基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生豬標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究

牛海春，趙梅蓮，李妍春

（青島黃海學(xué)院，山東 青島 266427）

隨著科技的發(fā)展，人民生活水平顯著提高，消費(fèi)者對肉類的需求不斷增加。畜牧業(yè)占農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)比例逐漸增加，促使生豬養(yǎng)殖業(yè)得到快速發(fā)展，具體表現(xiàn)為養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大和養(yǎng)殖數(shù)量的增加。但是大規(guī)模的生豬養(yǎng)殖會(huì)產(chǎn)生一系列安全和衛(wèi)生問題，所以有必要對養(yǎng)殖場的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。本文將傳感器技術(shù)和5G 技術(shù)相結(jié)合，實(shí)時(shí)采集豬舍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并將傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)傳送到節(jié)點(diǎn)經(jīng)過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換后，通過5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C 端，通過PC 端可實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)、照明、除塵等設(shè)備的遠(yuǎn)程操控，保障養(yǎng)殖環(huán)境的質(zhì)量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

選用STM32F103 單片機(jī)為主控芯片，傳感器對溫度、濕度、光照度、硫化氫濃度、一氧化碳濃度、氨氣濃度、煙霧濃度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并上傳至云平臺(tái)，通過PC 端實(shí)時(shí)查看各項(xiàng)數(shù)據(jù)；若超過規(guī)定閾值則報(bào)警，報(bào)警信息同步上傳到云平臺(tái)，通過移動(dòng)終端可隨時(shí)查看數(shù)據(jù)曲線圖及報(bào)警記錄，用戶根據(jù)實(shí)際監(jiān)測情況對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。總體設(shè)計(jì)框，見圖1。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Overall design block diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

傳感器采集生豬養(yǎng)殖場的溫度、濕度、光照度、硫化氫、一氧化碳、氨氣等環(huán)境信息，并將采集的信息通過5G 網(wǎng)絡(luò)傳送至PC 端。PC 端可根據(jù)需要打開視頻監(jiān)控，并且發(fā)送指令控制通風(fēng)換氣、照明、除塵等終端設(shè)備動(dòng)作，完成遠(yuǎn)程控制。

2.1 溫、濕度檢測模塊

溫濕度檢測選用DHT11傳感器，該傳感器能夠?qū)崟r(shí)檢測環(huán)境溫度及濕度，可自行進(jìn)行數(shù)據(jù)信號的校準(zhǔn)檢查工作，依靠自身的高性能數(shù)字處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的測量，該傳感器通過與單片機(jī)簡單地連接，即可完成數(shù)據(jù)通信工作。DHT11 傳感器體積小，能量消耗低，數(shù)據(jù)測量花費(fèi)時(shí)間短，不易受到外界的干擾。

2.2 光照度檢測模塊

光敏電阻具有反應(yīng)速度快、靈敏度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，基本的封裝工藝采用環(huán)氧樹脂材料。該傳感器依據(jù)內(nèi)光電效應(yīng)，一旦存在較強(qiáng)的入射光，將導(dǎo)致電路的電阻值降低，反之將會(huì)提高電阻值。

2.3 硫化氫檢測模塊

ME4-H2S傳感器輸出的電流信號通常較小，需要通過信號處理來對其進(jìn)行放大，該過程需要實(shí)現(xiàn)信號的過濾，防止造成干擾。經(jīng)過放大電路處理后，得到0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)信號。

2.4 一氧化碳檢測模塊

MQ-7 傳感器采用半導(dǎo)體技術(shù)，運(yùn)用了高性能的氣敏材料，該材料具有較低的電導(dǎo)率。根據(jù)這一項(xiàng)特征，運(yùn)用高低溫循環(huán)探測法，具體表現(xiàn)為：在溫度較低時(shí)，材料的電導(dǎo)率和空氣中的一氧化碳濃度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；在溫度較高時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)自我清潔功能，去除低溫時(shí)的殘留氣體。這一款傳感器靈敏度高，同時(shí)耐用，可應(yīng)用于多種場合。

2.5 氨氣檢測模塊

ME4-NH3 傳感器是以功耗低、靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等為特點(diǎn)的氨氣傳感器，這一款傳感器是基于化學(xué)原理設(shè)計(jì)制造的。基于氨氣的氧化還原反應(yīng)機(jī)理，在反應(yīng)時(shí)，傳感器會(huì)釋放出微弱的電流信號，所以需要使用放大器芯片放大信號，本次設(shè)計(jì)選擇OPA333 運(yùn)放。該電流的大小和氨氣濃度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，所以通過測量電流的大小間接得知氨氣濃度。

2.6 煙霧檢測模塊

MQ-2 傳感器的靈敏度極高，可以被有毒氣體或者可燃?xì)怏w輕松觸發(fā)，輸出對應(yīng)信號。該傳感器耐用且性能可靠，可以實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)讀取工作。

2.7 5G通信模塊

宏電5G DTU 基于高性能硬件平臺(tái)開發(fā)，支持5G SA/NSA 組網(wǎng)，向下兼容4G/3G 網(wǎng)絡(luò)制式，組網(wǎng)更加便捷；接口方面其滿足千兆網(wǎng)口、串口、無線GPS（預(yù)留）等接口需求。產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面采用全新工業(yè)級設(shè)計(jì)，體積更小，質(zhì)量更輕，適裝性，更好宏電5G DTU 可面向傳統(tǒng)及新興的各大行業(yè)小型化、嵌入式5G 應(yīng)用場景。

2.8 電源模塊

本系統(tǒng)采用220 V 電源供電，主控模塊和各分支模塊所需供電電壓為3.3 V。采用AC-DC 整流電路將220 V 交流電轉(zhuǎn)換為12 V 直流電，采用LM2596 芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)5 V 穩(wěn)壓電源，在穩(wěn)壓電路上加上電感L1，起到儲(chǔ)存電流的作用，提高電源的電流輸出能力。采用AMS1117電源轉(zhuǎn)換芯片，來實(shí)現(xiàn)5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 的電源變換。電解電容C 主要起到儲(chǔ)能作用，防止電流瞬間增大而電源供電響應(yīng)慢導(dǎo)致輸出電流不穩(wěn)。

2.9 繼電器控制模塊

通過12 V 直流電機(jī)來驅(qū)動(dòng)生豬養(yǎng)殖場內(nèi)部的通風(fēng)設(shè)備和送食設(shè)備，使用兩路光耦隔離繼電器模塊，支持高、低電平觸發(fā)。此外光電耦合器將控制電路同外部高壓電路隔離；續(xù)流二極管主要在電壓超標(biāo)等狀況下實(shí)現(xiàn)續(xù)流作用，保證了電路的有效運(yùn)行；三極管則是用來驅(qū)動(dòng)繼電器開關(guān)和閉合。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主控制器選用STM32 系列，采用以C 語言為主的Keil 軟件，實(shí)現(xiàn)傳感器采集、LCD顯示、報(bào)警、5G通信、遠(yuǎn)程控制。單片機(jī)開始通電后，系統(tǒng)會(huì)對各部分進(jìn)行初始化，傳感器便開始數(shù)據(jù)采集，將采集的數(shù)據(jù)信息傳送至單片機(jī)控制中心進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)信息會(huì)發(fā)送到LCD 顯示屏，同時(shí)經(jīng)過5G模塊上傳至云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。總流程見圖2。

圖2 程序總流程圖Fig.2 General flow chart of procedure

3.1 傳感器采集

傳感器數(shù)據(jù)采集部分，系統(tǒng)通電后，會(huì)執(zhí)行初始化，然后傳感器開始采集環(huán)境數(shù)據(jù)，一旦提取了完整數(shù)據(jù)，將對其進(jìn)行保存，而對于不完整的數(shù)據(jù)，需要再次提取，傳感器采集子程序見圖3。文中溫濕度傳感器輸出為數(shù)字信號，其他傳感器輸出為模擬信號，需要進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換。

圖3 傳感器采集子程序Fig.3 Sensor acquisition subroutine

3.2 遠(yuǎn)程控制

系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能是通過用戶交互界面的控制按鈕來實(shí)現(xiàn)的，控制設(shè)備在查詢到單片機(jī)給予的操控指令后，會(huì)給控制模塊一個(gè)脈沖信號。當(dāng)豬舍內(nèi)部溫度過高或濕度過大時(shí)，系統(tǒng)可以根據(jù)控制要求，通過PC 機(jī)遠(yuǎn)程控制通風(fēng)系統(tǒng)的電機(jī)風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)。控制器利用繼電器將電磁閥導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)對生豬所生長的環(huán)境進(jìn)行通風(fēng)換氣，當(dāng)環(huán)境參數(shù)達(dá)到要求，驅(qū)動(dòng)繼電器將電磁閥關(guān)閉。在白天光照充足時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠，接收到處理器的脈沖信號后會(huì)再次進(jìn)入工作模式，成功關(guān)閉電磁閥之后重新進(jìn)入休眠。5G通信串口通過IP協(xié)議接收來自PC 端的操作指令，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，將分析后的數(shù)據(jù)發(fā)送到終端來控制相應(yīng)設(shè)備。

4 系統(tǒng)測試

用戶需要登錄養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可以看到各種功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)置環(huán)境參數(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)、控制相應(yīng)設(shè)備等功能。可以通過查看各項(xiàng)數(shù)據(jù)的曲線圖，直觀地看到數(shù)據(jù)的變化情況。數(shù)據(jù)曲線，見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)曲線圖Fig.4 Data curve

5 結(jié)論

生豬養(yǎng)殖環(huán)境對生豬的生長發(fā)育產(chǎn)生關(guān)鍵的影響。因此，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測養(yǎng)殖環(huán)境的各種因素，必要時(shí)采取有效干預(yù)，保證生豬生長環(huán)境處于最佳狀態(tài)。通過對生豬健康影響因素的分析，將監(jiān)測目標(biāo)確定為環(huán)境溫度、濕度、光照度等若干參數(shù)，然選擇合適的傳感器進(jìn)行檢測，最終選擇了STM32F103 單片機(jī)和相應(yīng)的控制模塊，通過5G 網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)反饋給用戶，若環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常可及時(shí)做出調(diào)整。如將其規(guī)模化應(yīng)用于養(yǎng)殖場，可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。