块21集成通信与定位一体，有效改进整个控制终端的重量和体积。
具体的，动物监控终端11包括：
电源供电模块24；
用于对动物的运动数据进行采集的运动数据采集模块23；
用于与动物的脑部运动区域连接的恒流刺激模块25；
分别与电源供电模块24、运动数据采集模块23、恒流刺激模块25和nb-iot定位通信模块21连接的主控模块，主控模块用以将运动数据采集模块23采集的运动数据和nb-iot定位通信模块21的位置信息经nb-iot定位通信模块21发送至云平台12，并根据接收到的云平台12转发的用户终端14下达的刺激指令控制恒流刺激模块25动作。
电源供电模块24为主控模块供电，主控模块与其他模块连接以为其提供电源，电源供电模块24可设置为锂电池。运动数据采集模块23可对动物的运动数据进行采集，如飞行时间、飞行距离、飞行速度和方向等，可通过设置传感器实现，如设置加速度传感器对飞行速度进行采集。恒流刺激模块25包括设置在动物脑部运动区域的刺激电极，对其进行恒流电刺激时，需预先设置单通道或双通道恒流电刺激脉冲的各参数，包括脉冲频率、脉冲宽度、脉冲强度以及脉冲串中的脉冲个数。
进一步地，运动数据采集模块23包括：
用于采集动物的运动方向数据的运动方向采集单元；
用于采集动物的加速度数据的加速度采集单元；
用于采集动物的转向速度数据的转向速度采集单元；
运动方向采集单元、加速度采集单元、转向速度采集单元分别与主控模块连接。
其中，运动方向采集单元为三轴陀螺仪231，和/或加速度采集单元为三轴加速度传感器232，和/或转向速度采集单元为三轴磁阻传感器233，在其他实施例中，可根据需要设置运动方向采集单元、加速度采集单元和转向速度采集单元中的一种或几种，同时对其具体形式不作限定，均在本实用新型的保护范围内。
在该具体实施例中，还包括用于装载动物监控终端11的装载背包和与其缝合固定的尼龙搭扣母带，以及一端与尼龙搭扣母带搭接且另一端粘接于动物身上的尼龙搭扣子带。装载背包为背部负载方式，将其设置在动物的背部，整个装载背包重量约为20克，以便于飞行动物进行承载，如鸽子。同时，为了确保动物在运动过程中动物监控终端11的固定，通过尼龙搭扣母带和尼龙搭扣子带搭接的方式进行固定。以飞行动物为鸽子为例进行说明，具体步骤为：
选择鸽子背部合适区域(不影响鸽子翅膀的收拢以及飞行过程的扇翅行为)，剪去羽毛，仅保留2mm左右的羽轴，在该区域涂ab胶，厚度不超过1mm，然后将尼龙搭扣的子带背侧涂ab胶后与鸽子背部进行贴合，待ab胶固化后将缝合在尼龙搭扣母带上的背包固定于鸽子背部；同时，为了保证鸽子适应远距离负载飞行，首先对鸽子的负重飞行进行负重飞行训练，训练时设计的模拟背包与本实用新型涉及的监控终端尺寸一致，重量略大于该装置，在30g左右。为使鸽子充分适应背负的重物，进行放飞实验的鸽子从开始训练，模拟背包一直固定于鸽子背部，整个训练周期在2周以上；完成负重训练的鸽子在进行首次野外放飞实验时，同时选取同鸽群中一只未加负载的鸽子进行伴飞，以保证鸽子能够顺利安全的返回鸽舍。
在该具体实施例中，nb-iot定位通信模块21为sim7000c芯片，sim7000c是在高通mdm9206平台上开发的e-mtc和nb-iot模块，可以支持包括lte-tdd/lte-fdd/gsm/gprs等多个频段的通信，硬件接口包括sim卡、uart、gpio、adc等可扩展的外部串口，软件接口支持包含tcp/ip、http/ftp、udp、ppp等网络传输协议，外部电路包括电源供电电路、开/关机电路、网络状态指示电路以及复位电路等；另外，sim7000c芯片还提供全球导航卫星系统gnss定位，集成有gps/glonass/bd多种定位系统，通过将三种导航系统原始观测数据通过格式/时间/坐标/伪距的组合转换后输出全部或部分混合定位数据。
sim7000c芯片命令的实现是通过at指令下发的，在一个具体实施例中，主控模块为微处理器22，微处理器22采用stm32系列的f103rct6芯片，通过串口usart1与nb-iot定位通信模块21连接通信。
监控终端上电后，stm32f103rct6向串口发送at指令对nb网络进行初始化；随后通过tcp协议与onenet云平台12建立连接；下发at指令开启gnss定位功能，每秒更新位置信息，每3秒向onenet云平台12发送心跳包，并且做计数处理，每5秒将位置信息与运动数据打包成数据帧发送给云平台12，云平台12收到打包内容后以心跳包的形式作为回复；当微处理器22的心跳包计数大于5时，向nb-iot定位通信模块21发送at指令关闭tcp连接和移动场景；当客户端服务器13接收到云平台12发送的数据包后，经过解析处理将信息动态更新在用户终端14界面，之后重复此过程。
具体的，用户终端14为智能手机、平板电脑、笔记本电脑或台式电脑；
和/或，所述客户端服务器13为机架式服务器、刀片式服务器、塔式服务器以及机柜式服务器中的一种或几种。
在上述各实施例的基础上，恒流刺激模块25包括：
依次连接的电路工作时电荷总积累量为零的正负双极性压控恒流源电路、刺激绕线252、电极转接接口251和设于动物脑部运动区域的植入电极，以发送恒流电刺激脉冲至植入电极对动物的轨迹运动进行诱导。
恒流刺激模块25采用正负双极性压控恒流源电路，使得电路工作时电荷总积累量为零，避免鸽子植入电极位置由于电荷积累造成脑神经组织损坏的可能。恒流刺激模块25通过dac端口与微处理器22相连，包括：仪表放大器芯片ad620、集成运算放大器op37以及外围相关电路，其具体的电路结构可参考现有技术进行设置。在±15v双电源模式下，正负双极性压控恒流源电路输出的电流经过差分四通道模拟开关扩展到4个通道，实现多方位点的恒流刺激波形输出。
进一步地，正负双极性压控恒流源电路的输出端连接有差分四通道模拟开关，以进行多方位点恒流刺激波形输出，动物监控终端11当鸽子受到实时有序的单通道恒流电信号刺激时，分别向左、向右、向前、向后四个方向运动；当受到实时有序的双通道恒流电刺激时分别向左前、右前方向运动，其中左前并发式双通道控制是由前向与左向控制单通道同时输出恒流电刺激信号实现，而右前并发式双通道是由前向与右向控制单通道同时输出恒流电刺激信号实现。
在一种具体的实施方式中，以动物为鸽子为例进行说明，该系统包括动物监控终端11、onenet云平台12、客户端服务器13和用户终端14。动物监控终端11包括nb-iot定位通信模块21，飞行动物监控终端11通过nb-iot定位通信模块21以及nb核心网，与onenet云平台12进行通讯连接和数据互动，用于将动物监控终端11采集的鸽子飞行数据以及位置信息通过nb-iot通信方式发送至onenet云平台12，以及接收云平台12存储转发的用户终端14下达的刺激指令。
onenet云平台12分别与动物监控终端11以及客户端服务器13通信连接，用于接收监控终端采集的飞行数据以及位置信息，并上传至客户端服务器13；用户终端14与客户端服务器13相连，通过调用百度地图实时显示鸽子的运动轨迹和飞行状态；当鸽子偏离飞行轨迹时，onenet云平台12接收用户终端14以及客户端服务器13下达的刺激指令，并转发至动物监控终端11，产生模拟的神经刺激恒流电信号控制鸽子的向左、向右、向前、向后等方位的运动转向。
动物监控终端11通过nb-iot定位通信模块21以及nb核心网，与onenet云平台12建立socket连接；客户端服务器13通过restfulapi访问云平台12。
首先，动物监控终端11开启后，先通过nb核心网向onenet云平台12发送连接请求，云平台12响应后与动物监控终端11建立连接，并将连接后的动物监控终端11的编号经过客户端服务器13发送到用户终端14的客户端界面，显示已经准备就绪的工作状态；
其次，用户通过客户端界面选择准备就绪的监控终端，设置恒流电刺激脉冲的参数，并向动物监控终端11下达刺激指令，刺激指令的相关数据先封装成数据包，再通过restfulapi接口传送至onenet云平台12，然后onenet云平台12经过解析获取数据后，通过nb核心网向动物监控终端11传送edp协议下的数据包，动物监控终端11接收并解析数据包后产生恒流电刺激脉冲，刺激鸽子位于中脑被盖区的丘间核与半环隆枕脑区的神经位点，诱导鸽子做出向左、向右、向前、向后等方位的运动转向；
最后，监控终端将采集的鸽子运动的位置信息以及飞行数据通过nb-iot定位通信模块21以及nb核心网，上传到onenet云平台12，云平台12存储并将数据转发到客户端服务器13，经过解析处理后，位置信息以及飞行数据将实时显示在客户端界面的百度地图中，从而实现位置信息的动态更新。
当鸽子偏离预设的飞行轨迹时，用户可以根据当前获得的飞行数据和位置信息，选取相应的恒流电刺激脉冲参数，并再次向监控终端下达刺激指令，诱导鸽子做出相应的运动转向，回到预设的飞行轨迹上来，这样既保留鸽子一定的自主飞行意识，又能人为施加干预，引导或控制鸽子按照预先设定的轨迹运动。
本实用新型提供的系统，采用nb-iot定位通信模块21进行控制终端与云平台12的远程无线通信，相比传统的gprs技术，降低了传输功耗，实现了动物运动行为的长距离、低功耗的控制目标；
其次，采用了高度集成的定位与通信于一体的nb-iot定位通信模块21，有效改进了整个控制终端的重量和体积，尽量减轻了动物的负载重量；
最后，为了便于集群式控制系统的扩展，选用onenet云平台12作为监控终端与客户端数据传输服务的中转站，接收客户端指令下达以及各控制终端数据的上传，通过相应的接口协议进行数据的存储和转发，为后续的大规模接入提供了基础条件。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
1.一种基于nb-iot的动物远程监测与神经调控系统，其特征在于，包括：
输出端与动物的脑部运动区域连接以输出刺激电信号的动物监控终端，所述动物监控终端包括用以进行通讯和定位的nb-iot定位通信模块；
与所述动物监控终端经所述nb-iot定位通信模块和nb核心网连接的云平台；
与所述云平台连接的客户端服务器以及与所述客户端服务器连接的用户终端，所述动物监控终端经所述nb-iot定位通信模块将动物运动数据以及位置信息发送至所述云平台，并接收所述云平台转发的所述用户终端下达的刺激指令。
2.根据权利要求1所述的基于nb-iot的动物远程监测与神经调控系统，其特征在于，所述动物监控终端包括：
电源供电模块；
用于对动物的运动数据进行采集的运动数据采集模块；
用于与动物的脑部运动区域连接的恒流刺激模块；
分别与所述电源供电模块、所述运动数据采集模块、所述恒流刺激模块和所述nb-iot定位通信模块连接的主控模块，所述主控模块用以将所述运动数据采集模块采集的运动数据和所述nb-iot定位通信模块的位置信息经nb-iot定位通信模块发送至所述云平台，并根据接收到的所述云平台转发的所述用户终端下达的刺激指令控制恒流刺激模块动作。
3.根据权利要求2所述的基于nb-iot的动物远程监测与神经调控系统，其特征在于，所述运动数据采集模块包括：
用于采集动物的运动方向数据的运动方向采集单元；
用于采集动物的加速度数据的加速度采集单元；
用于采集动物的转向速度数据的转向速度采集单元；
所述运动方向采集单元、所述加速度采集单元、所述转向速度采集单元分别与所述主控模块连接。
4.根据权利要求3所述的基于nb-iot的动物远程监测与神经调控系统，其特征在于，所述运动方向采集单元为三轴陀螺仪，和/或所述加速度采集单元为三轴加速度传感器，和/或所述转向速度采集单元为三轴磁阻传感器。
5.根据权利要求1所述的基于nb-iot的动物远程监测与神经调控系统，其特征在于，还包括用于装载所述动物监控终端的装载背包和与其缝合固定的尼龙搭扣母带，以及一端与所述尼龙搭扣母带搭接且另一端粘接于动物身上的尼龙搭扣子带。
6.根据权利要求1所述的基于nb-iot的动物远程监测与神经调控系统，其特征在于，所述nb-iot定位通信模块为sim7000c芯片。
7.根据权利要求2所述的基于nb-iot的动物远程监测与神经调控系统，其特征在于，所述主控模块为stm32f103rct6芯片，所述stm32f103rct6芯片经usart1串口与所述nb-iot定位通信模块连接，并经tcp协议与所述云平台连接。
8.根据权利要求1所述的基于nb-iot的动物远程监测与神经调控系统，其特征在于，所述用户终端为智能手机、平板电脑、笔记本电脑或台式电脑；
和/或，所述客户端服务器为机架式服务器、刀片式服务器、塔式服务器以及机柜式服务器中的一种或几种。
9.根据权利要求2-4、7任一项所述的基于nb-iot的动物远程监测与神经调控系统，其特征在于，所述恒流刺激模块包括：
依次连接的电路工作时电荷总积累量为零的正负双极性压控恒流源电路、刺激绕线、电极转接接口和设于动物脑部运动区域的植入电极，以发送恒流电刺激脉冲至所述植入电极对动物的轨迹运动进行诱导。
10.根据权利要求9所述的基于nb-iot的动物远程监测与神经调控系统，其特征在于，所述正负双极性压控恒流源电路的输出端连接有差分四通道模拟开关，以进行多方位点恒流刺激波形输出。
技术总结