基于物聯(lián)網(wǎng)的兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉斐琪 楊晶晶

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)家兔養(yǎng)殖中無法精準(zhǔn)控制兔舍內(nèi)環(huán)境變化的問題，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能養(yǎng)殖系統(tǒng)，利用STM32F103C8T6單片機(jī)、多類型傳感器、4G通訊等設(shè)計(jì)一款兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由信息采集、自動(dòng)控制、無線通信、用戶訪問終端四部分組成，通過4G通訊方式實(shí)時(shí)監(jiān)測兔舍環(huán)境中的溫度、濕度、光照、粉塵、二氧化碳濃度和氨氣濃度等參數(shù)，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)的閾值，當(dāng)參數(shù)超過或低于閾值時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)、濕簾、補(bǔ)光燈等設(shè)備運(yùn)行，直至兔舍環(huán)境調(diào)整到適宜狀態(tài)。系統(tǒng)反應(yīng)靈敏、操作簡單能夠智能調(diào)節(jié)兔舍內(nèi)環(huán)境因子，實(shí)現(xiàn)更健康、安全和高效的兔舍養(yǎng)殖模式。

關(guān)鍵詞：養(yǎng)殖環(huán)境；自動(dòng)控制；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；數(shù)據(jù)采集；兔舍

中圖分類號(hào)：TP311? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）34-0097-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

1 緒論

兔肉不僅味道鮮美，還是一種高蛋白、低脂肪、低膽固醇的食品，深受廣大群眾喜愛，同時(shí)人們也對(duì)兔肉的衛(wèi)生、健康、安全等情況有了更高的要求，因此，家兔的養(yǎng)殖環(huán)境也得到了社會(huì)的廣泛關(guān)注。兔舍環(huán)境對(duì)家兔的成長有著至關(guān)重要的影響，高溫和高濕會(huì)導(dǎo)致兔子代謝減慢，食欲下降，影響兔子正常發(fā)育；高濃度的二氧化碳和氨氣會(huì)使兔子呼吸困難，免疫力降低，容易導(dǎo)致兔舍內(nèi)傳染病蔓延；光照過強(qiáng)或過弱會(huì)影響兔子內(nèi)分泌，導(dǎo)致兔子生長遲緩或發(fā)育不良。除此之外，兔舍內(nèi)的粉塵積聚也會(huì)增加兔子呼吸系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致呼吸道疾病，降低肉類品質(zhì)[1]。基于此，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一套兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測兔舍環(huán)境信息，自動(dòng)調(diào)控兔舍內(nèi)環(huán)境因子，保障家兔不受環(huán)境影響而生病或死亡，降低養(yǎng)殖成本，提高兔肉的產(chǎn)量和品質(zhì)，對(duì)實(shí)現(xiàn)兔舍規(guī)模化養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展是十分重要的。

1.1 課題研究背景及意義

聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織數(shù)據(jù)顯示，中國是世界上產(chǎn)兔第一的國家，2020年中國兔存量約為1.18億只，占全球的61.1%。中國的冷鮮兔肉產(chǎn)量約占全球的51.1%，這表明兔養(yǎng)殖業(yè)在我國具有重要的地位和發(fā)展前景。然而，兔不同于其他畜禽，對(duì)生長環(huán)境的穩(wěn)定要求更高，兔舍環(huán)境信息監(jiān)測對(duì)保障兔子的健康成長，促進(jìn)兔養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展非常重要[2]。傳統(tǒng)的兔舍環(huán)境調(diào)控主要依賴于經(jīng)驗(yàn)積累和人工監(jiān)測，但由于環(huán)境參數(shù)的復(fù)雜性和不確定性，這種方式存在監(jiān)測不及時(shí)、調(diào)控不準(zhǔn)確、工作強(qiáng)度大、費(fèi)用高昂、數(shù)據(jù)量繁多難以管理等弊端。為避免傳統(tǒng)方式存在的缺陷，提高養(yǎng)殖效益，采用現(xiàn)代化的信息技術(shù)，將溫濕度、氣體濃度、光照、粉塵等兔舍環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)采集、處理和傳輸，建立基于物聯(lián)網(wǎng)的兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)，方便及時(shí)調(diào)整兔舍環(huán)境，確保兔舍環(huán)境穩(wěn)定、適宜，從而提高兔子生長速度和質(zhì)量，推動(dòng)兔舍養(yǎng)殖智能化和可持續(xù)發(fā)展，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

1.2 研究內(nèi)容

本課題旨在通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一款兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由信息采集、自動(dòng)控制、無線通信、用戶訪問終端四部分組成。信息采集模塊通過對(duì)傳感器的選型分析，采用最適合的傳感器型號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測并采集兔舍環(huán)境中的溫度、濕度、光照、粉塵、CO2和NH3濃度等參數(shù)，當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)控制模塊，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制算法進(jìn)行控制，自動(dòng)調(diào)整光照、通風(fēng)等環(huán)境因素。用戶通過手機(jī)或電腦等訪問終端管理界面，進(jìn)入系統(tǒng)用戶界面后可以對(duì)兔舍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測和控制，實(shí)時(shí)掌握兔舍環(huán)境參數(shù)變化情況，提高兔舍的養(yǎng)殖效益和安全性。

1.3 研究思路

本系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機(jī)為控制核心，在信息采集模塊，選用常規(guī)范圍精準(zhǔn)穩(wěn)定的溫濕度一體傳感器，高精度感知光照傳感器，以及結(jié)合多段標(biāo)準(zhǔn)氣體和補(bǔ)償算法的NH3傳感器，采用激光散射測量的PM粉塵傳感器，提高傳感器的靈敏度和抗干擾能力。此外，還采用進(jìn)口NDIR傳感器進(jìn)行CO2濃度測量，確保反應(yīng)迅速靈敏，避免了傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器的壽命及漂移問題。以上傳感器的選型能夠確保感知數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和穩(wěn)定，反映兔舍內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜變化，為自動(dòng)控制模塊提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持，有助于提高自動(dòng)控制模塊的優(yōu)化決策。

在自動(dòng)控制模塊，采用搭載了強(qiáng)大的ARM Cortex-M3內(nèi)核，具有高速運(yùn)算能力、使用低功耗技術(shù)的STM32F103C8T6單片機(jī)，外接風(fēng)機(jī)、濕簾、補(bǔ)光燈等控制設(shè)備，讀取傳感器反饋信號(hào)，通過算法判斷當(dāng)前兔舍內(nèi)環(huán)境狀態(tài)，如需調(diào)整控制設(shè)備，則向自動(dòng)控制模塊發(fā)送控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和電路控制的協(xié)同工作，從而提高系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，保證兔舍內(nèi)環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定，提高兔子的飼養(yǎng)品質(zhì)和數(shù)量。

考慮到實(shí)際應(yīng)用中各種干擾信號(hào)可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，甚至無法傳輸?shù)惹闆r，在無線通信模塊，采用擁有MIMO技術(shù)的4G進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，可以有效地抑制信號(hào)干擾，保證了數(shù)據(jù)傳輸和控制的穩(wěn)定性。通過組網(wǎng)技術(shù)建立前端信息感知系統(tǒng)，將多個(gè)感知節(jié)點(diǎn)連接起來，形成一個(gè)完整的采集網(wǎng)絡(luò)，在主控板上搭載一塊適配485通信協(xié)議的芯片，使用485通信和標(biāo)準(zhǔn)ModBus-RTU通信協(xié)議進(jìn)行控制信號(hào)的傳輸，通過主控板串口與外接設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、控制和傳輸?shù)裙δ躘3]。在用戶訪問終端模塊，為用戶提供了與系統(tǒng)交互的渠道，對(duì)用戶進(jìn)行權(quán)限管理，控制終端設(shè)備，使用戶可以更加便捷地獲取、監(jiān)控和控制兔舍養(yǎng)殖環(huán)境的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件方案設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示，硬件電路層包括傳感模塊和自動(dòng)控制模塊，傳感模塊將采集到的兔舍環(huán)境數(shù)據(jù)（包括溫濕度、光照、粉塵、CO2和NH3濃度）上傳到STM32F103C8T6主控板上，主控板進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷是否需要控制自動(dòng)控制模塊，如果兔舍環(huán)境數(shù)據(jù)在所設(shè)定的閾值之外，主控板會(huì)將對(duì)應(yīng)控制命令傳輸給自動(dòng)控制模塊，自動(dòng)控制模塊執(zhí)行相應(yīng)的控制操作（控制風(fēng)機(jī)、濕簾、補(bǔ)光燈等設(shè)備的開關(guān)）。在系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層之間用RS485進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的可視化，為實(shí)時(shí)監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制模塊提供數(shù)據(jù)支持，以優(yōu)化兔舍環(huán)境狀況。

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)中，STM32F103C8T6單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，扮演著不可替代的角色[4]。在硬件設(shè)計(jì)過程中，單片機(jī)最小系統(tǒng)則是單片機(jī)的核心部分，其構(gòu)成和性能設(shè)計(jì)直接決定整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能和可靠性[5]。因此，本文將深入挖掘其設(shè)計(jì)原理，從RTC時(shí)鐘晶振、電源電路、復(fù)位電路、繼電器控制四個(gè)方面分析單片機(jī)與傳感模塊和自動(dòng)控制模塊之間的協(xié)作模式，確保整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)作過程中保持較高的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2.1 RTC時(shí)鐘晶振

RTC時(shí)鐘晶振相當(dāng)于基于物聯(lián)網(wǎng)的兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)的心臟，有著十分重要的作用。由于系統(tǒng)需要及時(shí)對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，因此需要有一個(gè)精確的時(shí)鐘信號(hào)[6]。如圖2所示STM32F103C8T6單片機(jī)PC14和PC15引腳是STM32F1系列晶振輸入和輸出引腳，PC14負(fù)責(zé)接收外部時(shí)鐘晶振的震蕩信號(hào)，PC15則輸出由晶振產(chǎn)生的穩(wěn)定時(shí)鐘信號(hào)。通過使用RTC時(shí)鐘晶振，記錄兔舍溫濕度、光照、氣體濃度、粉塵濃度、信息采集時(shí)間、補(bǔ)光、通風(fēng)等信息，確保系統(tǒng)具有高精準(zhǔn)度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能。RTC時(shí)鐘晶振還可以與系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集、控制功能等模塊進(jìn)行同步，利用RTC時(shí)鐘晶振對(duì)時(shí)間進(jìn)行定期校準(zhǔn)，確保系統(tǒng)中各個(gè)模塊可同時(shí)進(jìn)行操作，提高系統(tǒng)的整體效率。

2.2.2 電源電路

STM32F103C8T6單片機(jī)總共有5個(gè)接電源正極和4個(gè)接地引腳，圖3所示用VDD表示單片機(jī)的供電電壓，使用VDDA和VSSA引腳提供合適的模擬器件工作電壓和供電電壓。考慮到斷電數(shù)據(jù)需要保存的情況，本系統(tǒng)通過外部電源模塊為不同的傳感器提供電源，使用VBAT引腳來為后備區(qū)域提供電源，利用RTC/BKP寄存器來保存一些兔舍環(huán)境信息的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，例如時(shí)間、環(huán)境參數(shù)等。單片機(jī)的供電電壓標(biāo)稱值為3.6V，為保證單片機(jī)工作時(shí)的電源質(zhì)量和穩(wěn)定性，選用AP2139AK-3.3TRG1穩(wěn)壓芯片，將電源輸入為4.2V轉(zhuǎn)化為輸出3.6V電壓供給單片機(jī)（如圖3所示）。

2.2.3 復(fù)位電路

由于系統(tǒng)需要長時(shí)間穩(wěn)定地運(yùn)行，復(fù)位電路可以作為一種系統(tǒng)保護(hù)措施，確保系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)可以及時(shí)恢復(fù)正常工作，避免因系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失和硬件損壞。本系統(tǒng)復(fù)位電路如圖4所示，由RC電路構(gòu)成，10k電阻及0.1uF電容組成的RC電路；STM32F103C8T6單片機(jī)復(fù)位引腳為低電平有效，復(fù)位電路的作用是在單片機(jī)上電啟動(dòng)的瞬間，復(fù)位電路通過檢測系統(tǒng)電源電壓的上升過程，重新初始化整個(gè)系統(tǒng)，從而確保系統(tǒng)能夠從一個(gè)準(zhǔn)確的狀態(tài)開始運(yùn)行。在系統(tǒng)發(fā)生故障或異常時(shí)，能夠及時(shí)地將系統(tǒng)恢復(fù)到預(yù)定狀態(tài)，保護(hù)系統(tǒng)免受潛在破壞。

2.2.4 繼電器控制

在兔舍養(yǎng)殖環(huán)境控制感知系統(tǒng)中，為控制風(fēng)機(jī)、濕簾、補(bǔ)光燈等設(shè)備的運(yùn)行，需要通過繼電器來實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備開關(guān)的控制。但由于單片機(jī)的輸出信號(hào)是低電平信號(hào)，而繼電器需要高電平信號(hào)觸發(fā)，這樣就使單片機(jī)無法直接控制繼電器的開關(guān)。因此，圖5中使用ULN2001DS驅(qū)動(dòng)芯片，將單片機(jī)的輸出信號(hào)放大為可控制繼電器的高電平信號(hào)，將多個(gè)繼電器與風(fēng)機(jī)、濕簾、補(bǔ)光燈等設(shè)備進(jìn)行并聯(lián)，通過單片機(jī)發(fā)送控制指令來控制繼電器的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)兔舍環(huán)境中各種設(shè)備的靈活控制和調(diào)節(jié)，從而保證飼養(yǎng)環(huán)境最優(yōu)化。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)通電后，對(duì)硬件進(jìn)行初始化設(shè)置，依次設(shè)置溫濕度、CO2、NH3、光照、粉塵的閾值，傳感器模塊實(shí)時(shí)采集兔舍內(nèi)環(huán)境信息，并將這些數(shù)據(jù)送入單片機(jī)實(shí)現(xiàn)不同模塊的控制，系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測模塊程序

將兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)部署在電腦端如圖7所示，通過傳感器對(duì)兔舍環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，以圖形化、可視化的方式展示給用戶，及時(shí)反映兔舍環(huán)境的實(shí)際情況。此外，將數(shù)據(jù)以圖形化、可視化的方式展示給用戶，及時(shí)反映兔舍環(huán)境的實(shí)際情況。以確保系統(tǒng)在穩(wěn)定性和安全性上達(dá)到最佳性能，并為客戶提供良好的體驗(yàn)。

3.3 自動(dòng)控制模塊程序

兔舍的環(huán)境對(duì)兔子的生長發(fā)育具有重要影響，因此，實(shí)現(xiàn)兔舍自動(dòng)化控制是提高養(yǎng)殖效益的有效手段。為了保證兔舍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)處于理想范圍內(nèi)，在自動(dòng)控制模塊開始工作時(shí)，通過傳感模塊對(duì)兔舍的溫濕度、光照、氨氣、二氧化碳以及粉塵濃度等關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。如果這些參數(shù)超出所設(shè)定的閾值范圍，自動(dòng)控制模塊將會(huì)發(fā)出相應(yīng)的指令，使相關(guān)設(shè)備打開或關(guān)閉以調(diào)節(jié)兔舍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。以溫度為例，當(dāng)兔舍內(nèi)溫度達(dá)到所設(shè)定的閾值時(shí)，自動(dòng)控制模塊將打開風(fēng)機(jī)和濕簾以增加濕度，加速空氣流通，同時(shí)關(guān)閉補(bǔ)光燈等設(shè)備以降低光照強(qiáng)度，這些措施都有利于降低兔舍內(nèi)溫度。當(dāng)溫度閾值回歸正常范圍內(nèi)時(shí)，自動(dòng)控制模塊將恢復(fù)原來的設(shè)備狀態(tài)，以保證兔舍內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定和安全。對(duì)于其他環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)，如濕度、氨氣、二氧化碳、粉塵等也同樣采取類似的自動(dòng)化控制策略。

4 系統(tǒng)測試

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，兔舍環(huán)境溫度15～25℃，濕度60%～70%，氨氣濃度20～25ppm，二氧化碳濃度350～500ppm，光照強(qiáng)度150～200lx，粉塵濃度100～200mg/m3時(shí)為家兔的最適宜生存環(huán)境，以此進(jìn)行閾值設(shè)置，監(jiān)測自動(dòng)控制設(shè)備的狀態(tài)，測試結(jié)果如表1所示，基于物聯(lián)網(wǎng)的兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)在不同環(huán)境中測試外接設(shè)備狀態(tài)均正確。

5 結(jié)論

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機(jī)為控制核心，采用多類型傳感器對(duì)兔舍內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行溫度、濕度、CO2濃度、氨氣濃度、光照強(qiáng)度、粉塵等多個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，并通過在系統(tǒng)中設(shè)置閾值，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制兔舍內(nèi)部環(huán)境。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，符合設(shè)計(jì)要求。但也存在一些不足之處，例如：目前只能調(diào)控風(fēng)機(jī)、濕簾和補(bǔ)光燈的狀態(tài)，缺少精確的調(diào)控設(shè)備，如增加空氣凈化器、二氧化碳制造機(jī)等更多的調(diào)控設(shè)備，將更好地控制兔舍內(nèi)部環(huán)境變化。綜上所述，基于物聯(lián)網(wǎng)的兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)控兔舍內(nèi)部環(huán)境，降低養(yǎng)殖成本，提高兔養(yǎng)殖業(yè)的生產(chǎn)效益，具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前景和推廣價(jià)值。

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【通聯(lián)編輯：梁書】