基于STM32與GSM模塊的禽畜舍環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉志斌，江　麗

(湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002)

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基于STM32與GSM模塊的禽畜舍環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉志斌，江麗

(湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002)

摘要：在家畜家禽養(yǎng)殖規(guī)模化養(yǎng)殖時(shí)，為了最大限度地提高家畜家禽生產(chǎn)性能，除了加強(qiáng)飼養(yǎng)管理和提高疾病控制水平之外，禽舍環(huán)境的控制也是一項(xiàng)十分重要的手段。本文提出一種基于STM32與GSM模塊的禽畜舍環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠自動(dòng)對(duì)畜禽舍環(huán)境的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、記錄環(huán)境數(shù)據(jù)過限；通過聲光告警或短信方式提醒用戶對(duì)檢測(cè)到的禽畜生長(zhǎng)環(huán)境中的不合理因素進(jìn)行及時(shí)控制、調(diào)整。該系統(tǒng)由按鍵與LCD顯示電路、MCU與接口電路、GSM模塊電路、傳感器與驅(qū)動(dòng)電路、聲光告警等幾部分組成。

關(guān)鍵詞：ARM；GSM；環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國(guó)的養(yǎng)殖業(yè)得到了迅猛的發(fā)展。由于“菜藍(lán)子”工程的實(shí)施和養(yǎng)殖業(yè)的逐步集約化、工業(yè)化，再加上目前的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和“畜牧致富工程”的實(shí)施，家畜家禽養(yǎng)殖逐步實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；B(yǎng)殖。為了最大限度地提高家畜家禽生產(chǎn)性能，除了加強(qiáng)飼養(yǎng)管理和提高疾病控制水平之外，禽舍環(huán)境的控制也是一項(xiàng)十分重要的手段。能夠準(zhǔn)確即時(shí)掌握畜禽舍環(huán)境的一些關(guān)鍵信息參數(shù)，才能做出快速準(zhǔn)確的調(diào)整，從而達(dá)到提高養(yǎng)殖水平、獲得更好養(yǎng)殖利潤(rùn)的作用[3]。

本文提出一種基于STM32與GSM模塊的禽畜舍環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠?qū)π笄萆岬沫h(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；提醒用戶對(duì)檢測(cè)到的禽畜生長(zhǎng)環(huán)境中的不合理因素進(jìn)行及時(shí)控制、調(diào)整。

1系統(tǒng)組成

在畜禽舍環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，采用傳統(tǒng)人工方式較多，如何達(dá)到畜禽舍環(huán)境的智能管理，自動(dòng)對(duì)畜禽舍環(huán)境的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、記錄環(huán)境數(shù)據(jù)過限、即時(shí)報(bào)警等，這些功能通過一個(gè)系統(tǒng)能夠完成，這樣的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)構(gòu)架中，存在多個(gè)傳感模塊。這些傳感模塊所要采集的環(huán)境因素并不相同，不再是單一的某種環(huán)境數(shù)據(jù)。采集到的各種數(shù)據(jù)值需要進(jìn)行比較，如果數(shù)值過限，將通過人機(jī)界面模塊進(jìn)行告警提醒或通過短信模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程提醒。因此，各模塊需要主控器統(tǒng)一調(diào)配工作。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖，按電路功能分成按鍵與LCD顯示模塊、MCU與接口電路、GSM模塊、傳感器模塊、聲光告警等幾部分電路組成。硬件電路如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件電路框圖

2.1MCU與接口電路

STM32F030系列單片機(jī)是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的，它以基于ARM Cortex M0處理器內(nèi)核的嵌入式微處理器，具有高性能、低成本、低功耗等特點(diǎn)。

本文采用的STM32F030C8為32位微處理器，其有39個(gè)GPIO，完全可以滿足禽畜舍環(huán)境監(jiān)測(cè)器的所需IO引腳數(shù)。其內(nèi)部集成了兩個(gè)USART，一個(gè)12通道的12位ADC，以及其它外設(shè)，這樣使得外部的接口電路得到極大的簡(jiǎn)化。使用其中的一個(gè)串行口完成對(duì)于LCD模塊的顯示控制，使用另一個(gè)串行口與GSM模塊通信，完成對(duì)SIM900的短信收發(fā)操作。PB0~PB7用做矩陣鍵盤電路的IO接口，PA0~PA7接到模擬量輸入端，將氣體傳感模塊傳來的模擬量送入內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。PA8為單總線通信端口。PA11輸出信號(hào)送到聲光告警電路，在需要告警時(shí)，通過聲響和閃光來通知場(chǎng)內(nèi)人員。

2.2GSM模塊電路

SIM900是SIMCom生產(chǎn)并銷售的緊湊型產(chǎn)品，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，SIM900A僅適用于中國(guó)市場(chǎng)，其性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價(jià)比高。采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸[1]。

SIM900A使用串口通訊的方式和外部連接，通過串口數(shù)據(jù)的交換我們就可以使得SIM900A模塊去執(zhí)行命令了。通過AT命令的控制 (GSM 07.07,07.05 and SIMCOM增強(qiáng)AT命令集)完成本系統(tǒng)所需的短信收發(fā)功能。

2.3傳感器模塊

家畜家禽在養(yǎng)殖過程中，所處環(huán)境對(duì)它們生長(zhǎng)的影響因素較多，而影響最主要是溫度、濕度、有害氣體三種，因此本系統(tǒng)針對(duì)這三種因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]。在規(guī)?；B(yǎng)殖時(shí)，畜禽舍面積會(huì)比較大，為了全面監(jiān)測(cè)，需要在畜禽舍內(nèi)的多個(gè)適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b這三類傳感器。目前，對(duì)空氣溫濕度進(jìn)行檢測(cè)的傳感器研究與運(yùn)用比較成熟，其中不乏性能較好的單總線數(shù)字式溫濕度傳感器。使用這類傳感器的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它們的數(shù)據(jù)傳輸只須一根數(shù)據(jù)線即可，并且容易實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器共用這根數(shù)據(jù)線。一般常用的有害氣體傳感器是將所測(cè)氣體濃度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓值或電流值。通過緩沖放大電路，將傳感輸出的電壓或電流轉(zhuǎn)換成0~3.3 V的電壓，再送給MCU進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字值。

2.4人機(jī)接口電路

不同種類的家畜家禽，以及同種家畜家禽在不同生長(zhǎng)時(shí)期，所需溫度與濕度是不一樣的，這就要求監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)畜禽舍環(huán)境因素是否超限進(jìn)行設(shè)置，這將用到按鍵與顯示電路。通過對(duì)按鍵的操作可以設(shè)置生長(zhǎng)環(huán)境因素超限值，也就是告警起動(dòng)的上下限值，還可查看當(dāng)前環(huán)境的數(shù)據(jù)，翻看近前的記錄，設(shè)置GSM對(duì)象號(hào)碼等。這些過程中，采用了12864的點(diǎn)陣LCD屏進(jìn)行相應(yīng)信息的顯示和提示。

3基于MDK的ARM微控制器軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1設(shè)計(jì)思路與流程圖

為實(shí)現(xiàn)對(duì)畜禽舍當(dāng)前環(huán)境因素的監(jiān)測(cè)與超限報(bào)警，軟件將完成對(duì)硬件電路的驅(qū)動(dòng)以及功能操作，其由LCD模塊驅(qū)動(dòng)子程序、氣體傳感器AD轉(zhuǎn)換子程序、單總線驅(qū)動(dòng)子程序、AT命令發(fā)送與SIM900A驅(qū)動(dòng)子程序、超限設(shè)置與記錄子程序、GSM對(duì)象號(hào)碼設(shè)置子程序等組成。

軟件功能的實(shí)現(xiàn)是通過主程序與定時(shí)器中斷程序配合完成的。定時(shí)器每隔5 ms產(chǎn)生一次中斷，對(duì)按鍵進(jìn)行一次掃描，結(jié)合之前多次掃描，得到按鍵狀態(tài)，完成按鍵去抖動(dòng)，計(jì)算出鍵值，更新新鍵值緩沖區(qū)，以備主程序使用。同時(shí)對(duì)5 ms的時(shí)間進(jìn)行累計(jì)，當(dāng)達(dá)到需重新獲取傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)長(zhǎng)，將傳感數(shù)據(jù)更新標(biāo)志置為1。主程序先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括定時(shí)器設(shè)置，LCD開機(jī)顯示畫面，SIM900A模塊、傳感器模塊檢查，中斷開啟等，然后查看是否有按鍵，如果有則響應(yīng)按鍵對(duì)應(yīng)的記錄查詢或超限設(shè)置、號(hào)碼設(shè)置程序，一起包括在按鍵處理程序中；如果有傳感器數(shù)據(jù)更新標(biāo)志，則對(duì)所有傳感器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，獲得畜禽舍環(huán)境參數(shù)值并清除更新標(biāo)志，之后判斷參數(shù)值是否超限，如有則發(fā)出本地告警與發(fā)送短信提示，同時(shí)記錄下來。

圖3主程序流程圖圖4定時(shí)器中斷程序流程圖

3.2編程實(shí)現(xiàn)

RealView MDK開發(fā)套件源自德國(guó)Keil公司，是ARM公司目前最新推出的針對(duì)各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具。RealView MDK集成了業(yè)內(nèi)最領(lǐng)先的技術(shù)，包括μVision3集成開發(fā)環(huán)境與RealView編譯器。支持ARM7、ARM9和最新的Cortex-M3核處理器，自動(dòng)配置啟動(dòng)代碼，集成Flash燒寫模塊，強(qiáng)大的Simulation設(shè)備模擬，性能分析等功能。因此，由Keil MDK這個(gè)集成開發(fā)軟件來實(shí)現(xiàn)軟件的編寫與調(diào)試。

4結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)使用STM32F030C8作為控制器件，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低等特點(diǎn)，可作為一種通用的畜禽舍監(jiān)測(cè)裝置。如果在電路中加入對(duì)應(yīng)的參量傳感器的調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)，比如對(duì)應(yīng)溫度加入風(fēng)機(jī)或空調(diào)，在溫度過高時(shí)開啟，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的自動(dòng)控制的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]宋維，崔曉坤.基于STM32的GSM模塊綜合應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2012(18):4536-4537.

[2]趙建華.禽舍環(huán)境無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2011.

[3]鄧桂揚(yáng)，王升升，馬得銀.基于ARM和ZigBee技術(shù)的禽舍環(huán)境無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2014(7)：61-64.

A Design of Environmental Monitoring System Based on STM32 and GSM Modular

Liu Zhibin, Jiang Li

(HunanTechnicalCollegeofRailwayHigh-Speed,HengyangHunan421002,China)

Abstract:In intensive farms, besides the improving of feeding and management, to control the environment is a useful means to improve the productivity of livestock and poultry. This paper presents a design of environmental monitoring system based on STM32 and GSM modular, The environmental control of poultry house are automatically monitored and through the alarm information or text messages reminds users, then to adjust and control the irrational factors in the environmental of poultry house. This system consists of keyboard circuit and LCD display circuit, MCU and interface circuit, GSM modular circuit, sensor and driving circuit, alarm circuit and so on.

Key words:ARM; GSM; environmental monitoring system

中圖分類號(hào)：TP277

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)01- 0013- 02

作者簡(jiǎn)介：劉志斌(1982- )，男，湖南衡陽(yáng)人，講師，研究方向：自動(dòng)控制。

收稿日期：2015-09-29