基于STM32的養(yǎng)殖機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

湯耀森，唐艷鳳，蔡鴻諭，胡 釗

（廣州華立學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣州 511325）

0 引言

當(dāng)前我國(guó)禽類(lèi)養(yǎng)殖主要有3種模式：傳統(tǒng)散養(yǎng)型、小規(guī)模專(zhuān)業(yè)養(yǎng)殖戶以及大規(guī)模集約化養(yǎng)殖。以前兩種養(yǎng)殖模式為主，規(guī)模較小，集約化水平低，存在著成本投入過(guò)多、環(huán)境污染和防疫工作差等問(wèn)題。養(yǎng)殖方式較為落后，經(jīng)濟(jì)效益不高[1]。而美國(guó)養(yǎng)殖場(chǎng)，集約化程度高，規(guī)?；B(yǎng)殖已進(jìn)入深水區(qū)，人力投入成本低，機(jī)械化自動(dòng)化程度高[2]。禽類(lèi)養(yǎng)殖精細(xì)化、集約化、自動(dòng)化的研究是當(dāng)前國(guó)內(nèi)的熱點(diǎn)，該研究可降低人力成本投入、提高禽類(lèi)肉質(zhì)以及保障禽類(lèi)的健康安全[3]。

然而當(dāng)前我國(guó)自主研發(fā)的養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)以及自動(dòng)化設(shè)備主要為企業(yè)和大規(guī)模養(yǎng)殖戶定制，而為小規(guī)模生產(chǎn)戶個(gè)性化定制的養(yǎng)殖機(jī)器人較少，小規(guī)模生產(chǎn)戶自動(dòng)化集約化程度低[4]。為了縮小我國(guó)和國(guó)外整體養(yǎng)殖業(yè)的差距，使小規(guī)模養(yǎng)殖戶向著集約化自動(dòng)化發(fā)展，提高養(yǎng)殖生產(chǎn)的管理水平。讓禽類(lèi)在一個(gè)健康無(wú)污染的環(huán)境生長(zhǎng)，可以有效減少傳染病的發(fā)生以及減少飼料的投放，降低養(yǎng)殖成本[5]。因此，為小規(guī)模養(yǎng)殖戶設(shè)計(jì)一套能夠監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖環(huán)境和遠(yuǎn)程控制設(shè)備的機(jī)器人是非常有必要的。本項(xiàng)目提出了基于STM32養(yǎng)殖機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)養(yǎng)殖戶養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境和氣候，結(jié)合科學(xué)養(yǎng)殖數(shù)據(jù)，制定適宜該養(yǎng)殖場(chǎng)的調(diào)節(jié)閾值，為小規(guī)模養(yǎng)殖戶定制個(gè)性化養(yǎng)殖機(jī)器人。用戶可在手機(jī)端監(jiān)控養(yǎng)殖環(huán)境中的空氣質(zhì)量和溫濕度，還可遠(yuǎn)程控制照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、加熱器、抽濕器和加濕器等設(shè)備工作，調(diào)節(jié)養(yǎng)殖環(huán)境。從而提高小規(guī)模養(yǎng)殖戶自動(dòng)化和集約化程度，提升養(yǎng)殖管理水平，減少人力成本支出。

1 總體設(shè)計(jì)

發(fā)展智能綠色養(yǎng)殖需依靠科學(xué)的方法和精準(zhǔn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。養(yǎng)殖戶要在科學(xué)正確的養(yǎng)殖方法指導(dǎo)下結(jié)合精準(zhǔn)實(shí)時(shí)的養(yǎng)殖數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行管理。如圖1所示。在系統(tǒng)中，使用了多種監(jiān)測(cè)的傳感器，傳感器主要針對(duì)溫度、濕度和有害氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。養(yǎng)殖戶通過(guò)阿里云物聯(lián)網(wǎng)客戶端觀測(cè)數(shù)據(jù)，還可遠(yuǎn)程控制照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、加熱器、抽濕器和加濕器等設(shè)備工作，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)溫濕度和通風(fēng)，為禽類(lèi)提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。當(dāng)傳感器檢測(cè)出環(huán)境參數(shù)超出安全范圍時(shí)，能夠借助EC20的無(wú)線通信通知到養(yǎng)殖戶的手機(jī)端，并進(jìn)行警報(bào)提示，提醒養(yǎng)殖戶觀測(cè)環(huán)境參數(shù)，檢查養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)環(huán)境。禽類(lèi)在光照較好的白天進(jìn)食較多，夜晚則較少進(jìn)食，根據(jù)禽類(lèi)飲食規(guī)律，定時(shí)給飼養(yǎng)槽里投放飼料和補(bǔ)水。在系統(tǒng)設(shè)置定時(shí)模塊，到喂食時(shí)間，STM32驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)控制飼料和水量投放。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度傳感器

禽類(lèi)養(yǎng)殖的適宜溫度在20～30℃，當(dāng)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)溫度高于35℃，禽類(lèi)會(huì)出現(xiàn)厭食甚至中暑的現(xiàn)象。當(dāng)溫度過(guò)低，禽類(lèi)容易感冒。

如果養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)過(guò)于干燥，易引起羽毛生長(zhǎng)不良和脫水的問(wèn)題。如果養(yǎng)殖場(chǎng)濕度過(guò)高，容易滋生細(xì)菌，禽類(lèi)容易患腸道疾病。故需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的溫濕度情況。

STM32F407核心板自帶溫濕度傳感器，其檢測(cè)溫度范圍在-40～125℃，濕度檢測(cè)范圍在20%～95%。溫度測(cè)量是通過(guò)ADC端口進(jìn)行測(cè)量的[6]。接好VCC和GND，指示燈亮，通過(guò)對(duì)電位器的調(diào)節(jié)，可以改變溫濕度檢測(cè)的閾值。當(dāng)高于或低于設(shè)定閾值時(shí)，輸出高電平，綠燈不亮[7]；通過(guò)STM32來(lái)檢測(cè)高低電平，由此來(lái)檢測(cè)環(huán)境的溫濕度。如圖2所示。

圖2 溫濕度傳感器電路

2.2 氣體傳感器

在養(yǎng)殖生產(chǎn)中，避免不了氨氣的產(chǎn)生，動(dòng)物排糞和飼料發(fā)酵都會(huì)產(chǎn)生大量的氨氣[8]。禽類(lèi)長(zhǎng)期吸入大量氨氣，嚴(yán)重影響禽類(lèi)的健康生長(zhǎng)。因此在養(yǎng)殖生產(chǎn)中氨氣的濃度應(yīng)保持在25 ppm以下。本系統(tǒng)采用MQ-135氣體傳感器，可檢測(cè)氨氣這一有害氣體，檢測(cè)范圍在10～1 000 ppm[9]。接好VCC和GND，指示燈亮，設(shè)定傳感器閾值。當(dāng)有害氣體濃度低于閾值，DO口輸出高電平，AO接口電壓為0 V，指示燈常亮。當(dāng)有害氣體濃度高于閾值，DO口輸出低電平，AO口輸出的電壓會(huì)隨著氣體的濃度增大而增大，指示燈高亮度隨著變暗。如圖3所示。

圖3 氣體傳感器電路

2.3 光照強(qiáng)度控制

禽類(lèi)隨著生長(zhǎng)的變化，對(duì)光照強(qiáng)度要求不斷改變。養(yǎng)殖場(chǎng)建設(shè)為在密閉室內(nèi)，禽類(lèi)獲得光源為暖色照明系統(tǒng)。據(jù)研究表明，白天時(shí)間日照時(shí)間越長(zhǎng)，禽類(lèi)生長(zhǎng)則越快。采用暖色照明系統(tǒng)，盡可能還原白天日照環(huán)境，長(zhǎng)時(shí)間照射，從而加快禽類(lèi)的生長(zhǎng)。根據(jù)禽類(lèi)不同生長(zhǎng)周期，調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的光照強(qiáng)度，禽類(lèi)日齡在0～20天，光照強(qiáng)度應(yīng)為15 Lux，日齡20天以后，光照強(qiáng)度則為5 Lux。如圖4所示。

圖4 養(yǎng)殖場(chǎng)光照強(qiáng)度預(yù)期值

2.4 無(wú)線傳輸模塊

本系統(tǒng)的無(wú)線通信模塊為EC20通信模塊，可插入SIM卡，支持4G上網(wǎng)，傳輸數(shù)據(jù)速度快[10]。本系統(tǒng)EC20模塊通過(guò)UART串行數(shù)據(jù)總線與主控芯片實(shí)現(xiàn)通信。通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)，用戶可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息接收與發(fā)送。用戶可以遠(yuǎn)程了解養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)信息以及遠(yuǎn)程控制養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)各設(shè)備系統(tǒng)。如圖5所示。

圖5 EC20通訊功能圖

2.5 設(shè)備系統(tǒng)控制模塊

設(shè)備系統(tǒng)控制中，繼電器起著對(duì)設(shè)備開(kāi)關(guān)的作用，STM32通過(guò)控制繼電器的息合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)控制。

養(yǎng)殖戶根據(jù)傳感器收集的數(shù)據(jù)，可遠(yuǎn)程控制通風(fēng)設(shè)備、光照設(shè)備、抽濕器、加濕器以及加熱器。由于養(yǎng)殖場(chǎng)面積較大，選用RS485接口電路，兩個(gè)RS485接口電路組成一組采集端與發(fā)射端。如圖6所示。采集端與各傳感器以及設(shè)備控制連接，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集以及設(shè)備控制的功能。發(fā)送端與EC20通信模塊相連，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至阿里云服務(wù)器。用戶要想控制設(shè)備開(kāi)關(guān)，可通過(guò)阿里云發(fā)送控制指令至發(fā)射端，發(fā)射端將指令傳送到采集端，可實(shí)現(xiàn)對(duì)照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、加熱器以及加濕器的控制。

圖6 RS485電路

2.6 自動(dòng)投料和補(bǔ)水模塊

養(yǎng)殖生產(chǎn)朝著自動(dòng)化發(fā)展，人工巡場(chǎng)補(bǔ)料和補(bǔ)水已不能滿足當(dāng)前的生產(chǎn)發(fā)展，自動(dòng)投料可將人從簡(jiǎn)單繁重的體力活中解放出來(lái)，減少人力成本，科學(xué)合理投料，可減少飼料的浪費(fèi)以及促進(jìn)禽類(lèi)健康生長(zhǎng)[11]。

本自動(dòng)投料和補(bǔ)水模塊中由壓力傳感器和電機(jī)構(gòu)成。禽類(lèi)在白天進(jìn)食較多，夜晚進(jìn)食較少。定時(shí)定量給禽類(lèi)投料，壓力傳感器測(cè)量喂養(yǎng)槽內(nèi)飼料重量，反饋重量數(shù)值給STM32，當(dāng)飼料量小于閾值，STM32控制電機(jī)打開(kāi)飼料倉(cāng)進(jìn)行投料，邊投邊測(cè)量槽內(nèi)飼料重量，當(dāng)重量達(dá)到對(duì)應(yīng)閾值，則STM32控制電機(jī)關(guān)閉投料倉(cāng)。如圖7所示。

圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療設(shè)備以及生活中，將物聯(lián)網(wǎng)融入在養(yǎng)殖生產(chǎn)中，可實(shí)現(xiàn)人對(duì)機(jī)器的遠(yuǎn)程互動(dòng)，大大提高養(yǎng)殖生產(chǎn)的效率以及減少人工成本的投入。物聯(lián)網(wǎng)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層是機(jī)器對(duì)事物多方面的認(rèn)知，主要由傳感器組成。網(wǎng)絡(luò)層是感知層和應(yīng)用層連接的樞紐，將感知層采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層，一般由通訊模塊組成。應(yīng)用層由服務(wù)器組成，完成數(shù)據(jù)中應(yīng)用和管理[12]。本系統(tǒng)中感知層是溫濕度傳感器、氣體傳感器和壓力傳感器，網(wǎng)絡(luò)層是EC20通訊模塊，應(yīng)用層采用了阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，其中使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，具有簡(jiǎn)便開(kāi)發(fā)以及穩(wěn)定的特點(diǎn)。

3.1 阿里云物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的建立

軟件設(shè)計(jì)部分包括阿里云物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的建立、STM32與EC20的連接、采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至阿里云服務(wù)器以及定時(shí)補(bǔ)料。傳感器采集數(shù)據(jù)，STM32主控板處理數(shù)據(jù)并通過(guò)EC20通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到阿里云MQTT服務(wù)器。用戶登錄阿里云，便可實(shí)時(shí)監(jiān)控養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的環(huán)境，還可以遠(yuǎn)程發(fā)送指令控制設(shè)備，對(duì)設(shè)備進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉的控制。

如圖8所示，登陸阿里云，進(jìn)入生活物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，項(xiàng)目自定義設(shè)置。建立4個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，分別為溫度監(jiān)測(cè)、濕度監(jiān)測(cè)、光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)以及空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)。同時(shí)建立4個(gè)遠(yuǎn)程設(shè)備開(kāi)關(guān)，分別控制加濕器、加熱器、照明系統(tǒng)以及通風(fēng)系統(tǒng)。項(xiàng)目建立完后，添加要連接的移遠(yuǎn)EC20設(shè)備。登錄EC20個(gè)人賬號(hào)，與養(yǎng)殖機(jī)器人阿里云物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目相連，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

圖8 創(chuàng)建阿里云物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目

3.1.1 EC20與STM32的通信連接

STM32通電后，每秒發(fā)送AT指令等待響應(yīng)OK，當(dāng)60 s超時(shí)，發(fā)送AT+RST重啟模塊，重新發(fā)送指令等待響應(yīng)。返回OK后，發(fā)送AT+CPIN指令判斷Sim卡是否在位。當(dāng)Sim卡在位，發(fā)送AT+COPS指令檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)是否注冊(cè)成功，1 s發(fā)送一次指令，共發(fā)送60次。指令發(fā)送成功后，會(huì)反饋出（電信、移動(dòng)或聯(lián)通）運(yùn)營(yíng)商的信息。激活PDP，發(fā)送AT+GSOCR指令，創(chuàng)建socket。創(chuàng)建socket成功，則可以跟阿里云MQTT服務(wù)器進(jìn)行業(yè)務(wù)交互。

3.1.2 將采集數(shù)據(jù)發(fā)布給服務(wù)器

啟動(dòng)養(yǎng)殖機(jī)器人后，STM32發(fā)送AT指令與阿里云構(gòu)成連接。連接成功后，養(yǎng)殖機(jī)器人進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，將采集數(shù)據(jù)上傳至阿里云服務(wù)器。服務(wù)器將同步更新數(shù)據(jù)到用戶手機(jī)。如圖9所示，用戶可簡(jiǎn)便觀看采集數(shù)值以及可以發(fā)送控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的開(kāi)關(guān)。

圖9 設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行流程

3.2 養(yǎng)殖機(jī)器人的工作流程

工作流程如圖10所示。開(kāi)啟養(yǎng)殖機(jī)器人后，系統(tǒng)進(jìn)入初始化狀態(tài)。根據(jù)各傳感器采集的數(shù)據(jù)，開(kāi)啟各設(shè)備運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)環(huán)境的平衡。在溫濕度檢測(cè)中，當(dāng)溫度低于閾值、濕度低于閾值，STM32通過(guò)控制繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器以及加濕器的開(kāi)啟。當(dāng)溫度高于閾值、濕度高于閾值，則開(kāi)啟通風(fēng)系統(tǒng)，降溫排濕。養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)配備有多個(gè)氣體傳感器，用于檢測(cè)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)一氧化碳以及氨氣等有害氣體。當(dāng)有害氣體的濃度高于25 ppm，則加強(qiáng)通風(fēng)系統(tǒng)，排風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，加快空氣流通。同時(shí)，STM32采集的信息通過(guò)EC20通訊模塊傳輸?shù)接冒⒗镌品?wù)器，提醒用戶及時(shí)清理糞便和殘余飼料量。

圖10 用戶客戶端界面

4 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析

分別對(duì)主控模塊、接口電路和通訊模塊進(jìn)行測(cè)試。養(yǎng)殖機(jī)器人檢測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)，人工也進(jìn)行采集養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)據(jù)。在養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)記錄了7天的數(shù)據(jù)，采集完數(shù)據(jù)，與人工采集數(shù)據(jù)作比較。如圖11所示，其中第五天是雨天，天氣預(yù)報(bào)中空氣濕度達(dá)到89%，養(yǎng)殖機(jī)器人測(cè)出數(shù)值在91%。由于下雨，第五天氣溫較其他天溫度較低。采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，養(yǎng)殖機(jī)器人與人工采集數(shù)據(jù)誤差在3%。手機(jī)打開(kāi)阿里云客戶端，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制通風(fēng)系統(tǒng)、加熱器和加濕器的功能。養(yǎng)殖機(jī)器人總體滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖11 7天數(shù)據(jù)測(cè)量統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)束語(yǔ)

以往傳統(tǒng)小型養(yǎng)殖戶缺乏科學(xué)化管理，依靠經(jīng)驗(yàn)養(yǎng)殖，養(yǎng)殖環(huán)境差，養(yǎng)殖效率低，經(jīng)濟(jì)效益低。針對(duì)目前我國(guó)小型養(yǎng)殖現(xiàn)狀問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于STM32養(yǎng)殖機(jī)器人控制系統(tǒng)。該方案由STM32主控板、溫濕度傳感器、氣體傳感器、壓力傳感器、投料電機(jī)、RS485接口電路以及EC20遠(yuǎn)程通信技術(shù)組成，能夠?qū)崟r(shí)在線采集養(yǎng)殖養(yǎng)殖場(chǎng)的溫度、濕度和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。養(yǎng)殖戶可以通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程訪問(wèn)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)信息，并能夠針對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)環(huán)境變化，對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，如開(kāi)啟加濕器、加熱器、打開(kāi)照明系統(tǒng)和打開(kāi)通風(fēng)系統(tǒng)。本養(yǎng)殖機(jī)器人控制系統(tǒng)較傳統(tǒng)小型養(yǎng)殖模式而言，具有精準(zhǔn)化、自動(dòng)化和便捷性的特點(diǎn)，提高養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境水平，為禽類(lèi)提供適宜的環(huán)境，保障養(yǎng)殖生產(chǎn)安全，有效提高禽類(lèi)養(yǎng)殖存活率。遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和遠(yuǎn)程控制設(shè)備，可減少人力成本，從而提高養(yǎng)殖戶的經(jīng)濟(jì)效益。