基于物聯(lián)網(wǎng)的生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙玉ZHAO Yu；徐鵬XU Peng；王立娟WANG Li-juan

（大連科技學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，大連 116052）

0 引言

目前，我國(guó)對(duì)豬肉產(chǎn)品需求量較大，生豬養(yǎng)殖規(guī)模逐步擴(kuò)大，且大多以傳統(tǒng)人工巡檢方式對(duì)生豬的日常行為和環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)與診斷[1]，使得管理效率極低，也會(huì)由于飼養(yǎng)員經(jīng)驗(yàn)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(yán)重浪費(fèi)、養(yǎng)豬場(chǎng)環(huán)境惡劣、人畜疾病交叉感染，給整個(gè)養(yǎng)殖戶帶來嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)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]。現(xiàn)代畜牧業(yè)養(yǎng)殖是養(yǎng)殖技術(shù)、信息技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)畜牧業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度融合，并在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)喂養(yǎng)，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化、自動(dòng)化與智能化。

綜上，本文設(shè)計(jì)實(shí)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(shù)與生豬養(yǎng)殖行業(yè)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)生豬的高效、健康喂養(yǎng)，并降低豬場(chǎng)的環(huán)境污染。主要實(shí)現(xiàn)生豬養(yǎng)殖過程的精細(xì)化、個(gè)性化和智能化；豬場(chǎng)環(huán)境惡劣問題的監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)；生豬身份溯源，建立健康檔案，定制生活習(xí)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(shù)為核心，使用識(shí)別器檢測(cè)豬只電子標(biāo)簽信息，從多角度對(duì)異常環(huán)境和豬只日常行為進(jìn)行詳細(xì)感知和分析[2]，依托無線通信網(wǎng)絡(luò)，將異常行為和豬只信息上傳至云平臺(tái)，結(jié)合大數(shù)據(jù)、養(yǎng)殖專家和飼養(yǎng)員經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行綜合診斷，及時(shí)掌握生豬的狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)生豬的科學(xué)喂養(yǎng)、習(xí)慣分析、智能控制等[3]。

系統(tǒng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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

本設(shè)計(jì)使用的傳感器、通信模塊、控制器、執(zhí)行設(shè)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(jī)（SG90）、風(fēng)扇等[4]。硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件電路結(jié)構(gòu)圖

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

在生豬養(yǎng)殖過程中，喂養(yǎng)和環(huán)境是其生長(zhǎng)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(duì)生豬養(yǎng)殖情況進(jìn)行實(shí)時(shí)信息獲取。

①溫濕度檢測(cè)模塊：傳感器型號(hào)為DHT11，供電電壓為3～5.5V，DHT11 既能檢測(cè)溫度又能檢測(cè)濕度，其溫度測(cè)量范圍為0～50℃，誤差在±2℃；濕度的測(cè)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(zhǎng)期穩(wěn)定性。②壓力檢測(cè)模塊：傳感器型號(hào)為HX711，是一款專為高精度稱重傳感器而設(shè)計(jì)的24 位A/D 轉(zhuǎn)換器芯片，該芯片具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。③聲音檢測(cè)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(nèi)鏈增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)。

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(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其采用IEEE802.11 無線通信標(biāo)準(zhǔn)，共有8 個(gè)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(jī)通信，通過Wi-Fi 與上位機(jī)通信。利用ESP8266 模塊對(duì)傳統(tǒng)串口設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單配置，即可將數(shù)據(jù)通過Wi-Fi 傳輸給上位機(jī)，實(shí)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(shè)計(jì)了自動(dòng)換水、自動(dòng)控溫、投喂以及照明功能，且在客戶端能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(jī)。利用網(wǎng)絡(luò)層的Wi-Fi 模塊向OneNET 云平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，將云平臺(tái)的控制指令傳送給單片機(jī)。通過信息處理應(yīng)用層對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)控制，并將其傳輸給繼電器、舵機(jī)模塊，對(duì)各執(zhí)行部件的控制，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(shè)計(jì)

3.1 模塊程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用Keil5 開發(fā)軟件作為下位機(jī)的開發(fā)環(huán)境，在使用單片機(jī)前，要初始化其各個(gè)引腳，實(shí)現(xiàn)與云服務(wù)器平臺(tái)之間的無線網(wǎng)絡(luò)連接。

①各傳感器模塊程序設(shè)計(jì)。溫濕度檢測(cè)程序流程如圖4 所示，壓力檢測(cè)程序流程如圖5 所示，聲音檢測(cè)程序流程如圖6 所示。

圖4 溫濕度檢測(cè)流程圖

圖5 壓力檢測(cè)流程圖

圖6 聲音檢測(cè)流程圖

②Wi-Fi 模塊程序設(shè)計(jì)。ESP8266 通過串口通信，在系統(tǒng)通電后對(duì)指定連接到ESP8266 的串口引腳功能進(jìn)行初始化，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，連接成功后，可對(duì)指定的OneNET云平臺(tái)進(jìn)行連接，接收和轉(zhuǎn)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(tái)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要基于OneNET 云平臺(tái)解決物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域設(shè)備連接、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等共性問題本設(shè)計(jì)采用MQTT 協(xié)議，其具有較低開銷，減少了網(wǎng)絡(luò)流量。將能夠在網(wǎng)頁(yè)中對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制操作[6]。系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

4 系統(tǒng)測(cè)試與運(yùn)行

根據(jù)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)各功能模塊進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試平臺(tái)如圖9 所示。測(cè)試的主要內(nèi)容包括：環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)、環(huán)境濕度監(jiān)測(cè)、環(huán)境聲音監(jiān)測(cè)、記錄豬只日常行為、自動(dòng)放糧、自動(dòng)通風(fēng)、自動(dòng)照明、自動(dòng)換水等。相關(guān)測(cè)試上位機(jī)運(yùn)行界面如圖10 所示，其中圖11 為環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示界面，主要包括實(shí)時(shí)環(huán)境為21℃、濕度47%、噪聲31dB、當(dāng)前余糧0.5kg。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，滿足監(jiān)測(cè)需求。

圖9 系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

圖10 客戶端界面（控制模式、遠(yuǎn)程控制、豬只疾病登記）

圖11 環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)，從硬件和軟件兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生豬養(yǎng)殖過程中環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、聲音）的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息分析后作出自動(dòng)放糧、遠(yuǎn)程投喂、自動(dòng)照明等智能決策控制，并使用RFID 對(duì)豬只日常行為進(jìn)行記錄，確保養(yǎng)殖環(huán)境的安全與穩(wěn)定。