基于STM32為主控的智能畜牧業養殖監控預警系統設計

摘 要：畜牧業的養殖規模和場所的改變會影響到牲畜的成長，所以有效監測養殖場環境具有重要意義。以此，就分析基于STM32的智能畜牧業養殖監控預警系統。將STM32作為主控，使用GSM無線通信模塊，利用傳感器實現畜牧環境的實時監控和數據收集。微處理器能夠以實時環境參數進行判斷，并且使判斷結果利用GSM的短信、電話等方式對管理者提醒，管理者以實際情況使用相應的措施，從而實現只能預警的目的。此系統的成本比較低，并且容易操作，能夠有效管理牲畜的生長環境。

關鍵詞：智能化;畜牧業養殖;監控預警

基金項目：安徽省教育廳2019年度“高校優秀青年人才支持計劃”階段性成果（項目編號：gxyq2019204）。

在人們生活水平不斷提高的過程中，人們對于肉類需求量與肉類食品質量具有較高的需求。但是，卻無法保證食品質量問題，頻繁的發生食品安全事件，從而導致人們產生恐懼消費的心理。現代大部分養殖戶都是使用傳統手持設備對養殖環境監測，無法對收集數據進行保證，還提高了管理費用[1]。以此，研究低功耗、操作方便、低成本的智能畜牧業養殖監控預警系統具有實際意義。

1 系統的總體設計

在本文系統設計過程中，全面使用環境檢測傳感器，包括溫濕度傳感器、NH3濃度傳感器、O2濃度傳感器、CO濃度傳感器，在室內放置，能夠全天候的牲畜生長環境進行檢測。利用傳感器實現數據收集，并且安裝補光、加濕器、風扇、加熱等裝置，創造滿足牲畜生長需求的良好環境。在裝置對環境參數即將超過安全范圍的時候，利用GSM無線通信模塊撥打電話或者發送短信對管理員通知。在裝置對環境參數不在安全范圍中監測的時候，報警器就會發送警報，GSM對管理員發送短信或者打電話，提醒管理人員及時的使用補救措施[2]。

2 系統的硬件設計

2.1 溫濕度檢測模塊

牲畜生長需要設置合適溫度范圍與光照強度，如果溫度或者光照過高、過低都會影響到牲畜的生長。以此，就要實現溫度閾值范圍與光照閾值范圍的設置，并且實現監測。在本文設計過程中，利用STM32中的光敏傳感器檢測室內光照強度，如果光照強度高于閾值范圍，驅動步進電機就會將遮光板放下，此模塊步進電機還設置了驅動器與電源[3]。圖1為步進電機的電路圖。在光照強度低于所設置閾值的時候，將補光燈自動打開從而增強光照。此補光燈利用全光譜LED牲畜生長燈，設置繼電器模塊，使控制系統通過指令對繼電器控制，以此對補光燈開關進行控制。在此使用DHT11溫濕度傳感器測量室內溫濕度，此傳感器的測溫范圍比較廣，并且節能低功耗、精度比較高。為了能夠精準、全面的對室內溫度進行檢測。本文設計過程中在室內四周設置九個DHT11進行實時檢測，結合各個數據得到平均值，顯示在液晶屏和手機端。圖2為DHT11的電路圖。

2.2 氣體檢測與報警模塊

MQ-2煙霧傳感器主要是對日常生活中氣體泄露進行檢測，使所測氣體濃度根據一定關聯轉變成為電量輸出器件。此模塊的體積小、壽命長、穩定性良好，并且響應比較快。以此，利用MQ-2煙霧傳感器監測室內情況。在此模塊中設置初始閾值，如果檢測濃度高于閾值，就報警。二氧化碳濃度過高或者過低對于牲畜生長都是不利的，本文設計將NDIR作為工作原理的二氧化碳傳感器MH-Z14A對二氧化碳濃度進行檢測。其主要優勢為選擇性良好，并且具備無氧氣依賴性，測得的濃度比設置閾值范圍要高進行報警。

2.3 室內通風散熱模塊

在室內二氧化碳濃度或者溫度過高的時候，不僅能夠實現報警，還能夠解決，此時利用風扇實現通風散熱。此設計的風扇連接開關電源和直流電機驅動芯片，從而在棚內風扇以目前溫度、二氧化碳濃度是否超過閾值的觀察，實現通風散熱。

2.4 主控模塊

主控芯片使用意法半導體有限公司32位增強型微處理器STM32F103VET6，其具備51K字節Flash，2個12位DAC，通用定時器、PWM定時器，并且具有CAN、USB、SPI等通信標準接口。因為系統比較簡單，STM32資源豐富，不需要擴展大量外圍電路就能夠滿足設計的需求，簡化硬件設計。

2.5 無線通信模塊

此系統無線通信模塊使用移遠通信EC20遠程通信模塊，其能夠同時支持EDGE、GPRS、LTE、UMTS等業務，還具備UART串行通信協議與RS232電氣標準接口。此系統EC20模塊利用串口與主控芯片進行通信，由于EC20模塊芯片中的TXD、RXD指的是數字信號輸出、輸入腳，其工作電壓域為1.8v，所以在和主控芯片通信過程中要實現1.8-3.3v電平轉換，本文使用4位雙向電平電壓轉換器TXS0104實現。

系統中USIM卡接口電路主要包括TVS瞬變電壓抑制二極管和USIM卡座兩部分，使用6-pin的USIM卡座，其中SIM_VCC、SIM_CLK、SIM_DATA、SIM_RST分別指的是電源、時鐘、數據和復位信號，都是通過EC20模塊所提供。天線使用外接方式，駐波比在2以下，天線增益為1db。

3 軟件設計

本文設計系統將STM32作為核心處理器，利用STM32微處理器控制傳感器收集數據，利用串口將數據實時展現。管理員以牲畜所生存環境實現環境參數設置，主要包括安全范圍、接近危險范圍、危險范圍三個等級。微處理器能夠以實時環境參數判斷，判斷結果通過電話或者電信的方式對管理員通知，提醒其及時使用相應措施。

系統中主要技術指標為：

其一，O2傳感器監測濃度精準度超過95%;

其二，CO2傳感器監測濃度精準度超過95%;

其三，NH3傳感器監測濃度精準度超過80%;

4 結束語

本文對牲畜生長的環境特點，和傳感技術相互結合，通過各種傳感器實時收集養殖環境參數，實現智能化畜牧業養殖監控預警系統的設計。此系統的操作方便，并且功耗和成本比較低，具有良好實時性，能夠滿足大部分牲畜生長環境監測需求，為牲畜生長環境的深入研究提供基礎。另外，本文所設計系統還能夠在森林環境監測、火災報警中使用，使用前景廣闊。

參考文獻

[1]劉玉潔，唐升，梁家麗.基于STM32水產養殖智能監控系統的研制[J].電子制作，2018（z1）：3-6.

[2]洪樹亮.基于STM32F103住宅智能防火防盜報警系統的設計[D].蘭州交通大學，2015.

[3]李凱，麻紅昭.基于STM32的溫室環境監控系統的設計與實現[J].工業控制計算機，2015（5）：53-54.

作者簡介

金何（1982-），男，漢族，安徽六安，講師，碩士，主要從事智能檢測技術研究。