基于STM32的仔豬智能恒溫保育箱的設計

宗振海，王雅萍，陳智慧

（南京農業大學工學院，江蘇南京 210031）

基于STM32的仔豬智能恒溫保育箱的設計

宗振海，王雅萍，陳智慧

（南京農業大學工學院，江蘇南京 210031）

通過對仔豬保育期內溫度數據的分析，采用理論分析和試驗研究相結合的方法，設計出一套恒溫保育箱控制系統。系統以STM32為主控芯片，根據溫度傳感器采集的信息，通過神經網絡算法驅動執行機構工作，實現溫度恒溫控制，同時可在上位機實時動態顯示溫度變化曲線，便于對溫度的監控和分析。

恒溫控制；神經網絡；STM32；仔豬

早在19世紀，人們就提出了動物福利的概念。國外一直都比較重視在動物福利方面的資金技術投入和相關立法［1］。美國的養豬場絕大部分采用集約化管理，豬舍的小環境如溫度，相對濕度，氣體含量等由計算機進行自動控制，大大地改善了豬舍的環境，促進了豬的生長［2］。

我國是一個生豬養殖大國。有關資料表明，全國一年出欄生豬在5億頭左右，占全世界的1／2。但因為疫病等原因死亡率卻高達15%左右［3］。溫度不適宜是導致仔豬死亡的直接或間接原因，給我國的生豬養殖業帶來了巨大的損失。當前，國內普遍使用仔豬保溫箱加熱系統來為哺乳期仔豬營造適宜的小氣候，保證其成活率，然而大多數豬場的仔豬保溫箱加熱系統尚未實現溫度調控或者調控程度很低，溫度可控性差，加熱能耗高，不能夠完全滿足仔豬生理需求［4-8］。

本項目以監控溫度作為研究出發點，采用單片機實現自動實時檢測與控制，克服人工方法進行溫度的控制，提高溫度控制的速度和精度。將目前應用廣泛的傳感器、單片機以及計算機等技術應用到生豬養殖行業，設計研制仔豬智能恒溫保溫箱，以加快科技農業的發展。

1 總體設計

系統分為上位機和下位機2部分（圖1）。下位機以STM32處理器為核心，連接3組溫度傳感器以提高測量精度，顯示屏用來顯示采集的溫度、期望溫度和當前時間，當溫差較大時可發出報警信號，通過神經網絡算法，驅動繼電器控制加熱板和風扇，實現溫度恒溫控制。下位機與上位機之間通過無線傳輸連接，上位機軟件能夠設置期望溫度，實時動態顯示溫度變化曲線。

圖1 仔豬智能恒溫保溫箱總體設計的結構

2 硬件設計

2.1 微處理器

采用ARM公司的高性能Cortex?M3內核的STM32控制器。STM32系列是專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的。STM32F103增強型系列時鐘頻率達到72 MHz，是同類產品中性能最好的產品。

2.2 傳感器模塊

恒溫箱內部溫度檢測，采用的是美國Dallas半導體公司生產的數字化溫度傳感器DS18B20，現場溫度直接以一線總線的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。測量溫度范圍為-55～125℃，在-10～85℃范圍內，精度為±0.5℃。產品適用的電壓為3～5.5 V，完全能滿足箱體內溫度監測的需要［9］。

2.3 繼電器模塊

作為控制芯片控制執行機構動作的中間環節，共設計了3個繼電器模塊，分別用來驅動功率大、電壓高的風扇和加熱板，電路圖如圖2所示。

圖2 仔豬智能恒溫保溫箱繼電器模塊的電路

圖3 仔豬智能恒溫保溫箱上位機軟件的界面

3 軟件設計

3.1 神經網絡算法

恒溫箱控制系統采用PID算法進行恒溫控制，通過對溫度偏差的比例、積分、微分的加權進行恒溫控制。但是傳統的PID算法在此系統中有著很大的缺陷，系統溫度的遲滯特別大，若是通過經驗法手工調節出理想的參數，將耗費大量的時間。另外，本系統使用加熱板升溫，風扇降溫，系統本身的非線性度相對較高，故而靜態的PID參數很可能達不到理想的調節效果。因此，引入BP神經網絡算法對傳統的PID進行改進，通過BP神經網絡的智能特性對系統進行實時訓練，動態改變PID參數，從而使系統溫度的超調量和上升時間都在一個可控的范圍內，以達到理想的性能控制。

3.2 上位機

上位機軟件以WPF作為用戶界面，軟件本身所用的編程語言為C＃語言。界面分為5個區域（圖3）：串口選項，調節選項，波形選項，溫度區域，波形區域。能夠控制下位機，顯示當前溫度以及根據波形選項顯示動態的溫度曲線。

3.3 工作流程

系統在初始化階段設置期望溫度，初始化完畢通過溫度傳感器對箱內溫度進行監控并采集實時信息，判斷采集到的溫度值與預期的差值，利用神經網絡算法進行處理，控制電磁閥的工作狀態，同時將采集的信息傳送到上位機并動態顯示溫度曲線，上位機能夠設定目標溫度，顯示實時溫度。工作流程如圖4。

圖4 仔豬智能恒溫保溫箱系統的流程

4 試驗驗證

根據豬舍環境的特點，制作了一個模擬保育環境的試驗箱，試驗箱由亞克力板搭建而成，箱內側壁安裝硅膠加熱板可進行加熱，兩端設置排氣扇可進行降溫，DS18B20溫度傳感器均勻分布在箱體內，對溫度進行實時監控。

試驗在2013年5月30日12時開始，初始條件箱內溫度和室內溫度均為28℃，設置期望溫度為31℃，自動運行，通過上位機軟件觀察溫度變化曲線，結果如圖5所示，從圖5中可看出在自動模式下最終溫度在期望溫度附近波動，誤差在可接受范圍之內。

圖5 仔豬智能恒溫保溫箱溫度的變化

5 小結

設計研制的仔豬智能恒溫保溫箱系統結構簡單，功耗低，成本低，實用性強，可進行遠程控制實時采集和調整，上位機可將歷史數據保存，并以曲線的形式繪出實時溫度的變化。系統在試驗過程中運行穩定，效果良好，通過神經網絡算法后系統最終的控制精度達到0.5℃，能夠實現快速、穩定的恒溫控制。智能化的恒溫系統適合社會需求，有助于提高養殖行業的經濟效益。

［1］ 季月清，吳豪杰.動物福利對我國的動物產品的出口的影響［J］.市場周刊，2005（1）：42-44.

［2］ 姜鴻，張藝影.動物福利壁壘對我國動物產品出口的影響及啟示［J］.國際經貿，2010（28）：42-43.

［3］ 肖雨賢.哺乳仔豬舍溫濕度環境自動控制裝置的試驗研究［D］.長春：吉林農業大學，2003.

［4］ 劉芳，吳中紅，王美芝，等.仔豬保溫箱溫度調控設備應用效果研究［J］.黑龍江畜牧獸醫，2009（1）：27-29.

［5］ 陶鼎來.中國農業工程［M］.北京：中國農業出版社，2002：167-177.

［6］ 白林，李學偉，喬紹權.四川規模化豬廠豬舍空氣環境管理現狀調查［J］.西南農業學報，2003（13）：99-104.

［7］ 白林.仔豬采暖和保溫的方法［J］.黑龍江畜牧獸醫，2002（2）：10-11.

［8］ Xin H，Zhou H，Bundy D S.Comparsion ofenergy use and pig let performance between conventional and energy?efficient heat lamps［J］.Applied Engineering in Agriculture，1997，13（1）：95-99.

［9］ 劉瑞新.單片機原理及應用工程［M］.北京：機械工程出版社，2005：228-229.

（責任編輯：張才德）

S 812.9 < class="emphasis_bold">文獻標志碼：B

B

0528?9017（2014）01?0128?03

文獻著錄格式：宗振海，王雅萍，陳智慧.基于STM32的仔豬智能恒溫保育箱的設計［J］.浙江農業科學，2014（1）：128-130.

2013?11?15

南京農業大學校級立項（1230B14）

宗振海（1990-），主要研究方向為檢測技術與自動化裝置。E?mail：p firdfitx＠126.com。