基于51單片機的家禽養(yǎng)殖投食系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

顏中練，葉俊，余永海，韋雯雯，繆和曦，譙浪

（興義民族師范信息技術學院，貴州興義，562400）

0 引言

隨著養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展、養(yǎng)殖規(guī)模的擴大；智能化成為現(xiàn)代養(yǎng)殖中的趨勢，本項目將以51單片機為主控芯片，設計和實現(xiàn)一套滿足家禽養(yǎng)殖過程中的自動投食系統(tǒng)[1]，以降低傳統(tǒng)家禽養(yǎng)殖過程中的人工體力投入、時間成本；解決自動化定時、定點投食的家禽喂養(yǎng)問題。在養(yǎng)殖業(yè)中養(yǎng)殖者需要花費大部分的時間精力進行投喂照看，不僅僅提高產出率和質量已經成為畜牧養(yǎng)殖業(yè)中的重中之重，怎么樣減少勞動力也成為了本設計現(xiàn)在首要考慮的一大要點。

因此，本項目利用51單片機設計并實現(xiàn)了一套為養(yǎng)殖人員提供自動投食的養(yǎng)殖系統(tǒng)[2]，在養(yǎng)殖過程中大大減少人員的投入以及工作時間。

1 系統(tǒng)總體設計

■ 1.1 系統(tǒng)介紹

該設計是一個包括手機APP、51單片機作為核心芯片的養(yǎng)殖系統(tǒng)[3]。其主要針對農村家庭養(yǎng)殖家禽設計的自動化養(yǎng)殖系統(tǒng)，具有智能化和實時監(jiān)控的特點。系統(tǒng)通過網絡傳輸設備，將用戶的手機、ESP8266和51單片機及相關的傳感器聯(lián)系在一起，進行信息的交互，從而實現(xiàn)養(yǎng)殖場內智能化的檢測[4]。根據(jù)傳感器獲取到的溫濕度數(shù)據(jù)以及有害氣體濃度還有食槽中糧草的質量等數(shù)據(jù)，用戶可以分析出是否需要給養(yǎng)殖場內進行開啟風扇、打開水泵或者投喂糧食等操作[5]。該系統(tǒng)可以幫助用戶實時監(jiān)控養(yǎng)殖場內的基本信息，極大可能的減少了在養(yǎng)殖過程中人員和時間的投入。系統(tǒng)的業(yè)務流程圖如圖1所示。

圖1 業(yè)務流程圖

■ 1.2 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)使用51單片機作為核心控制器，采取物聯(lián)網技術和傳感器技術，將ESP8266模塊和相關的硬件通過無線網絡連接起來[6]。通過無線網絡將獲取到的養(yǎng)殖場內的監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)送給APP，實現(xiàn)了信息的無線傳輸，可以將養(yǎng)殖場內的數(shù)據(jù)信息第一時間發(fā)送給用戶，實現(xiàn)智能化的養(yǎng)殖目的。系統(tǒng)的架構圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構圖

2 硬件系統(tǒng)設計

在本設計的硬件裝置主要由51單片機、ESP8266、MQ-135和溫濕度傳感器組成，本系統(tǒng)的電路設計圖如圖3所示。通過繪制PCB板可以直觀的觀察系統(tǒng)的PCB布局，PCB布局如圖4所示。本文基于STC51單片機開發(fā)板進行設計[7]，控制電路供電電壓為5V，ESP8266常用工作電壓為3.3V，因此需要通過1117（穩(wěn)壓器）進行降壓。STC51單片機與ESP8266模塊使用串口通信，來完成控制命令和數(shù)據(jù)傳輸，并通過I/O引腳控制重力傳感器、溫濕度傳感器、MQ-135進行數(shù)據(jù)傳輸和控制風扇、蜂鳴器、水泵、舵機完成相應的任務[8]。本設計的控制電路圖如圖5所示。

圖3 電路設計圖

圖4 電路設計圖

圖5 控制電路圖

■ 2.1 STC51單片機

本系統(tǒng)設計采用STC51芯片作為51單片機的控制系統(tǒng)。STC51單片機是由集成微處理器、存儲器和I/O接口電路在集成電路芯片上集成而得的。其從內部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，有較高的集成度，即使處于長時間的工作也不會存在故障問題并且對數(shù)據(jù)的處理能力和運算能力較強[9]，可以在各種環(huán)境中運用。在系統(tǒng)中通過51單片機來采集各傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)。STC51芯片模塊如圖6所示。

圖6 STC51芯片模塊

■ 2.2 ESP8266模塊

利用ESP8266可以實現(xiàn)十分靈活的組網方式和網絡拓撲，連接服務器，與單片機進行串口通訊。本設計ESP8266采用Station模式，連接服務器，與單片機進行串口通訊。由5V電壓接入后通過接1個電阻轉換成3.3V的穩(wěn)壓，ESP8266的TX端口連接STC51單片機的RX端口，ESP8266的RX端口連接C51單片機的TX端口。ESP8266模塊如圖7所示。（RX：接收數(shù)據(jù) TX：發(fā)送數(shù)據(jù)）

圖7 ESP8266模塊

■ 2.3 相關傳感器

由于養(yǎng)殖場環(huán)境復雜，為了構建良好的環(huán)境，本設計空氣質量傳感器為MQ-135傳感器。該傳感器的氣敏材料是在清潔空氣中導電率較低的二氧化錫，當所處的環(huán)境存在有害氣體時，傳感器的導電率會隨著空氣中的有害氣體濃度增加而變大。溫濕度傳感器采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，其采用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有極高的可靠性與穩(wěn)定性。重力傳感器是應變片電阻式稱重傳感器，其采用電阻應變片作為敏感元件進行測量，測量精度高，壽命長。MQ-135模塊、溫濕度模塊、重力傳感器模塊分別如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 MQ-135模塊

圖9 溫濕度模塊

圖10 重力傳感器模塊

3 軟件系統(tǒng)設計

■ 3.1 遠程控制系統(tǒng)

本項目將以STC51系列單片機為主控芯片，根據(jù)家禽飼養(yǎng)過程投食、喂養(yǎng)特性，設計并實現(xiàn)家禽喂養(yǎng)自動投食系統(tǒng)。基于單片機的大型家禽養(yǎng)殖基地智能環(huán)境控制系統(tǒng)是以單片機為核心,通過傳感器對養(yǎng)殖基地內有害氣體與養(yǎng)殖基地內的溫濕度進行采集，分析得出是否需要對養(yǎng)殖場內的環(huán)境進行處理，大大的促進大型家禽業(yè)的增產、增收和增效，同時還能有效減輕相關人員的工作強度，提升相關人員的工作效率。本系統(tǒng)的網關流程圖如圖11所示。

圖11 網關流程圖

主要研究內容：

（1）遠程控制系統(tǒng)：手機登錄、遠程操控、投食喂養(yǎng)；

（2）自動投食系統(tǒng)：定時定點按照家禽養(yǎng)殖喂養(yǎng)特性，自動完成家禽食料喂養(yǎng)。

■ 3.2 遠程控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)的工作原理為：用戶在手機端注冊登錄點燈科技APP后，控制ESP8266連接上網絡，在APP中查看通過ESP8266發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。用戶在手機上接收到數(shù)據(jù)之后可以根據(jù)自己的需求對養(yǎng)殖系統(tǒng)進行控制，比如當糧草不足時可以進行投喂糧草。還可以實時監(jiān)測溫濕度和空氣質量，通過監(jiān)測到的數(shù)據(jù)可以選擇是否打開水泵噴水或者是否打開風扇等操作；通過設計在養(yǎng)殖過程中可以節(jié)約工作人員的投喂時間以及經常查看飼養(yǎng)棚中的環(huán)境的時間，還減少了勞動力的投入，使喂養(yǎng)過程更加簡單。本系統(tǒng)的系統(tǒng)結構圖如圖12所示。本系統(tǒng)界面設計如圖13所示。

圖12 養(yǎng)殖系統(tǒng)的系統(tǒng)結構示意圖

圖13 養(yǎng)殖系統(tǒng)的界面設計示意圖

4 結語

在本項目以單片機作為該系統(tǒng)的主控芯片，使用ESP8266傳輸與接收數(shù)據(jù)，借助了WiFi網絡強大的無線數(shù)據(jù)傳輸能力，針對家禽養(yǎng)殖中遇到的常見問題去加以處理，從而實現(xiàn)自動化喂養(yǎng)系統(tǒng)[10]。使用單片機來設計該系統(tǒng)也源于它體積小結構簡單功能完善等優(yōu)點。利用網絡連接客戶端與核心模塊的數(shù)據(jù)交互，客戶端操作簡單，獲取養(yǎng)殖場內數(shù)據(jù)實時性好，信息準確，發(fā)出指令后養(yǎng)殖場內的設備運行正常。時間數(shù)據(jù)表明，客戶端軟件與核心模塊數(shù)據(jù)交換可靠，客戶端的界面操作簡單，獲取養(yǎng)殖場內數(shù)據(jù)實時性好，信息準確，發(fā)出指令后養(yǎng)殖場內設備正常并且參數(shù)可調。而且，隨著近年來我國在大型家禽養(yǎng)殖行業(yè)里的不斷發(fā)展，省時省力的養(yǎng)殖受到廣泛關注。結合智能化的養(yǎng)殖方式能大大的減少時間、人員的投入，實現(xiàn)了自動投食的目標。借助云平臺，從成本上到人力等個方面都展示了該系統(tǒng)的可行性。