基于物聯網的兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)的設計與實現

劉斐琪 楊晶晶

摘要：針對傳統(tǒng)家兔養(yǎng)殖中無法精準控制兔舍內環(huán)境變化的問題，提出了一種基于物聯網技術的智能養(yǎng)殖系統(tǒng)，利用STM32F103C8T6單片機、多類型傳感器、4G通訊等設計一款兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由信息采集、自動控制、無線通信、用戶訪問終端四部分組成，通過4G通訊方式實時監(jiān)測兔舍環(huán)境中的溫度、濕度、光照、粉塵、二氧化碳濃度和氨氣濃度等參數，并設置相關參數的閾值，當參數超過或低于閾值時系統(tǒng)將自動控制風機、濕簾、補光燈等設備運行，直至兔舍環(huán)境調整到適宜狀態(tài)。系統(tǒng)反應靈敏、操作簡單能夠智能調節(jié)兔舍內環(huán)境因子，實現更健康、安全和高效的兔舍養(yǎng)殖模式。

關鍵詞：養(yǎng)殖環(huán)境；自動控制；物聯網技術；數據采集；兔舍

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）34-0097-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

1 緒論

兔肉不僅味道鮮美，還是一種高蛋白、低脂肪、低膽固醇的食品，深受廣大群眾喜愛，同時人們也對兔肉的衛(wèi)生、健康、安全等情況有了更高的要求，因此，家兔的養(yǎng)殖環(huán)境也得到了社會的廣泛關注。兔舍環(huán)境對家兔的成長有著至關重要的影響，高溫和高濕會導致兔子代謝減慢，食欲下降，影響兔子正常發(fā)育；高濃度的二氧化碳和氨氣會使兔子呼吸困難，免疫力降低，容易導致兔舍內傳染病蔓延；光照過強或過弱會影響兔子內分泌，導致兔子生長遲緩或發(fā)育不良。除此之外，兔舍內的粉塵積聚也會增加兔子呼吸系統(tǒng)的負擔，導致呼吸道疾病，降低肉類品質[1]。基于此，通過物聯網技術設計一套兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測兔舍環(huán)境信息，自動調控兔舍內環(huán)境因子，保障家兔不受環(huán)境影響而生病或死亡，降低養(yǎng)殖成本，提高兔肉的產量和品質，對實現兔舍規(guī)?；B(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展是十分重要的。

1.1 課題研究背景及意義

聯合國糧食及農業(yè)組織數據顯示，中國是世界上產兔第一的國家，2020年中國兔存量約為1.18億只，占全球的61.1%。中國的冷鮮兔肉產量約占全球的51.1%，這表明兔養(yǎng)殖業(yè)在我國具有重要的地位和發(fā)展前景。然而，兔不同于其他畜禽，對生長環(huán)境的穩(wěn)定要求更高，兔舍環(huán)境信息監(jiān)測對保障兔子的健康成長，促進兔養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展非常重要[2]。傳統(tǒng)的兔舍環(huán)境調控主要依賴于經驗積累和人工監(jiān)測，但由于環(huán)境參數的復雜性和不確定性，這種方式存在監(jiān)測不及時、調控不準確、工作強度大、費用高昂、數據量繁多難以管理等弊端。為避免傳統(tǒng)方式存在的缺陷，提高養(yǎng)殖效益，采用現代化的信息技術，將溫濕度、氣體濃度、光照、粉塵等兔舍環(huán)境參數實時采集、處理和傳輸，建立基于物聯網的兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)，方便及時調整兔舍環(huán)境，確保兔舍環(huán)境穩(wěn)定、適宜，從而提高兔子生長速度和質量，推動兔舍養(yǎng)殖智能化和可持續(xù)發(fā)展，具有非常重要的現實意義和實用價值。

1.2 研究內容

本課題旨在通過物聯網技術設計并實現一款兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由信息采集、自動控制、無線通信、用戶訪問終端四部分組成。信息采集模塊通過對傳感器的選型分析，采用最適合的傳感器型號，實時監(jiān)測并采集兔舍環(huán)境中的溫度、濕度、光照、粉塵、CO2和NH3濃度等參數，當環(huán)境參數超過閾值時，系統(tǒng)會自動觸發(fā)控制模塊，根據預設的控制算法進行控制，自動調整光照、通風等環(huán)境因素。用戶通過手機或電腦等訪問終端管理界面，進入系統(tǒng)用戶界面后可以對兔舍環(huán)境進行監(jiān)測和控制，實時掌握兔舍環(huán)境參數變化情況，提高兔舍的養(yǎng)殖效益和安全性。

1.3 研究思路

本系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機為控制核心，在信息采集模塊，選用常規(guī)范圍精準穩(wěn)定的溫濕度一體傳感器，高精度感知光照傳感器，以及結合多段標準氣體和補償算法的NH3傳感器，采用激光散射測量的PM粉塵傳感器，提高傳感器的靈敏度和抗干擾能力。此外，還采用進口NDIR傳感器進行CO2濃度測量，確保反應迅速靈敏，避免了傳統(tǒng)電化學傳感器的壽命及漂移問題。以上傳感器的選型能夠確保感知數據的準確和穩(wěn)定，反映兔舍內環(huán)境的復雜變化，為自動控制模塊提供精準的數據支持，有助于提高自動控制模塊的優(yōu)化決策。

在自動控制模塊，采用搭載了強大的ARM Cortex-M3內核，具有高速運算能力、使用低功耗技術的STM32F103C8T6單片機，外接風機、濕簾、補光燈等控制設備，讀取傳感器反饋信號，通過算法判斷當前兔舍內環(huán)境狀態(tài)，如需調整控制設備，則向自動控制模塊發(fā)送控制信號，實現數據交換和電路控制的協(xié)同工作，從而提高系統(tǒng)的可靠性和實時性，保證兔舍內環(huán)境的相對穩(wěn)定，提高兔子的飼養(yǎng)品質和數量。

考慮到實際應用中各種干擾信號可能會導致數據傳輸不穩(wěn)定，甚至無法傳輸等情況，在無線通信模塊，采用擁有MIMO技術的4G進行遠程通信，可以有效地抑制信號干擾，保證了數據傳輸和控制的穩(wěn)定性。通過組網技術建立前端信息感知系統(tǒng)，將多個感知節(jié)點連接起來，形成一個完整的采集網絡，在主控板上搭載一塊適配485通信協(xié)議的芯片，使用485通信和標準ModBus-RTU通信協(xié)議進行控制信號的傳輸，通過主控板串口與外接設備連接，實現對目標設備的數據采集、控制和傳輸等功能[3]。在用戶訪問終端模塊，為用戶提供了與系統(tǒng)交互的渠道，對用戶進行權限管理，控制終端設備，使用戶可以更加便捷地獲取、監(jiān)控和控制兔舍養(yǎng)殖環(huán)境的數據和狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 硬件方案設計

基于物聯網的兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)的設計方案如圖1所示，硬件電路層包括傳感模塊和自動控制模塊，傳感模塊將采集到的兔舍環(huán)境數據（包括溫濕度、光照、粉塵、CO2和NH3濃度）上傳到STM32F103C8T6主控板上，主控板進行數據處理，判斷是否需要控制自動控制模塊，如果兔舍環(huán)境數據在所設定的閾值之外，主控板會將對應控制命令傳輸給自動控制模塊，自動控制模塊執(zhí)行相應的控制操作（控制風機、濕簾、補光燈等設備的開關）。在系統(tǒng)驅動層和應用層之間用RS485進行通信，完成數據的傳輸，實現對數據的可視化，為實時監(jiān)測和遠程控制模塊提供數據支持，以優(yōu)化兔舍環(huán)境狀況。

2.2 單片機最小系統(tǒng)設計

在兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)中，STM32F103C8T6單片機作為整個系統(tǒng)的核心部分，扮演著不可替代的角色[4]。在硬件設計過程中，單片機最小系統(tǒng)則是單片機的核心部分，其構成和性能設計直接決定整個自動控制系統(tǒng)的性能和可靠性[5]。因此，本文將深入挖掘其設計原理，從RTC時鐘晶振、電源電路、復位電路、繼電器控制四個方面分析單片機與傳感模塊和自動控制模塊之間的協(xié)作模式，確保整個系統(tǒng)在運作過程中保持較高的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2.1 RTC時鐘晶振

RTC時鐘晶振相當于基于物聯網的兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)的心臟，有著十分重要的作用。由于系統(tǒng)需要及時對養(yǎng)殖環(huán)境的變化進行實時監(jiān)測與控制，因此需要有一個精確的時鐘信號[6]。如圖2所示STM32F103C8T6單片機PC14和PC15引腳是STM32F1系列晶振輸入和輸出引腳，PC14負責接收外部時鐘晶振的震蕩信號，PC15則輸出由晶振產生的穩(wěn)定時鐘信號。通過使用RTC時鐘晶振，記錄兔舍溫濕度、光照、氣體濃度、粉塵濃度、信息采集時間、補光、通風等信息，確保系統(tǒng)具有高精準度的實時時鐘功能。RTC時鐘晶振還可以與系統(tǒng)中數據采集、控制功能等模塊進行同步，利用RTC時鐘晶振對時間進行定期校準，確保系統(tǒng)中各個模塊可同時進行操作，提高系統(tǒng)的整體效率。

2.2.2 電源電路

STM32F103C8T6單片機總共有5個接電源正極和4個接地引腳，圖3所示用VDD表示單片機的供電電壓，使用VDDA和VSSA引腳提供合適的模擬器件工作電壓和供電電壓?？紤]到斷電數據需要保存的情況，本系統(tǒng)通過外部電源模塊為不同的傳感器提供電源，使用VBAT引腳來為后備區(qū)域提供電源，利用RTC/BKP寄存器來保存一些兔舍環(huán)境信息的關鍵數據，例如時間、環(huán)境參數等。單片機的供電電壓標稱值為3.6V，為保證單片機工作時的電源質量和穩(wěn)定性，選用AP2139AK-3.3TRG1穩(wěn)壓芯片，將電源輸入為4.2V轉化為輸出3.6V電壓供給單片機（如圖3所示）。

2.2.3 復位電路

由于系統(tǒng)需要長時間穩(wěn)定地運行，復位電路可以作為一種系統(tǒng)保護措施，確保系統(tǒng)在發(fā)生故障時可以及時恢復正常工作，避免因系統(tǒng)故障而導致的數據丟失和硬件損壞。本系統(tǒng)復位電路如圖4所示，由RC電路構成，10k電阻及0.1uF電容組成的RC電路；STM32F103C8T6單片機復位引腳為低電平有效，復位電路的作用是在單片機上電啟動的瞬間，復位電路通過檢測系統(tǒng)電源電壓的上升過程，重新初始化整個系統(tǒng)，從而確保系統(tǒng)能夠從一個準確的狀態(tài)開始運行。在系統(tǒng)發(fā)生故障或異常時，能夠及時地將系統(tǒng)恢復到預定狀態(tài)，保護系統(tǒng)免受潛在破壞。

2.2.4 繼電器控制

在兔舍養(yǎng)殖環(huán)境控制感知系統(tǒng)中，為控制風機、濕簾、補光燈等設備的運行，需要通過繼電器來實現對設備開關的控制。但由于單片機的輸出信號是低電平信號，而繼電器需要高電平信號觸發(fā)，這樣就使單片機無法直接控制繼電器的開關。因此，圖5中使用ULN2001DS驅動芯片，將單片機的輸出信號放大為可控制繼電器的高電平信號，將多個繼電器與風機、濕簾、補光燈等設備進行并聯，通過單片機發(fā)送控制指令來控制繼電器的開關狀態(tài)，實現對兔舍環(huán)境中各種設備的靈活控制和調節(jié)，從而保證飼養(yǎng)環(huán)境最優(yōu)化。

3 軟件程序設計

3.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)通電后，對硬件進行初始化設置，依次設置溫濕度、CO2、NH3、光照、粉塵的閾值，傳感器模塊實時采集兔舍內環(huán)境信息，并將這些數據送入單片機實現不同模塊的控制，系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

3.2 數據采集與監(jiān)測模塊程序

將兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)部署在電腦端如圖7所示，通過傳感器對兔舍環(huán)境數據的實時采集，以圖形化、可視化的方式展示給用戶，及時反映兔舍環(huán)境的實際情況。此外，將數據以圖形化、可視化的方式展示給用戶，及時反映兔舍環(huán)境的實際情況。以確保系統(tǒng)在穩(wěn)定性和安全性上達到最佳性能，并為客戶提供良好的體驗。

3.3 自動控制模塊程序

兔舍的環(huán)境對兔子的生長發(fā)育具有重要影響，因此，實現兔舍自動化控制是提高養(yǎng)殖效益的有效手段。為了保證兔舍內的環(huán)境參數處于理想范圍內，在自動控制模塊開始工作時，通過傳感模塊對兔舍的溫濕度、光照、氨氣、二氧化碳以及粉塵濃度等關鍵環(huán)境參數進行監(jiān)測。如果這些參數超出所設定的閾值范圍，自動控制模塊將會發(fā)出相應的指令，使相關設備打開或關閉以調節(jié)兔舍內的環(huán)境參數。以溫度為例，當兔舍內溫度達到所設定的閾值時，自動控制模塊將打開風機和濕簾以增加濕度，加速空氣流通，同時關閉補光燈等設備以降低光照強度，這些措施都有利于降低兔舍內溫度。當溫度閾值回歸正常范圍內時，自動控制模塊將恢復原來的設備狀態(tài)，以保證兔舍內環(huán)境的穩(wěn)定和安全。對于其他環(huán)境參數的調節(jié)，如濕度、氨氣、二氧化碳、粉塵等也同樣采取類似的自動化控制策略。

4 系統(tǒng)測試

調查發(fā)現，兔舍環(huán)境溫度15～25℃，濕度60%～70%，氨氣濃度20～25ppm，二氧化碳濃度350～500ppm，光照強度150～200lx，粉塵濃度100～200mg/m3時為家兔的最適宜生存環(huán)境，以此進行閾值設置，監(jiān)測自動控制設備的狀態(tài)，測試結果如表1所示，基于物聯網的兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)在不同環(huán)境中測試外接設備狀態(tài)均正確。

5 結論

本文基于物聯網技術設計了兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機為控制核心，采用多類型傳感器對兔舍內部環(huán)境進行溫度、濕度、CO2濃度、氨氣濃度、光照強度、粉塵等多個參數的實時監(jiān)測和數據采集，并通過在系統(tǒng)中設置閾值，實現了自動控制兔舍內部環(huán)境。經過測試，該系統(tǒng)能夠正常運行，符合設計要求。但也存在一些不足之處，例如：目前只能調控風機、濕簾和補光燈的狀態(tài)，缺少精確的調控設備，如增加空氣凈化器、二氧化碳制造機等更多的調控設備，將更好地控制兔舍內部環(huán)境變化。綜上所述，基于物聯網的兔舍養(yǎng)殖環(huán)境感知控制系統(tǒng)能夠自動調控兔舍內部環(huán)境，降低養(yǎng)殖成本，提高兔養(yǎng)殖業(yè)的生產效益，具有遠大的發(fā)展前景和推廣價值。

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【通聯編輯：梁書】