基于STM32的生豬生長(zhǎng)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

毛凌青　匡迎春　黃佳琪　鄧力元

摘要：隨著科學(xué)的發(fā)展與時(shí)代的進(jìn)步，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)已經(jīng)向著智能化、自動(dòng)化、信息化的方向發(fā)展。本文主要說(shuō)明設(shè)計(jì)制造一個(gè)基于STM32單片機(jī)的生豬生長(zhǎng)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。TFT LCD觸摸液晶屏顯示與發(fā)出指令，射頻模塊識(shí)別每一頭生豬，HC-SR04超聲波測(cè)量生豬的高度，MLX90614紅外測(cè)溫模塊測(cè)量生豬的體溫，HX711重量傳感器測(cè)量體重并且STM32采集AD數(shù)據(jù)返回體重值。通過(guò)這一系列的模塊測(cè)量以及STM32對(duì)其數(shù)據(jù)采集，最后可完成這套自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)生豬檢測(cè)自動(dòng)化、智能化。

關(guān)鍵詞：生豬;STM32單片機(jī);HC-SR04超聲波;MLX90614紅外線;自動(dòng)檢測(cè)

中圖分類號(hào)：S24? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）02-0244-03

Abstract： With the development of science and the progress of the times， traditional agriculture has developed towards the direction of intelligence， automation and information. This paper mainly describes the design and manufacture of an automatic detection system for pig growth parameters Based on STM32 microcontroller. The TFT LCD touches the LCD screen to display and issue commands， the RF module identifies each pig， the HC-SR04 ultrasonic measures the height of the pig， the MLX90614 infrared temperature module measures the body temperature of the pig， the HX711 weight sensor measures the weight and the STM32 collects the AD data to return the weight. Through this series of module measurement and STM32 data acquisition， the design of this automatic detection system can be completed， and the pig detection is automated and intelligent.

Key words： Pig; STM32 single chip; HC-SR04 ultrasonic; MLX90614 infrared; automatic detection

1 概述

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，出現(xiàn)了越來(lái)越多的智能化設(shè)備，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)向著智能化、機(jī)械化、自動(dòng)化的方向發(fā)展。但是目前生豬養(yǎng)殖還未向著智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展，傳統(tǒng)養(yǎng)殖的方式依舊占據(jù)的大多數(shù)。近年來(lái)隨著各種各樣的單片機(jī)被制作與研發(fā)，單片機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域等一系列領(lǐng)域。為了讓農(nóng)場(chǎng)主了解生豬生長(zhǎng)的狀況以及預(yù)防應(yīng)對(duì)各種如傳染病一類的疾病，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STM32單片機(jī)的生豬生長(zhǎng)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，能夠檢測(cè)每一頭生豬的身高、體重、體溫，可以通過(guò)STM32的TFTLCD液晶觸摸顯示屏顯示生豬的身高、體重、體溫，通過(guò)按鍵可以切換不同的生豬顯示信息，并且可以通過(guò)STM32單片機(jī)將數(shù)據(jù)傳送給PC主機(jī)。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生豬各種生長(zhǎng)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)以及監(jiān)控預(yù)防生豬的一些疾病。本系統(tǒng)實(shí)用性好，發(fā)展前途較好，是一個(gè)優(yōu)秀穩(wěn)定的生豬生長(zhǎng)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)將STM32F103ZET6作為主要的控制芯片，整個(gè)設(shè)備主要由STM32F103ZET6單片機(jī)系統(tǒng)板、HC-SR04超聲波模塊、MLX90614紅外測(cè)溫模塊、HX711重量傳感器、RFID射頻識(shí)別模塊、TFT LCD觸摸液晶屏組成。利用射頻識(shí)別系統(tǒng)，在每只生豬的耳朵上設(shè)置一個(gè)電子耳標(biāo)，從而可以識(shí)別出每頭生豬。在生豬進(jìn)食的附近設(shè)置檢測(cè)站，當(dāng)生豬進(jìn)食的時(shí)候，超聲波可以檢測(cè)到生豬與天花板的距離，從而根據(jù)整個(gè)房間的高度算出生豬的身高，紅外測(cè)溫模塊不需要直接接觸生豬，可以間接測(cè)出生豬的體溫，在生豬進(jìn)食的檢測(cè)站下放置HX711重量傳感器，可以測(cè)出生豬的體重參數(shù)。STM32單片機(jī)可以采集紅外測(cè)溫模塊和重量傳感器的AD數(shù)值，從而得到具體的體重體溫參數(shù)。最后通過(guò)WIFI通信模塊將數(shù)據(jù)傳送給PC主機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)選用

STM32F103系列屬于中低端的32位ARM微控制器。STM32F103系列最高工作頻率72MHZ，具有從256K至512K字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器、高達(dá)64K字節(jié)的SRAM。該系列芯片性能強(qiáng)大，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于51單片機(jī)，而成本則低于STM32F4系列單片機(jī)，完全適用于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3.2 射頻識(shí)別模塊

射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，簡(jiǎn)稱RFID）是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)可以自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象，并且可以進(jìn)行物品追蹤和快速的數(shù)據(jù)交換[1]。該模塊的目的是對(duì)于每一頭生豬進(jìn)行識(shí)別，在生豬的耳朵上設(shè)置一個(gè)電子標(biāo)簽，當(dāng)生豬進(jìn)入傳感器范圍內(nèi)，電子標(biāo)簽?zāi)軌虬l(fā)送每一頭生豬對(duì)應(yīng)的編號(hào)以及其生理參數(shù)等信息給讀寫器，從而STM32單片機(jī)可以識(shí)別出每一頭生豬，同時(shí)也對(duì)該生豬的各項(xiàng)生理參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)并且將數(shù)據(jù)更新返回至電子標(biāo)簽。養(yǎng)殖業(yè)主便能輕易地了解到每一頭生豬的生長(zhǎng)狀況。

3.3 HC-SR04超聲波模塊

HC-SR04超聲波測(cè)距模塊是一種非接觸式的測(cè)距傳感器，可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，測(cè)量精度較高，性能穩(wěn)定[2]。在本系統(tǒng)中該模塊的作用是測(cè)量生豬的垂直高度，HC-SR04精確度高，最小測(cè)量單位可以達(dá)到到1mm，生豬的垂直高度一般在50cm到90cm之間，所以HC-SR04完全可以精確測(cè)量生豬的垂直高度。

3.4 MLX90614模塊

MLX90614 是一款用于非接觸式溫度測(cè)量的紅外溫度計(jì)。MLX90614 集成有低噪聲放大器、17 位 ADC 和強(qiáng)大的 DSP 單元，因此溫度計(jì)兼具高精度和高分辨率。MLX90614可以在不接觸物體情況下，利用物體自身紅外輻射，直接測(cè)量溫度，實(shí)現(xiàn)非接觸實(shí)時(shí)采集顯示溫度數(shù)據(jù)[3]。MLX90614具有體積小、精度高、測(cè)溫范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、工藝性強(qiáng)，便于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)等特點(diǎn)[4]。在本系統(tǒng)中該模塊用于測(cè)量生豬的體溫，MLX90614對(duì)物體溫度的測(cè)量范圍在-40至85°C，精度高達(dá)0.5°C，分辨率高達(dá)0.02°C，MLX90614完全可以精準(zhǔn)測(cè)量生豬的體溫。

3.5 HX711模塊

HX711是一款專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。用HX711設(shè)計(jì)的電子秤精度可達(dá)1g，測(cè)量的一致性好，測(cè)量誤差為+/-1g，且成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于小量程高精度電子稱重的場(chǎng)合[5]。本系統(tǒng)使用HX711模塊采集生豬體重信息，通過(guò)STM32單片機(jī)進(jìn)行AD采樣，讀取HX711的24位AD值，從而得到生豬的體重參數(shù)。HX711精度高、測(cè)量范圍大，足夠生豬體重的測(cè)量。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)全橋電路，該全橋電路由四個(gè)壓力傳感器組成，每個(gè)傳感器最大負(fù)載值為50kg，所以總的最大負(fù)載為200kg。而成年生豬的體重在90kg到120kg之間，所以該全橋電路組成的重力傳感器完全能夠測(cè)量生豬體重。下圖2是全橋電路電路圖。R1、R2、R3、R4應(yīng)變電阻相同，C接HX711的E+端口，A接HX711的E-端口，由HX711對(duì)全橋電路AC端提供電壓。B接HX711的A+端口，D接HX711的A-端口。由HX711采集BD端的電壓變化。傳感器無(wú)負(fù)載時(shí)，該傳感器上BD端的電壓U0為未放重物的初始電壓，可通過(guò)HX711采集未放重物時(shí)對(duì)應(yīng)的AD初值。當(dāng)有重物在傳感器上時(shí)，應(yīng)變片電阻會(huì)發(fā)送變化，導(dǎo)致UBD會(huì)發(fā)送變化，因?yàn)樗盟膫€(gè)應(yīng)變片完全相同，所以△UBD≈E*dR/R。Ks為材料靈敏系數(shù)，應(yīng)變?yōu)棣牛娮枳兓蕿閐R/R，有公式dR/R=Ks*ε。根據(jù)胡克定律，固體材料受力之后，材料中的應(yīng)力 σ與ε成正比[6]。所以dR/R與應(yīng)力σ成正比，即輸出電壓變化△UBD與傳感器所受應(yīng)力成正比。測(cè)量傳感器負(fù)載時(shí)的AD值，再與傳感器無(wú)負(fù)載時(shí)的AD值比較，通過(guò)實(shí)際測(cè)量重量轉(zhuǎn)換公式即體重=（ADnow-ADinit）/7800，可算出物體的重量。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主程序

首先進(jìn)行設(shè)備初始化，當(dāng)生豬在進(jìn)食站進(jìn)食時(shí)，STM32單片機(jī)控制射頻讀寫器發(fā)送射頻信號(hào)給生豬上的射頻卡，當(dāng)貼有電子標(biāo)簽的生豬進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)，就能將存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，讀寫器便能讀取出電子標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，從而達(dá)到識(shí)別的目的。之后進(jìn)行生豬生長(zhǎng)參數(shù)測(cè)量。將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并且通過(guò)WiFi模塊傳送給PC主機(jī)。系統(tǒng)主流程圖如圖3所示。

4.2 射頻識(shí)別模塊程序

將射頻讀寫器進(jìn)行初始化，通信過(guò)程就是射頻讀寫器與射頻卡之間進(jìn)行通信，通信方式為半雙工通信，所以在通信之前要建立一定的通信協(xié)議。射頻讀寫器發(fā)出指令信號(hào)，如果射頻卡在射頻信號(hào)范圍內(nèi)就會(huì)接收到信號(hào)，射頻卡接受信號(hào)后指令譯碼，處于被有限狀態(tài)的控制中，處理數(shù)據(jù)，并把處理后的結(jié)果返回。該模塊的工作流程圖如圖4所示。

4.3 信息采集模塊程

生豬識(shí)別之后，可通過(guò)STM32F103ZET6單片機(jī)采集生豬的垂直高度、體重、體溫等生理參數(shù)。將采集的數(shù)據(jù)保存并返回至生豬的電子耳標(biāo)的射頻卡中，還可將生豬生理數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi模塊傳至PC主機(jī)。該模塊的工作流程圖如圖5所示。

5 總結(jié)

本系統(tǒng)將STM32F103ZET6作為主控芯片，為每一頭生豬安裝電子耳標(biāo)，通過(guò)射頻識(shí)別模塊識(shí)別每一頭生豬。利用STM32F103ZET6單片機(jī)測(cè)量與采集生豬的身高、體重、體溫等生長(zhǎng)生理參數(shù)，并且將數(shù)據(jù)傳送至PC主機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)成本低，性能好，可靠性較高，系統(tǒng)性能完善。通過(guò)本系統(tǒng)，用戶可以直觀地觀測(cè)到生豬生長(zhǎng)的生理狀況，較大程度上可以滿足用戶需求，適用于用戶對(duì)生豬生長(zhǎng)參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)。

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