基于物聯網的生豬養殖系統的設計與實現

趙玉ZHAO Yu；徐鵬XU Peng；王立娟WANG Li-juan

（大連科技學院信息科學與技術學院，大連 116052）

0 引言

目前，我國對豬肉產品需求量較大，生豬養殖規模逐步擴大，且大多以傳統人工巡檢方式對生豬的日常行為和環境進行監測與診斷[1]，使得管理效率極低，也會由于飼養員經驗的不同，忽視生豬的異常行為，造成生豬發病率和死亡率較高、豬群飼料嚴重浪費、養豬場環境惡劣、人畜疾病交叉感染，給整個養殖戶帶來嚴重經濟損失。

近年來，隨著物聯網、大數據、云計算等現代信息技術的迅速發展，為牲畜養殖業提供了新的發展方向[1]。現代畜牧業養殖是養殖技術、信息技術的有機結合，實現了傳統畜牧業與物聯網技術的深度融合，并在數據分析的基礎上進行科學喂養，以實現精準化、自動化與智能化。

綜上，本文設計實現了基于物聯網的生豬養殖系統。該系統將物聯網技術與生豬養殖行業結合起來，實現對生豬的高效、健康喂養，并降低豬場的環境污染。主要實現生豬養殖過程的精細化、個性化和智能化；豬場環境惡劣問題的監測與調節；生豬身份溯源，建立健康檔案，定制生活習慣。

1 智慧生豬養殖系統的概述

生豬養殖系統以多種感知技術為核心，使用識別器檢測豬只電子標簽信息，從多角度對異常環境和豬只日常行為進行詳細感知和分析[2]，依托無線通信網絡，將異常行為和豬只信息上傳至云平臺，結合大數據、養殖專家和飼養員經驗對其進行綜合診斷，及時掌握生豬的狀態變化，實現對生豬的科學喂養、習慣分析、智能控制等[3]。

系統主要由感知層、網絡層和應用層組成，其系統架構如圖1 所示。

圖1 系統架構圖

2 系統硬件設計

基于物聯網技術的生豬養殖系統采用STM32 單片機，STM32 是一款32 位基于ARM 核心內置64KB 閃存的微控制器，引腳總數為48 個，工作溫度為-40～85℃，電壓范圍為2.0～3.6V，最大輸出電流可達300mA。

本設計使用的傳感器、通信模塊、控制器、執行設備主要是：溫濕度傳感器（DHT11）、壓力傳感器（HX711）、聲音傳感器（LM386）、Wi-Fi 模塊（ESP8266）、STM32 微控制器、繼電器、舵機（SG90）、風扇等[4]。硬件電路結構如圖2所示。

圖2 硬件電路結構圖

2.1 生豬養殖系統環境監測

在生豬養殖過程中，喂養和環境是其生長最重要的影響因素，因此選用溫濕度傳感器、壓力傳感器和聲音傳感器用于對生豬養殖情況進行實時信息獲取。

①溫濕度檢測模塊：傳感器型號為DHT11，供電電壓為3～5.5V，DHT11 既能檢測溫度又能檢測濕度，其溫度測量范圍為0～50℃，誤差在±2℃；濕度的測量范圍為20%～90%RH，誤差在±5%RH。該芯片具有較高的可靠性與長期穩定性。②壓力檢測模塊：傳感器型號為HX711，是一款專為高精度稱重傳感器而設計的24 位A/D 轉換器芯片，該芯片具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優點。③聲音檢測模塊：LM386 是一種音頻集成功率放大器，具有自身功耗低、更新內鏈增益可調整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優點。

2.2 生豬養殖系統無線通信模塊

本系統使用ESP8266 無線網絡進行數據傳輸，其采用IEEE802.11 無線通信標準，共有8 個針腳分別是：VCC、RX、RST、IOC、EN、IO2、TX、GND。ESP8266Wi-Fi 模塊采用串口與單片機通信，通過Wi-Fi 與上位機通信。利用ESP8266 模塊對傳統串口設備進行簡單配置，即可將數據通過Wi-Fi 傳輸給上位機，實現物聯功能[5]。

2.3 生豬養殖系統智能決策與控制模塊

本系統根據生豬養殖環境設計了自動換水、自動控溫、投喂以及照明功能，且在客戶端能實現遠程操控。

STM32 開發板提供兩種供電方法，即開發板的電源引腳供電和通過USB 口供電，本系統使用USB 口供電。

系統各層次配合工作，環境感知層的溫度、濕度、聲音、壓力傳感器將采集的信息傳送到單片機。利用網絡層的Wi-Fi 模塊向OneNET 云平臺發送數據，將云平臺的控制指令傳送給單片機。通過信息處理應用層對收到的數據進行相應控制，并將其傳輸給繼電器、舵機模塊，對各執行部件的控制，從而實現整個控制系統的功能。生豬養殖系統總體流程如圖3 所示。

圖3 生豬養殖系統總體流程圖

3 系統軟件設計

3.1 模塊程序設計

本系統使用Keil5 開發軟件作為下位機的開發環境，在使用單片機前，要初始化其各個引腳，實現與云服務器平臺之間的無線網絡連接。

①各傳感器模塊程序設計。溫濕度檢測程序流程如圖4 所示，壓力檢測程序流程如圖5 所示，聲音檢測程序流程如圖6 所示。

圖4 溫濕度檢測流程圖

圖5 壓力檢測流程圖

圖6 聲音檢測流程圖

②Wi-Fi 模塊程序設計。ESP8266 通過串口通信，在系統通電后對指定連接到ESP8266 的串口引腳功能進行初始化，進行網絡連接，連接成功后，可對指定的OneNET云平臺進行連接，接收和轉發數據，如圖7 所示。

圖7 Wi-Fi 模塊流程圖

3.2 OneNET 云平臺

上位機軟件設計主要基于OneNET 云平臺解決物聯網領域設備連接、協議適配、數據存儲等共性問題本設計采用MQTT 協議，其具有較低開銷，減少了網絡流量。將能夠在網頁中對養殖環境進行實時監測和控制操作[6]。系統功能架構如圖8 所示。

圖8 系統功能架構圖

4 系統測試與運行

根據系統的整體設計，對系統各功能模塊進行測試，測試平臺如圖9 所示。測試的主要內容包括：環境溫度監測、環境濕度監測、環境聲音監測、記錄豬只日常行為、自動放糧、自動通風、自動照明、自動換水等。相關測試上位機運行界面如圖10 所示，其中圖11 為環境參數的實時顯示界面，主要包括實時環境為21℃、濕度47%、噪聲31dB、當前余糧0.5kg。測試結果驗證了系統的可行性，滿足監測需求。

圖9 系統測試平臺

圖10 客戶端界面（控制模式、遠程控制、豬只疾病登記）

圖11 環境監測數據實時顯示

5 總結

本設計是基于物聯網技術的生豬養殖系統，從硬件和軟件兩部分進行設計，實現了對生豬養殖過程中環境參數（溫度、濕度、聲音）的實時監測，根據動態數據信息分析后作出自動放糧、遠程投喂、自動照明等智能決策控制，并使用RFID 對豬只日常行為進行記錄，確保養殖環境的安全與穩定。