基于STM32的畜牧業(yè)全方位消毒和監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

王高樂 劉佳 韓祥森 張培航 趙夢雪

摘 ?要：針對基層畜牧業(yè)養(yǎng)殖過程中的養(yǎng)殖環(huán)境消殺及環(huán)境變量監(jiān)測問題，設(shè)計了一種環(huán)境消殺及環(huán)境檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計了環(huán)境消殺管道，該管道易鋪設(shè)，易拆解，能夠?qū)崿F(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境的全方位消殺工作，此系統(tǒng)的環(huán)境檢測部分包含多個環(huán)境檢測模塊，如溫濕度傳感器、光照傳感器、有害氣體傳感器、二氧化碳傳感器等，同時包含多種功能模塊，如排氣風(fēng)扇、室內(nèi)燈光、遮陽簾開關(guān)。同時該系統(tǒng)利用串口通信技術(shù)，通過Wi-Fi模塊與手機(jī)進(jìn)行連接，將環(huán)境參數(shù)發(fā)送到手機(jī)APP，以及手機(jī)APP對消殺系統(tǒng)進(jìn)行開關(guān)，以及對環(huán)境閾值進(jìn)行設(shè)定。實驗表明該系統(tǒng)設(shè)計的全方位消毒系統(tǒng)極大地節(jié)省了人力。

關(guān)鍵詞：環(huán)境消殺；環(huán)境檢測；Wi-Fi；串口通信；單片機(jī)

中圖分類號：TP368 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? 文章編號：2096-4706（2023）14-0172-05

Design of Comprehensive Disinfection and Monitoring System for Animal Husbandry Based on STM32

WANG Gaole， LIU Jia， HAN Xiangsen， ZHANG Peihang， ZHAO Mengxue

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou ?253034， China）

Abstract： In view of the breeding environmental elimination and environmental variable monitoring problems in the breeding process of basic animal husbandry， this paper designs an environmental elimination and environmental detection system. The system designs an environmental elimination pipeline， which is easy to lay and disassemble， and can realize the all-round work of the breeding environment. The environmental detection part of this system includes several environmental detection modules， such as temperature and humidity sensor， light sensor， harmful gas sensor， carbon dioxide sensor and so on. At the same time， it contains a variety of actuators， such as exhaust fan， indoor lighting， shading curtain switch. At the same time， the system uses communication technology， connects with the mobile phone through the Wi-Fi module， sends the environmental parameters to the mobile APP， and the mobile APP switches the elimination system， and sets the environmental threshold. The experiment shows that the comprehensive disinfection system designed by this system greatly saves manpower.

Keywords： environmental elimination; environmental testing; Wi-Fi; serial communication; Single-Chip Microcomputer

0 ?引 ?言

隨著科技化的不斷推進(jìn)，科技化帶來的各種技術(shù)以及衍生的各類產(chǎn)品，正不斷向各個領(lǐng)域滲透，科技化農(nóng)業(yè)、科技化畜牧業(yè)等新名詞逐漸映入眼前，各類大型養(yǎng)殖企業(yè)，已經(jīng)將科技化設(shè)備引進(jìn)廠房，大大提升了養(yǎng)殖效率以及輸出的產(chǎn)能，同時還節(jié)省了人力物力，管理效果成倍提高，但是對于基層小型養(yǎng)殖者來說，現(xiàn)存的養(yǎng)殖場環(huán)境監(jiān)測設(shè)備和全方位消毒設(shè)備成本高，而且其對養(yǎng)殖廠房搭建的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)都有不同的要求，這樣在規(guī)模、成本、建筑結(jié)構(gòu)上都不能滿足基層養(yǎng)殖者對養(yǎng)殖環(huán)境檢測以及消殺的要求。同時對于基層養(yǎng)殖者來講，依靠人力來監(jiān)控畜牧養(yǎng)殖環(huán)境，不但費時費力，并且還監(jiān)控不準(zhǔn)確，如深夜溫度驟降、人員外出等情況下無法對環(huán)境做到及時檢測。同時對于普通基層養(yǎng)殖者來說，對于養(yǎng)殖環(huán)境的消殺工作一般都是由人工使用背負(fù)式農(nóng)用噴霧器來進(jìn)行消殺，消殺面積有限，噴灑不全面，人員勞動量大，無法有效阻斷外界病菌。因此基于我校山東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目提出基于STM32的畜牧業(yè)全方位消毒和監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，旨在解決基層畜牧業(yè)養(yǎng)殖過程中的環(huán)境消殺問題和環(huán)境檢測問題，為畜牧業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的一份力量。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計方案

該系統(tǒng)設(shè)計分為兩個部分。第一是環(huán)境消殺部分，該部分利用PVC材質(zhì)軟管，與微插頭作為消毒管道鋪設(shè)在養(yǎng)殖環(huán)境周圍，具體長度及位置可隨意更改，更加便捷，對建筑物結(jié)構(gòu)無要求；通過48 V水泵，泵送消毒液，水泵電源接至繼電器從而控制電源通斷，同時繼電器出發(fā)端接至單片機(jī)中；為解決消毒液體腐蝕管道以及噴頭和寒冷天氣管道內(nèi)存有液體凍壞管道的問題，將水泵進(jìn)端管道設(shè)計為二分支，分別放入清水和藥液中，并接入電磁閥控制管道開關(guān)，設(shè)置水泵倒吸功能使管道內(nèi)不剩余液體。第二是環(huán)境監(jiān)測部分，包含溫濕度傳感器、光照傳感器、有害氣體傳感器、二氧化碳傳感器、氣壓傳感器，同時包含多種功能模塊，如排氣風(fēng)扇、室內(nèi)燈光、遮陽簾開關(guān)，通過設(shè)置環(huán)境閾值，使對應(yīng)的功能模塊進(jìn)行運作，并實時將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過Wi-Fi傳送到手機(jī)APP。此外，因為本系統(tǒng)的設(shè)計需要滿足：主頻高，運算速度快，具備多個定時器用來實現(xiàn)邏輯功能，并且具備多個ADC電壓采集，至少包含兩個串口，而STM32能夠滿足以上需求，并且價格適當(dāng)，故選用它為中控芯片。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)上電啟動后，首先進(jìn)行Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)初始化，其他各類模塊進(jìn)行初始化，保證系統(tǒng)正常運行，當(dāng)某個模塊初始化錯誤，將自行重新進(jìn)行初始化操作，連續(xù)三次以上初始化錯誤，蜂鳴器發(fā)出警報，不再進(jìn)行任何操作，給手機(jī)APP返回錯誤指令。初始化成功后，可以通過手機(jī)APP頁面給該系統(tǒng)發(fā)送指令，使水泵進(jìn)行噴灑藥液的操作，環(huán)境參數(shù)會實時發(fā)送到手機(jī)，同時會在顯示屏上顯示出來，顯示屏采用的是10.1英寸的電容觸摸屏，顯示更加清晰。初始化成功后該系統(tǒng)環(huán)境閾值會設(shè)置為默認(rèn)狀態(tài)，閾值狀態(tài)可以通過手機(jī)APP進(jìn)行修改，也可通過該系統(tǒng)設(shè)計按鍵進(jìn)行修改。環(huán)境參數(shù)閾值作為功能模塊比如燈光等自動開啟或者關(guān)閉的標(biāo)志。

2 ?理論分析與計算

2.1 ?消毒管道防腐蝕與防凍設(shè)計

經(jīng)過我們調(diào)研得知，對環(huán)境消殺的藥液呈酸性或堿性，酸性消毒液以次氯酸為主，堿性消毒液以氫氧化鈉也就是人們常說的火堿為主。我們使用的管道是PVC材料，這種材料便宜，輕便，柔軟性好，符合本設(shè)計要求，但長時間處在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿環(huán)境下非常容易被腐蝕。面對管道腐蝕，更嚴(yán)重的問題是噴頭腐蝕和水泵腐蝕，噴頭采用銅制或鐵質(zhì)噴頭，金屬和強(qiáng)酸、強(qiáng)堿極易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會導(dǎo)老化和堵塞，達(dá)不到系統(tǒng)要求，經(jīng)過我們實驗分析得知，噴灑藥液的時間是一定的，當(dāng)噴灑完藥液后管道內(nèi)會剩余大量液體無法排出，導(dǎo)致對管道和噴頭水泵嚴(yán)重腐蝕，因此我們通過一些設(shè)計來減弱藥液對管道的腐蝕。如圖2所示，A箱為藥箱，B箱為清水箱，1、2為電磁閥，當(dāng)開始噴灑藥液時，單片機(jī)控制電磁閥1打開，電磁閥2關(guān)閉當(dāng)噴灑完畢后，電磁閥1關(guān)閉，電磁閥2開啟，繼續(xù)噴灑30 s，這樣管道內(nèi)殘余的藥液會被清水沖洗掉，避免消毒藥液的腐蝕。針對管道內(nèi)的清水在寒冷天氣容易結(jié)冰導(dǎo)致管道破裂以及噴頭結(jié)冰無法噴灑的問題，我們設(shè)計當(dāng)清洗完管道后，通過繼電器控制電源正負(fù)極交換實現(xiàn)水泵倒轉(zhuǎn)，吸走管道內(nèi)殘余液體，防止寒冷天氣管道內(nèi)結(jié)冰，凍壞管道。

2.2 ?管道噴灑壓力調(diào)節(jié)設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計的環(huán)境消毒裝置以使用簡便快捷、不受限于建筑物結(jié)構(gòu)外形為優(yōu)點，因此對于不同的養(yǎng)殖環(huán)境所需要的鋪設(shè)的管道長度以及噴頭數(shù)量都會有所改變，這就導(dǎo)致如果水泵輸出功率不變，當(dāng)管道過長噴頭數(shù)量過多時噴頭噴灑藥液的壓力就會變?nèi)酰?dāng)管道過短噴頭數(shù)量少時，就會導(dǎo)致噴灑壓力過大，這樣都會導(dǎo)致噴灑效果達(dá)不到預(yù)期。因此采用PWM技術(shù)，配合驅(qū)動板，來控制水泵水壓，使用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，同時通過按鍵控制PWM波的占空比，實現(xiàn)可以手動調(diào)節(jié)噴灑速率。

2.3 ?環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

環(huán)境變量參數(shù)檢測，主要依靠環(huán)境傳感器進(jìn)行檢測，針對基層養(yǎng)殖環(huán)境，我們選取了主要影響?zhàn)B殖條件的環(huán)境變量，有溫度、濕度、光照、壓強(qiáng)、有害氣體、二氧化碳。為此針對環(huán)境參數(shù)結(jié)合模塊成本，溫濕度采用DHT11模塊，光照模塊采用GY302，有害氣體采用MQ-2模塊，二氧化碳模塊采用MQ-135模塊，大氣壓強(qiáng)模塊采用BMP280。通過多個環(huán)境傳感器模塊對環(huán)境變量進(jìn)行了采集，通過程序設(shè)定，當(dāng)規(guī)定環(huán)境變量超過閾值，自動打開或關(guān)閉功能模塊，如燈光、排風(fēng)扇等。并且環(huán)境參數(shù)會通過串口發(fā)送到10.1英寸串口屏上，同時通過Wi-Fi模塊遠(yuǎn)程發(fā)送到手機(jī)APP，供用戶觀看。

2.4 ?基于Wi-Fi的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

本系統(tǒng)采用ESP8266作為無線模塊連接手機(jī)APP，將環(huán)境數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式無線發(fā)送到手機(jī)APP，并且可以接收手機(jī)APP下發(fā)的指令，使該系統(tǒng)進(jìn)行操作。Wi-Fi無線通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，本系統(tǒng)采用的ESP8266-01S是一款超低功耗的透傳模塊，可以進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線通信，因而實現(xiàn)APP對本系統(tǒng)功能的遠(yuǎn)程控制以及接收數(shù)據(jù)。

3 ?硬件電路與軟件設(shè)計

3.1 ?硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)控制芯片采用STM32F103C8T6單片機(jī)，該單片機(jī)具有2個12位ADC，并且有多達(dá)16個通道，滿足以電壓采集為需求的傳感器，本系統(tǒng)中就有二氧化碳傳感器和有害氣體傳感器；此單片機(jī)還具備4個定時器和兩個串口，能滿座邏輯順序編寫，以及使用Wi-Fi模塊串口模式和使用串口屏幕。在控制繼電器開關(guān)方面，采用單片機(jī)驅(qū)動三極管，三極管觸發(fā)繼電器的方式。具體電路圖如圖3所示。

3.2 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件設(shè)計方面分為三部分，第一是單片機(jī)程序編寫，包括對環(huán)境數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)的運行等；第二部分是串口發(fā)送接收數(shù)據(jù)部分，包括Wi-Fi模塊的連接，以及發(fā)送數(shù)據(jù)包接收數(shù)據(jù)包；第三是顯示屏UGI頁面設(shè)計和手機(jī)APP設(shè)計。系統(tǒng)軟件工作流程如圖4所示。

環(huán)境數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵代碼為：

void Get_Data（u16 count）//獲取傳感器數(shù)據(jù)

{

static float bmp280_press，bmp280;//氣壓

DHT11_Read_Data（&DHT11_Temp，&DHT11_Hum）;

Conversion（）;/// bh1750 光照模塊數(shù)據(jù)采集

bmp280GetData（&bmp280_press，&bmp280，&bmp

280）;

Pre = bmp280_press;

gz_value ? = lux/40; ?//燈光;

m2_value ? = get_Adc_Value（0x07）/15;

tuHumi=（（100-（float）get_Adc_Value（0x06）/40.96）

-30）*3;

m135_value = get_Adc_Value（0x05）/6;

}

數(shù)據(jù)發(fā)送手機(jī)APP關(guān)鍵代碼為

void userHandle（void） ? //數(shù)據(jù)上傳

{

currentDataPoint.valuetemp = DHT11_Temp;//Add Sensor Data Collection

currentDataPoint.valuehumi = DHT11_Hum;//Add Sensor Data Collection

currentDataPoint.valueLight = gz_value;//Add Sensor Data Collection

currentDataPoint.valuetuhumi = tuHumi;//Add Sensor Data Collection

currentDataPoint.valueMQ135 = m135_value;//Add Sensor Data Collection

currentDataPoint.valueMQ2 = m2_value;//Add Sensor Data Collection

currentDataPoint.valuePre = Pre;//Add Sensor Data Collection

}

4 ?實驗測試與分析

本系統(tǒng)最終呈現(xiàn)形式為手機(jī)APP頁面，如圖5（a）所示，手機(jī)APP可以顯示環(huán)境數(shù)據(jù)，以及可以進(jìn)行閾值調(diào)節(jié)；圖5（b）為系統(tǒng)實物，該系統(tǒng)實現(xiàn)藥液噴灑、環(huán)境檢測以及上文所述功能；圖5（c）為顯示屏幕UGI頁面，能夠?qū)崿F(xiàn)實時觀看環(huán)境數(shù)據(jù)。

在對該系統(tǒng)進(jìn)行測試時，首先選取環(huán)境消殺功能進(jìn)行測試，測試PWM調(diào)節(jié)水泵噴灑功率，以及開關(guān)電磁閥更換噴灑藥液變?yōu)榍逅欠裾?，到達(dá)規(guī)定時間后是否水泵改變出水方向變?yōu)榈刮懦鰧?dǎo)管剩余液體功能是否正常，以及設(shè)定噴灑時間與實際噴灑時間是否相符。

噴灑時間測試，分別設(shè)定30、60、90、120、150 s，每個時間測試3次，并記錄實際時間，如表1所示。

消殺模塊功能是否正常測試，分別對PWM調(diào)節(jié)、電磁閥切換、藥液回流進(jìn)行測試，測試分為五組，每組對上述三項進(jìn)行測試。如表2所示。

從實驗所得結(jié)果得知，噴灑時間誤差在0.5 s以內(nèi)，消殺模塊功能全部正常。

除以上測試之外，還對其他環(huán)境傳感器進(jìn)行了測試，包括采集的參數(shù)準(zhǔn)確性和功能的穩(wěn)定性，通過測試都能達(dá)到很好的效果，滿足本系統(tǒng)的需求。對于Wi-Fi模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到手機(jī)APP，經(jīng)過多次測試得出數(shù)據(jù)發(fā)送迅速準(zhǔn)確，抗干擾能力好，能夠滿足系統(tǒng)需要。

5 ? 結(jié) ?論

本系統(tǒng)對基層畜牧業(yè)養(yǎng)殖過程中遇到的環(huán)境消殺問題和環(huán)境檢測問題進(jìn)行了研究，針對以上問題研發(fā)了基于STM32的畜牧業(yè)全方位消毒和監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對管道的鋪設(shè)加以單片機(jī)程序的控制，實現(xiàn)了對噴灑功率的調(diào)節(jié)，以及防管道腐蝕、防凍等功能，并且通過實驗測試得知實際效果良好；環(huán)境檢測方面，針對多個環(huán)境變量，采用多個環(huán)境變量傳感器進(jìn)行采集，并通過Wi-Fi模塊發(fā)送到手機(jī)APP，以及通過串口發(fā)送到10.1英寸顯示屏幕，進(jìn)行實時觀看，并可通過手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控環(huán)境閾值，當(dāng)環(huán)境實際參數(shù)變量超出閾值范圍，功能模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)自動控制。通過實驗測試得知，本系統(tǒng)切表現(xiàn)效果良好，并切實幫助到了基層使用者。

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作者簡介：王高樂（2002—），男，漢族，山東聊城人，本科在讀，研究方向：電子信息工程；劉佳（2002—），女，漢族，遼寧朝陽人，本科在讀，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程；韓祥森（1994—），男，漢族，山東淄博人，講師，本科，研究方向：電子與通信技術(shù)、智能控制；張培航（2001—），男，漢族，山東菏澤人，本科在讀，研究方向：機(jī)械電子工程；趙夢雪（2003—），女，漢族，山東臨沂人，本科在讀，研究方向：電子信息工程。