基于物聯(lián)網(wǎng)的生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

趙玉ZHAO Yu；徐鵬XU Peng；王立娟WANG Li-juan

（大連科技學院信息科學與技術學院，大連 116052）

0 引言

目前，我國對豬肉產品需求量較大，生豬養(yǎng)殖規(guī)模逐步擴大，且大多以傳統(tǒng)人工巡檢方式對生豬的日常行為和環(huán)境進行監(jiān)測與診斷[1]，使得管理效率極低，也會由于飼養(yǎng)員經(jīng)驗的不同，忽視生豬的異常行為，造成生豬發(fā)病率和死亡率較高、豬群飼料嚴重浪費、養(yǎng)豬場環(huán)境惡劣、人畜疾病交叉感染，給整個養(yǎng)殖戶帶來嚴重經(jīng)濟損失。

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等現(xiàn)代信息技術的迅速發(fā)展，為牲畜養(yǎng)殖業(yè)提供了新的發(fā)展方向[1]?，F(xiàn)代畜牧業(yè)養(yǎng)殖是養(yǎng)殖技術、信息技術的有機結合，實現(xiàn)了傳統(tǒng)畜牧業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)技術的深度融合，并在數(shù)據(jù)分析的基礎上進行科學喂養(yǎng)，以實現(xiàn)精準化、自動化與智能化。

綜上，本文設計實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)。該系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術與生豬養(yǎng)殖行業(yè)結合起來，實現(xiàn)對生豬的高效、健康喂養(yǎng)，并降低豬場的環(huán)境污染。主要實現(xiàn)生豬養(yǎng)殖過程的精細化、個性化和智能化；豬場環(huán)境惡劣問題的監(jiān)測與調節(jié)；生豬身份溯源，建立健康檔案，定制生活習慣。

1 智慧生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)的概述

生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)以多種感知技術為核心，使用識別器檢測豬只電子標簽信息，從多角度對異常環(huán)境和豬只日常行為進行詳細感知和分析[2]，依托無線通信網(wǎng)絡，將異常行為和豬只信息上傳至云平臺，結合大數(shù)據(jù)、養(yǎng)殖專家和飼養(yǎng)員經(jīng)驗對其進行綜合診斷，及時掌握生豬的狀態(tài)變化，實現(xiàn)對生豬的科學喂養(yǎng)、習慣分析、智能控制等[3]。

系統(tǒng)主要由感知層、網(wǎng)絡層和應用層組成，其系統(tǒng)架構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構圖

2 系統(tǒng)硬件設計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)采用STM32 單片機，STM32 是一款32 位基于ARM 核心內置64KB 閃存的微控制器，引腳總數(shù)為48 個，工作溫度為-40～85℃，電壓范圍為2.0～3.6V，最大輸出電流可達300mA。

本設計使用的傳感器、通信模塊、控制器、執(zhí)行設備主要是：溫濕度傳感器（DHT11）、壓力傳感器（HX711）、聲音傳感器（LM386）、Wi-Fi 模塊（ESP8266）、STM32 微控制器、繼電器、舵機（SG90）、風扇等[4]。硬件電路結構如圖2所示。

圖2 硬件電路結構圖

2.1 生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測

在生豬養(yǎng)殖過程中，喂養(yǎng)和環(huán)境是其生長最重要的影響因素，因此選用溫濕度傳感器、壓力傳感器和聲音傳感器用于對生豬養(yǎng)殖情況進行實時信息獲取。

①溫濕度檢測模塊：傳感器型號為DHT11，供電電壓為3～5.5V，DHT11 既能檢測溫度又能檢測濕度，其溫度測量范圍為0～50℃，誤差在±2℃；濕度的測量范圍為20%～90%RH，誤差在±5%RH。該芯片具有較高的可靠性與長期穩(wěn)定性。②壓力檢測模塊：傳感器型號為HX711，是一款專為高精度稱重傳感器而設計的24 位A/D 轉換器芯片，該芯片具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。③聲音檢測模塊：LM386 是一種音頻集成功率放大器，具有自身功耗低、更新內鏈增益可調整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點。

2.2 生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)無線通信模塊

本系統(tǒng)使用ESP8266 無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，其采用IEEE802.11 無線通信標準，共有8 個針腳分別是：VCC、RX、RST、IOC、EN、IO2、TX、GND。ESP8266Wi-Fi 模塊采用串口與單片機通信，通過Wi-Fi 與上位機通信。利用ESP8266 模塊對傳統(tǒng)串口設備進行簡單配置，即可將數(shù)據(jù)通過Wi-Fi 傳輸給上位機，實現(xiàn)物聯(lián)功能[5]。

2.3 生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)智能決策與控制模塊

本系統(tǒng)根據(jù)生豬養(yǎng)殖環(huán)境設計了自動換水、自動控溫、投喂以及照明功能，且在客戶端能實現(xiàn)遠程操控。

STM32 開發(fā)板提供兩種供電方法，即開發(fā)板的電源引腳供電和通過USB 口供電，本系統(tǒng)使用USB 口供電。

系統(tǒng)各層次配合工作，環(huán)境感知層的溫度、濕度、聲音、壓力傳感器將采集的信息傳送到單片機。利用網(wǎng)絡層的Wi-Fi 模塊向OneNET 云平臺發(fā)送數(shù)據(jù)，將云平臺的控制指令傳送給單片機。通過信息處理應用層對收到的數(shù)據(jù)進行相應控制，并將其傳輸給繼電器、舵機模塊，對各執(zhí)行部件的控制，從而實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的功能。生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)總體流程如圖3 所示。

圖3 生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)總體流程圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 模塊程序設計

本系統(tǒng)使用Keil5 開發(fā)軟件作為下位機的開發(fā)環(huán)境，在使用單片機前，要初始化其各個引腳，實現(xiàn)與云服務器平臺之間的無線網(wǎng)絡連接。

①各傳感器模塊程序設計。溫濕度檢測程序流程如圖4 所示，壓力檢測程序流程如圖5 所示，聲音檢測程序流程如圖6 所示。

圖4 溫濕度檢測流程圖

圖5 壓力檢測流程圖

圖6 聲音檢測流程圖

②Wi-Fi 模塊程序設計。ESP8266 通過串口通信，在系統(tǒng)通電后對指定連接到ESP8266 的串口引腳功能進行初始化，進行網(wǎng)絡連接，連接成功后，可對指定的OneNET云平臺進行連接，接收和轉發(fā)數(shù)據(jù)，如圖7 所示。

圖7 Wi-Fi 模塊流程圖

3.2 OneNET 云平臺

上位機軟件設計主要基于OneNET 云平臺解決物聯(lián)網(wǎng)領域設備連接、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲等共性問題本設計采用MQTT 協(xié)議，其具有較低開銷，減少了網(wǎng)絡流量。將能夠在網(wǎng)頁中對養(yǎng)殖環(huán)境進行實時監(jiān)測和控制操作[6]。系統(tǒng)功能架構如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)功能架構圖

4 系統(tǒng)測試與運行

根據(jù)系統(tǒng)的整體設計，對系統(tǒng)各功能模塊進行測試，測試平臺如圖9 所示。測試的主要內容包括：環(huán)境溫度監(jiān)測、環(huán)境濕度監(jiān)測、環(huán)境聲音監(jiān)測、記錄豬只日常行為、自動放糧、自動通風、自動照明、自動換水等。相關測試上位機運行界面如圖10 所示，其中圖11 為環(huán)境參數(shù)的實時顯示界面，主要包括實時環(huán)境為21℃、濕度47%、噪聲31dB、當前余糧0.5kg。測試結果驗證了系統(tǒng)的可行性，滿足監(jiān)測需求。

圖9 系統(tǒng)測試平臺

圖10 客戶端界面（控制模式、遠程控制、豬只疾病登記）

圖11 環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示

5 總結

本設計是基于物聯(lián)網(wǎng)技術的生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)，從硬件和軟件兩部分進行設計，實現(xiàn)了對生豬養(yǎng)殖過程中環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、聲音）的實時監(jiān)測，根據(jù)動態(tài)數(shù)據(jù)信息分析后作出自動放糧、遠程投喂、自動照明等智能決策控制，并使用RFID 對豬只日常行為進行記錄，確保養(yǎng)殖環(huán)境的安全與穩(wěn)定。