基于STM32為主控的智能畜牧業(yè)養(yǎng)殖監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：畜牧業(yè)的養(yǎng)殖規(guī)模和場所的改變會(huì)影響到牲畜的成長，所以有效監(jiān)測養(yǎng)殖場環(huán)境具有重要意義。以此，就分析基于STM32的智能畜牧業(yè)養(yǎng)殖監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。將STM32作為主控，使用GSM無線通信模塊，利用傳感器實(shí)現(xiàn)畜牧環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集。微處理器能夠以實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行判斷，并且使判斷結(jié)果利用GSM的短信、電話等方式對(duì)管理者提醒，管理者以實(shí)際情況使用相應(yīng)的措施，從而實(shí)現(xiàn)只能預(yù)警的目的。此系統(tǒng)的成本比較低，并且容易操作，能夠有效管理牲畜的生長環(huán)境。

關(guān)鍵詞：智能化;畜牧業(yè)養(yǎng)殖;監(jiān)控預(yù)警

基金項(xiàng)目：安徽省教育廳2019年度“高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃”階段性成果（項(xiàng)目編號(hào)：gxyq2019204）。

在人們生活水平不斷提高的過程中，人們對(duì)于肉類需求量與肉類食品質(zhì)量具有較高的需求。但是，卻無法保證食品質(zhì)量問題，頻繁的發(fā)生食品安全事件，從而導(dǎo)致人們產(chǎn)生恐懼消費(fèi)的心理?，F(xiàn)代大部分養(yǎng)殖戶都是使用傳統(tǒng)手持設(shè)備對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測，無法對(duì)收集數(shù)據(jù)進(jìn)行保證，還提高了管理費(fèi)用[1]。以此，研究低功耗、操作方便、低成本的智能畜牧業(yè)養(yǎng)殖監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)具有實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

在本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，全面使用環(huán)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(nèi)放置，能夠全天候的牲畜生長環(huán)境進(jìn)行檢測。利用傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集，并且安裝補(bǔ)光、加濕器、風(fēng)扇、加熱等裝置，創(chuàng)造滿足牲畜生長需求的良好環(huán)境。在裝置對(duì)環(huán)境參數(shù)即將超過安全范圍的時(shí)候，利用GSM無線通信模塊撥打電話或者發(fā)送短信對(duì)管理員通知。在裝置對(duì)環(huán)境參數(shù)不在安全范圍中監(jiān)測的時(shí)候，報(bào)警器就會(huì)發(fā)送警報(bào)，GSM對(duì)管理員發(fā)送短信或者打電話，提醒管理人員及時(shí)的使用補(bǔ)救措施[2]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度檢測模塊

牲畜生長需要設(shè)置合適溫度范圍與光照強(qiáng)度，如果溫度或者光照過高、過低都會(huì)影響到牲畜的生長。以此，就要實(shí)現(xiàn)溫度閾值范圍與光照閾值范圍的設(shè)置，并且實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。在本文設(shè)計(jì)過程中，利用STM32中的光敏傳感器檢測室內(nèi)光照強(qiáng)度，如果光照強(qiáng)度高于閾值范圍，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)就會(huì)將遮光板放下，此模塊步進(jìn)電機(jī)還設(shè)置了驅(qū)動(dòng)器與電源[3]。圖1為步進(jìn)電機(jī)的電路圖。在光照強(qiáng)度低于所設(shè)置閾值的時(shí)候，將補(bǔ)光燈自動(dòng)打開從而增強(qiáng)光照。此補(bǔ)光燈利用全光譜LED牲畜生長燈，設(shè)置繼電器模塊，使控制系統(tǒng)通過指令對(duì)繼電器控制，以此對(duì)補(bǔ)光燈開關(guān)進(jìn)行控制。在此使用DHT11溫濕度傳感器測量室內(nèi)溫濕度，此傳感器的測溫范圍比較廣，并且節(jié)能低功耗、精度比較高。為了能夠精準(zhǔn)、全面的對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行檢測。本文設(shè)計(jì)過程中在室內(nèi)四周設(shè)置九個(gè)DHT11進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，結(jié)合各個(gè)數(shù)據(jù)得到平均值，顯示在液晶屏和手機(jī)端。圖2為DHT11的電路圖。

2.2 氣體檢測與報(bào)警模塊

MQ-2煙霧傳感器主要是對(duì)日常生活中氣體泄露進(jìn)行檢測，使所測氣體濃度根據(jù)一定關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)變成為電量輸出器件。此模塊的體積小、壽命長、穩(wěn)定性良好，并且響應(yīng)比較快。以此，利用MQ-2煙霧傳感器監(jiān)測室內(nèi)情況。在此模塊中設(shè)置初始閾值，如果檢測濃度高于閾值，就報(bào)警。二氧化碳濃度過高或者過低對(duì)于牲畜生長都是不利的，本文設(shè)計(jì)將NDIR作為工作原理的二氧化碳傳感器MH-Z14A對(duì)二氧化碳濃度進(jìn)行檢測。其主要優(yōu)勢為選擇性良好，并且具備無氧氣依賴性，測得的濃度比設(shè)置閾值范圍要高進(jìn)行報(bào)警。

2.3 室內(nèi)通風(fēng)散熱模塊

在室內(nèi)二氧化碳濃度或者溫度過高的時(shí)候，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)報(bào)警，還能夠解決，此時(shí)利用風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)通風(fēng)散熱。此設(shè)計(jì)的風(fēng)扇連接開關(guān)電源和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，從而在棚內(nèi)風(fēng)扇以目前溫度、二氧化碳濃度是否超過閾值的觀察，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)散熱。

2.4 主控模塊

主控芯片使用意法半導(dǎo)體有限公司32位增強(qiáng)型微處理器STM32F103VET6，其具備51K字節(jié)Flash，2個(gè)12位DAC，通用定時(shí)器、PWM定時(shí)器，并且具有CAN、USB、SPI等通信標(biāo)準(zhǔn)接口。因?yàn)橄到y(tǒng)比較簡單，STM32資源豐富，不需要擴(kuò)展大量外圍電路就能夠滿足設(shè)計(jì)的需求，簡化硬件設(shè)計(jì)。

2.5 無線通信模塊

此系統(tǒng)無線通信模塊使用移遠(yuǎn)通信EC20遠(yuǎn)程通信模塊，其能夠同時(shí)支持EDGE、GPRS、LTE、UMTS等業(yè)務(wù)，還具備UART串行通信協(xié)議與RS232電氣標(biāo)準(zhǔn)接口。此系統(tǒng)EC20模塊利用串口與主控芯片進(jìn)行通信，由于EC20模塊芯片中的TXD、RXD指的是數(shù)字信號(hào)輸出、輸入腳，其工作電壓域?yàn)?.8v，所以在和主控芯片通信過程中要實(shí)現(xiàn)1.8-3.3v電平轉(zhuǎn)換，本文使用4位雙向電平電壓轉(zhuǎn)換器TXS0104實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)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(shí)鐘、數(shù)據(jù)和復(fù)位信號(hào)，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(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)將STM32作為核心處理器，利用STM32微處理器控制傳感器收集數(shù)據(jù)，利用串口將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展現(xiàn)。管理員以牲畜所生存環(huán)境實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)設(shè)置，主要包括安全范圍、接近危險(xiǎn)范圍、危險(xiǎn)范圍三個(gè)等級(jí)。微處理器能夠以實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)判斷，判斷結(jié)果通過電話或者電信的方式對(duì)管理員通知，提醒其及時(shí)使用相應(yīng)措施。

系統(tǒng)中主要技術(shù)指標(biāo)為：

其一，O2傳感器監(jiān)測濃度精準(zhǔn)度超過95%;

其二，CO2傳感器監(jiān)測濃度精準(zhǔn)度超過95%;

其三，NH3傳感器監(jiān)測濃度精準(zhǔn)度超過80%;

4 結(jié)束語

本文對(duì)牲畜生長的環(huán)境特點(diǎn)，和傳感技術(shù)相互結(jié)合，通過各種傳感器實(shí)時(shí)收集養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化畜牧業(yè)養(yǎng)殖監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此系統(tǒng)的操作方便，并且功耗和成本比較低，具有良好實(shí)時(shí)性，能夠滿足大部分牲畜生長環(huán)境監(jiān)測需求，為牲畜生長環(huán)境的深入研究提供基礎(chǔ)。另外，本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)還能夠在森林環(huán)境監(jiān)測、火災(zāi)報(bào)警中使用，使用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1]劉玉潔，唐升，梁家麗.基于STM32水產(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)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(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].蘭州交通大學(xué)，2015.

[3]李凱，麻紅昭.基于STM32的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，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(shù)研究。