基于51單片機(jī)的家禽養(yǎng)殖投食系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

顏中練，葉俊，余永海，韋雯雯，繆和曦，譙浪

（興義民族師范信息技術(shù)學(xué)院，貴州興義，562400）

0 引言

隨著養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展、養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大；智能化成為現(xiàn)代養(yǎng)殖中的趨勢(shì)，本項(xiàng)目將以51單片機(jī)為主控芯片，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一套滿足家禽養(yǎng)殖過(guò)程中的自動(dòng)投食系統(tǒng)[1]，以降低傳統(tǒng)家禽養(yǎng)殖過(guò)程中的人工體力投入、時(shí)間成本；解決自動(dòng)化定時(shí)、定點(diǎn)投食的家禽喂養(yǎng)問(wèn)題。在養(yǎng)殖業(yè)中養(yǎng)殖者需要花費(fèi)大部分的時(shí)間精力進(jìn)行投喂照看，不僅僅提高產(chǎn)出率和質(zhì)量已經(jīng)成為畜牧養(yǎng)殖業(yè)中的重中之重，怎么樣減少勞動(dòng)力也成為了本設(shè)計(jì)現(xiàn)在首要考慮的一大要點(diǎn)。

因此，本項(xiàng)目利用51單片機(jī)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套為養(yǎng)殖人員提供自動(dòng)投食的養(yǎng)殖系統(tǒng)[2]，在養(yǎng)殖過(guò)程中大大減少人員的投入以及工作時(shí)間。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

■ 1.1 系統(tǒng)介紹

該設(shè)計(jì)是一個(gè)包括手機(jī)APP、51單片機(jī)作為核心芯片的養(yǎng)殖系統(tǒng)[3]。其主要針對(duì)農(nóng)村家庭養(yǎng)殖家禽設(shè)計(jì)的自動(dòng)化養(yǎng)殖系統(tǒng)，具有智能化和實(shí)時(shí)監(jiān)控的特點(diǎn)。系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，將用戶的手機(jī)、ESP8266和51單片機(jī)及相關(guān)的傳感器聯(lián)系在一起，進(jìn)行信息的交互，從而實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)智能化的檢測(cè)[4]。根據(jù)傳感器獲取到的溫濕度數(shù)據(jù)以及有害氣體濃度還有食槽中糧草的質(zhì)量等數(shù)據(jù)，用戶可以分析出是否需要給養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行開啟風(fēng)扇、打開水泵或者投喂糧食等操作[5]。該系統(tǒng)可以幫助用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的基本信息，極大可能的減少了在養(yǎng)殖過(guò)程中人員和時(shí)間的投入。系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程圖如圖1所示。

圖1 業(yè)務(wù)流程圖

■ 1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)使用51單片機(jī)作為核心控制器，采取物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)，將ESP8266模塊和相關(guān)的硬件通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)[6]。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將獲取到的養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送給APP，實(shí)現(xiàn)了信息的無(wú)線傳輸，可以將養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)信息第一時(shí)間發(fā)送給用戶，實(shí)現(xiàn)智能化的養(yǎng)殖目的。系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)的硬件裝置主要由51單片機(jī)、ESP8266、MQ-135和溫濕度傳感器組成，本系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。通過(guò)繪制PCB板可以直觀的觀察系統(tǒng)的PCB布局，PCB布局如圖4所示。本文基于STC51單片機(jī)開發(fā)板進(jìn)行設(shè)計(jì)[7]，控制電路供電電壓為5V，ESP8266常用工作電壓為3.3V，因此需要通過(guò)1117（穩(wěn)壓器）進(jìn)行降壓。STC51單片機(jī)與ESP8266模塊使用串口通信，來(lái)完成控制命令和數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò)I/O引腳控制重力傳感器、溫濕度傳感器、MQ-135進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制風(fēng)扇、蜂鳴器、水泵、舵機(jī)完成相應(yīng)的任務(wù)[8]。本設(shè)計(jì)的控制電路圖如圖5所示。

圖3 電路設(shè)計(jì)圖

圖4 電路設(shè)計(jì)圖

圖5 控制電路圖

■ 2.1 STC51單片機(jī)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STC51芯片作為51單片機(jī)的控制系統(tǒng)。STC51單片機(jī)是由集成微處理器、存儲(chǔ)器和I/O接口電路在集成電路芯片上集成而得的。其從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，有較高的集成度，即使處于長(zhǎng)時(shí)間的工作也不會(huì)存在故障問(wèn)題并且對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力和運(yùn)算能力較強(qiáng)[9]，可以在各種環(huán)境中運(yùn)用。在系統(tǒng)中通過(guò)51單片機(jī)來(lái)采集各傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。STC51芯片模塊如圖6所示。

圖6 STC51芯片模塊

■ 2.2 ESP8266模塊

利用ESP8266可以實(shí)現(xiàn)十分靈活的組網(wǎng)方式和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，連接服務(wù)器，與單片機(jī)進(jìn)行串口通訊。本設(shè)計(jì)ESP8266采用Station模式，連接服務(wù)器，與單片機(jī)進(jìn)行串口通訊。由5V電壓接入后通過(guò)接1個(gè)電阻轉(zhuǎn)換成3.3V的穩(wěn)壓，ESP8266的TX端口連接STC51單片機(jī)的RX端口，ESP8266的RX端口連接C51單片機(jī)的TX端口。ESP8266模塊如圖7所示。（RX：接收數(shù)據(jù) TX：發(fā)送數(shù)據(jù)）

圖7 ESP8266模塊

■ 2.3 相關(guān)傳感器

由于養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，為了構(gòu)建良好的環(huán)境，本設(shè)計(jì)空氣質(zhì)量傳感器為MQ-135傳感器。該傳感器的氣敏材料是在清潔空氣中導(dǎo)電率較低的二氧化錫，當(dāng)所處的環(huán)境存在有害氣體時(shí)，傳感器的導(dǎo)電率會(huì)隨著空氣中的有害氣體濃度增加而變大。溫濕度傳感器采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，其采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有極高的可靠性與穩(wěn)定性。重力傳感器是應(yīng)變片電阻式稱重傳感器，其采用電阻應(yīng)變片作為敏感元件進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度高，壽命長(zhǎng)。MQ-135模塊、溫濕度模塊、重力傳感器模塊分別如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 MQ-135模塊

圖9 溫濕度模塊

圖10 重力傳感器模塊

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■ 3.1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

本項(xiàng)目將以STC51系列單片機(jī)為主控芯片，根據(jù)家禽飼養(yǎng)過(guò)程投食、喂養(yǎng)特性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)家禽喂養(yǎng)自動(dòng)投食系統(tǒng)?；趩纹瑱C(jī)的大型家禽養(yǎng)殖基地智能環(huán)境控制系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心,通過(guò)傳感器對(duì)養(yǎng)殖基地內(nèi)有害氣體與養(yǎng)殖基地內(nèi)的溫濕度進(jìn)行采集，分析得出是否需要對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行處理，大大的促進(jìn)大型家禽業(yè)的增產(chǎn)、增收和增效，同時(shí)還能有效減輕相關(guān)人員的工作強(qiáng)度，提升相關(guān)人員的工作效率。本系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)流程圖如圖11所示。

圖11 網(wǎng)關(guān)流程圖

主要研究?jī)?nèi)容：

（1）遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)：手機(jī)登錄、遠(yuǎn)程操控、投食喂養(yǎng)；

（2）自動(dòng)投食系統(tǒng)：定時(shí)定點(diǎn)按照家禽養(yǎng)殖喂養(yǎng)特性，自動(dòng)完成家禽食料喂養(yǎng)。

■ 3.2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)的工作原理為：用戶在手機(jī)端注冊(cè)登錄點(diǎn)燈科技APP后，控制ESP8266連接上網(wǎng)絡(luò)，在APP中查看通過(guò)ESP8266發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。用戶在手機(jī)上接收到數(shù)據(jù)之后可以根據(jù)自己的需求對(duì)養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)行控制，比如當(dāng)糧草不足時(shí)可以進(jìn)行投喂糧草。還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫濕度和空氣質(zhì)量，通過(guò)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)可以選擇是否打開水泵噴水或者是否打開風(fēng)扇等操作；通過(guò)設(shè)計(jì)在養(yǎng)殖過(guò)程中可以節(jié)約工作人員的投喂時(shí)間以及經(jīng)常查看飼養(yǎng)棚中的環(huán)境的時(shí)間，還減少了勞動(dòng)力的投入，使喂養(yǎng)過(guò)程更加簡(jiǎn)單。本系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖12所示。本系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)如圖13所示。

圖12 養(yǎng)殖系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖13 養(yǎng)殖系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

在本項(xiàng)目以單片機(jī)作為該系統(tǒng)的主控芯片，使用ESP8266傳輸與接收數(shù)據(jù)，借助了WiFi網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸能力，針對(duì)家禽養(yǎng)殖中遇到的常見問(wèn)題去加以處理，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化喂養(yǎng)系統(tǒng)[10]。使用單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)也源于它體積小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單功能完善等優(yōu)點(diǎn)。利用網(wǎng)絡(luò)連接客戶端與核心模塊的數(shù)據(jù)交互，客戶端操作簡(jiǎn)單，獲取養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性好，信息準(zhǔn)確，發(fā)出指令后養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行正常。時(shí)間數(shù)據(jù)表明，客戶端軟件與核心模塊數(shù)據(jù)交換可靠，客戶端的界面操作簡(jiǎn)單，獲取養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性好，信息準(zhǔn)確，發(fā)出指令后養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)設(shè)備正常并且參數(shù)可調(diào)。而且，隨著近年來(lái)我國(guó)在大型家禽養(yǎng)殖行業(yè)里的不斷發(fā)展，省時(shí)省力的養(yǎng)殖受到廣泛關(guān)注。結(jié)合智能化的養(yǎng)殖方式能大大的減少時(shí)間、人員的投入，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)投食的目標(biāo)。借助云平臺(tái)，從成本上到人力等個(gè)方面都展示了該系統(tǒng)的可行性。