基于物联网的智能黄牛养殖系统设计.pdf

2 0 2 4年3期2 6 9 2 0 2 4年第4 6卷第3期基于物联网的智能黄牛养殖系统设计金润凯 谢瑜斌 孙焕然 甯尤林 曹 健 张泽梁基金项目:北华大学大学生创新创业训练计划项目:“智牧宝”基于农业物联网的智能化黄牛养殖(2 0 2 3 1 0 2 0 1 0 9 6);吉林省教育科学规划课题:基于智慧课堂的 计算机程序设计 课程O 2 O混合式教学模式研究与实践(GH 2 1 2 1 6);北华大学教育教学改革研究课题新工科视域下智能科学与技术专业特色人才培养研究与实践;北华大学博士启动基金:工业物联网可靠路由机制研究;吉林省教育厅科学技术研究项目(J J KH 2 0 2 2 0 0 5 6 K J);吉林省科技发展计划项目(2 0 2 1 0 2 0 3 0 5 0 S F)作者简介:金润凯(2 0 0 3-),本科生,研究方向为网络工程;曹健(1 9 8 4-),博士,研究方向为物联网和工业互联网,电子邮箱:c a o j i a n-2 11 6 3.c o m(通信作者)。(北华大学计算机科学技术学院 吉林 吉林1 3 2 0 0 0)摘 要 文中基于物联网技术,提出了一种智能化黄牛养殖系统。该系统以S TM 3 2系列芯片作为主控芯片,设计了智能项圈、用于饲喂的智能车、环境控制装置等3个主要功能模块,从黄牛生命体征数据的收集及可视化、自动化喂养、环境参数数据的收集及分析等方面,对现有的黄牛养殖系统进行了改进。测试结果表明,该系统稳定性较好,数据收集准确度高,操作便捷,存在一定的推广价值。关键词:黄牛养殖;S TM 3 2;生命体征监测;自动化喂养;报警中图分类号 T P 3 9 3D e s i g no fA nI n t e l l i g e n tY e l l o wC a t t l eB r e e d i n gS y s t e mB a s e do nI n t e r n e t o fT h i n g sJ I NR u n k a i,X I EY u b i n g,S UN H u a n r a n,N I N GY o u l i n,C AOJ i a na n dZ HAN GZ e l i a n g(S c h o o l o fC o m p u t e rS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,B e i h u aU n i v e r s i t y,J i l i n,J i l i n1 3 2 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t T h i sp a p e rp r o p o s e s a n i n t e l l i g e n t c a t t l eb r e e d i n gs y s t e mb a s e do n t h e I n t e r n e t o fT h i n g s t e c h n o l o g y.T h e s y s-t e mu s e sS TM 3 2s e r i e s c h i p s a s t h em a i nc o n t r o l c h i p,a n dd e s i g n s t h r e em a i n f u n c t i o n a lm o d u l e s,i n c l u d i n gs m a r t c o l l a r,s m a r t c a r f o r f e e d i n g,a n de n v i r o n m e n t a l c o n t r o l d e v i c e.T h ee x i s t i n gc a t t l eb r e e d i n gs y s t e mh a sb e e n i m p r o v e d f r o mt h ec o l l e c t i o na n dv i s u a l i z a t i o no f c a t t l ev i t a l s i g n sd a t a,a u t o m a t i cf e e d i n g,a n dc o l l e c t i o na n da n a l y s i so fe n v i r o n m e n t a lp a-r a m e t e rd a t a.T h e t e s t r e s u l t ss h o wt h a t t h es y s t e mh a sg o o ds t a b i l i t y,h i g hd a t ac o l l e c t i o na c c u r a c y,c o n v e n i e n to p e r a-t i o n,a n dc e r t a i np r o m o t i o nv a l u e.K e y w o r d s C a t t l e f a r m i n g,S TM 3 2,V i t a l s i g nm o n i t o r i n g,A u t o m a t e df e e d i n g,A l a r m0 引言畜牧业是现代农业的重要组成部分,也是影响农牧民收入的重要产业1。黄牛养殖是畜牧业的重要组成部分,目前国内大多数的规模化黄牛养殖场已采用自动化养殖技术,可以实现温湿度控制、自动饲喂等操作,节约了人力和物力2。文献3 提出的肉牛饲养系统能自动检测饲养场内的二氧化碳含量、温度、硫化氢、PM 2.5含量等指标。文献4 基于P L C技术,设计了规模化养殖场精准饲喂系统,从智能车的数据传输过程、定位过程、循环、加料过程等4个方面进行了详细设计,提高了规模化饲喂的精准性。文献5 提出的养殖系统能实现温湿度监测、二氧化碳监测、智能排风、定时清洗等功能。但上述系统在功能上尚不完善,很难满足现代农业养殖的需求。因此,本文设计了一种智能化黄牛养殖系统,主要包括智能项圈、环境控制装置和智能车3个功能模块。该系统在监控养殖环境时,能精准控制加料量,并对黄牛的体征和位置进行监视,进一步降低了养殖系统对劳动力的需求。1 总体设计本文设计的智能化黄牛养殖系统主要分为3个模块,即智能项圈模块、室内环境控制模块及智能车模块。(1)智能项圈用于监测黄牛的生命体征,并具有预警功能,以便养殖户了解黄牛的生命体征,并快速定位生命体征异常的黄牛。(2)环境控制装置在环境数据监测功能的基础上,增加了预警功能。该装置结合火焰强度数据、室温数据、烟雾浓度数据等,可对养殖环境进行综合判断,减少了预警迟报误报的情况,提高了设备的实用性。(3)智能车的设计在文献4 精准加料功能的基础上进行了改进,实现了自动控制加料量。智能车内部的芯片会通过分析槽位中已有的饲料量,增减加料量,最大程度地减少饲料残余,降低饲料变质对黄牛养殖的影响,满足了养殖户的需求。3个模块均内置了传感器,可以将收集到的数据经过无线通信模块上传至2 7 0 2 0 2 4年3期数据中心,实现可视化。同时,采用了S TM 3 2 F 1 0 3 C 8 T 6和S T C 8 9 C 5 1 R C单片机芯片对系统进行控制。系统的总体设计如图1所示。图1 总体设计图2 硬件设计本文首先完成了S TM 3 2 F 1 0 3 C 8 T 6和S T C 8 9 C 5 1 R C单片机的最小系统设计。其次,完成了智能项圈、智能车、环境控制装置3个模块的电路设计。最后,连接各模块的电路。智能项圈和智能车均使用O L E D屏幕,环境控制装置使用L C D 1 6 0 2屏幕。无线通信采用乐鑫科技的E S P 8 2 6 6-W i-F i模块,实现指令的发送和返回信息的接收6-7。2.1 智能项圈的硬件设计智能项圈以S TM 3 2 F 1 0 3 C 8 T 6单片机为主控芯片,数据采集部分主要包括心率模块和体温模块。完成数据采集后,MC U控制通信模块会将数据上传至数据中心,实现可视化。心率模块采用MA X 3 0 1 0 0心率传感器,并对F I F O寄存器进行数据采集,经过计算得出心率数据。心率传感器模块的电路设计如图2所示。图2 心率传感器模块的电路设计图体温模 块 的 传 感 器 选 用 非 接 触 式 红 外 温 度 传 感 器ML X 9 0 6 1 4-E S F-D C I-0 0 0,它可以通过探测物体红外辐射能量的大小和波长分布来检测物体的表面温度8。体温传感器的电路设计如图3所示。图3 体温传感器模块的电路设计图2.2 环境控制装置的硬件设计环境控制装置以S T C 8 9 C 5 1 R C单片机为核心,主要包括报警模块、温度模块、烟雾浓度模块和火焰强度模块。报警模块分为监控模式和配置模式。通过按键,可以在监控模式和配置模式间切换。为节省硬件资源,火焰强度传感器与MQ-2烟雾浓度传感器共用A D C 0 8 3 2模数转换器的D O管脚,通过代码逻辑控制模数转换器的归属。MC U会将采集的环境参数上传至数据中心,实现可视化。温度模块采用D S 1 8 B 2 0温度传感器,将监测值直接转换为数字信号,并通过编程控制D S 1 8 B 2 0,根据时序图完成数据的读取和转化工作。烟雾浓度传感器模块的电路设计如图4所示。图4 烟雾浓度传感器模块的电路设计图烟雾浓度模块采用MQ-2烟雾传感器,其量程范围在1 0 0 0 0 p p m以内9。首先,将MQ-2烟雾浓度传感器的AO管脚与A D C 0 8 3 2的CH 0管脚相连。其次,将D O管脚与单片机I O口连接,MC U只需读取I O口的电平变化即可(烟雾浓度越高,显示的数值越大)。火焰强度模块的电路设计如图5所示。图5 火焰强度传感器模块的电路设计图移动信息2 0 2 4年3期2 7 1 火焰强度模块选用火焰传感器,该传感器采用数字信号输出的方式,数据传输可靠性高,可以检测波长在7 6 01 1 0 0 n m范围内的光源,探测角度约为6 0。火焰越大,检测的距离越远。该模块可直接与单片机连接,通过编程读取I O口的电平状态,即可获取火焰强度。火焰强度越大,显示的数值越小。2.3 智能车的硬件设计智能车以S TM 3 2 F 1 0 3 C 8 T 6为主控芯片,主要包括载重模块、超声波测距模块和红外线循迹模块。在每个槽位的底部都安装了载重模块,用于监测槽位中饲料的实时重量,再通过W i F i模块将信息反馈给智能车,经MC U处理之后,其会根据处理结果自动控制智能车进行加料。载重模块选用称重传感器、A D转换器芯片H X 7 1 1和具有1 2 8倍增益的可编程放大器。测重范围为51 0 k g,测量数据为模拟数据(经过A D转换后,可转为数字信号)。将该模块与单片机I O口相连,通过读取I O口的电平状态,可获得实时载重数据。载重模块的电路设计如图6所示。图6 载重模块的电路设计图超声波测距模块采用HC-S R 0 4超声波测距传感器,探测距离为26 0 0 c m。红外线循迹模块选用6路循迹模块,由6个T C R T 5 0 0 0红外传感器组成,每个传感器包括一个红外发射管和一个红外接收管。红外发射管可发射红外线,并用接收管获取反射回来的红外光。由于不同地面颜色对红外光的反射程度不同,因此传感器采集的模拟量也会有所不同,根据I O口不同的电压信号,可以判断是否检测到黑线,使小车沿着黑线运动,从而完成循迹。3 软件设计本文以K e i l 5为开发环境,根据需要实现的功能,分别编写各个模块的函数,再通过主函数调用子函数,实现所需功能。最后,通过调用各个子函数,实现黄牛养殖系统的全部功能。主程序流程如图7所示。图7 主程序流程图3.1 智能项圈的软件设计智能项圈可以实时监测黄牛的心率和体温,并将数据可视化。当黄牛的心率或体温不正常时,系统会控制预警灯(红灯)亮起,以便养殖户及时了解黄牛的健康状况,采取适当的措施。心率监测部分的具体程序逻辑如下。首先,对I 2 C进行初始化,实现I 2 C的写数据和读数据操作。其次,编写初始化函数,设置MA X 3 0 1 0 0的模式。最后,读取被测对象的心率,在函数内部定义数组保存读取到的心率数据,定义变量保存心率值,并根据MA X 3 0 1 0 0中的数据算出心率值。体温监测模块由被测对象的体温决定是否预警,其程序流程如下。首先,将传感器通信协议设置为I 2 C,配置传感器的寄存器参数。其次,向传感器发送读指令,从传感器中获取当前目标物体的温度数据值。然后,将获取的数据转换为温度值。最后,将温度值输出到O L E D屏幕上,实现可视化。3.2 环境控制装置的软件设计环境控制装置主要包括温度监测、烟雾浓度监测、火焰强度监测、预警等功能。当环境参数超过预警值时,MC U控制通信模块会及时通知农户,并控制蜂鸣器、小灯、洒水器等子设备。(1)室 温 监 测 功 能 程 序 流 程 如 下。首 先,初 始 化D S 1 8 B 2 0传感器。其次,调用函数读取D S 1 8 B 2 0获取的数据,并将数据转化为十进制。最后,通过主函数的调用,将十进制数据通过L C D 1 6 0 2显示出来。(2)烟雾浓度监测功能程序流程如下。首先,根据时序编写程序,调用函数获取实时烟雾浓度数据,在函数声明中包括两个形参变量,用于控制A D C 0 8 3 2数模转换器对烟雾浓度数据的转换。其次,在主函数中通过语句将变量存储的数据转化为09 9区间的十进制数,以更直观地显示环境中烟雾浓度的状况。移动信息2 7 2 2 0 2 4年3期(3)火焰强度检测程序流程如下。首先,根据时序编写程序,调用具有两个形参变量的函数,更改变量的值,让AD C 0 8 3 2归属于火焰传感器,此时模数转换器会将读取到的模拟数据转换为数字信号。其次,MC U接收到数字信号后,将获取的数据转化为0 9 9区 间 内 的 十 进制数。3.3 智能车的软件设计智能车以S TM 3 2 F 1 0 3 C 8 T 6为主控核心,具有循迹、避障、载物等功能。通过编程,可控制智能车定点运输饲料。装载饲料时,箱底的压力传感器会监测载重,当载重达到预警值时,通过MC U进行反馈,控制小车停止装载,开始定点运输。每到一个点位,智能车会根据该点位残余的饲料量来卸载适当重量的饲料。当智能车的饲料卸载完毕或到达了最后一个点位后,会自动回到停车位,等待下一次运输。在实现循迹功能的程序时,首先需要初始化T C R T 5 0 0 0红外传感器引脚和小车控制引脚。红外传感器引脚配置为上拉输入,小车控制引脚配置为推挽输出。其次,循环读取左右两侧T C R T 5 0 0 0红外传感器的输出状态。最后,根据输出状态判断小车的位置,进而通过代码编写控制电机的运动情况,从而达到控制小车运动的目的。在实现智能车避障功能时,首先通过对HC-S R 0 4超声波传感器进行初始化设置,确定T r i g和E c h o引脚的输入输出方向以及相应的I O口。在系统运行时,通过向T r i g引脚发送高电平脉冲信号来触发超声波。然后,系统需等待并监听E c h o引脚,检测超声波的反射信号。当E c h o引脚接收到反射信号时,通过计算E c h o引脚的高电平持续时间,系统可以得知物体与HC-S R 0 4传感器之间的距离。最后,系统会比较测得的距离与预设的安全距离,如果测得的距离小于安全距离,系统则将触发相应的避障动作。载物功能程序的流程如图8所示。图8 载物功能程序流程图载物功能利用压力传感器,将测量的模拟数据自动转换为数字信号。然后,将数据传输至MC U,再通过通信模块上传至数据中心。4 系统测试本文采用集成测试的方式,分别对智能项圈、环境控制装置及小车进行测试。其中,智能项圈的数据采集功能使用了O L E D屏,以显示心率和体温信息,并在第一行显示心率信息,第二行显示体温信息,第三行显示W i F i的状态。测试过程中,显示的心率为每分钟7 1次,体温为3 6.7,W i F i处于关闭状态。此时,由于实时体温低于预警体温,红灯亮起,方便养殖户定位到异常黄牛。经过多次不同对象的测试,该部分稳定性好,数据采集准确度高。环境控制装置液晶屏第一行从左至右分别显示温度、烟雾浓度、火焰强度。第二行从左至右分别显示温度、烟雾浓度、火焰强度的预警值。温度和烟雾浓度越高,显示的数值也会越大,但火焰强度越大,显示的数值会越小。经过多次测试,该部分的数据准确度高,且很少出现迟报或误报。另外,经过测试,智能车能顺利完成避障、寻迹及载物功能,满足黄牛养殖的基本需求。5 结语本文设计了一种智能化的黄牛养殖系统,系统整体包括智能项圈、环境控制装置以及智能车3个模块,并在实验室环境中测试了系统的控制及通信功能。测试结果表明,该系统具有较好的稳定性,能有效采集黄牛的体征信息,具有成本低、操作简单等优势。未来,将积极开展系统在真实环境中的测试,进一步提高系统的实用性,降低黄牛养殖中的劳动力投入。参考文献1陈永华.现代畜牧业发展中的问题及其对策J.南方农业,2 0 2 2,1 6(6):1 7 9-1 8 1.2田玉琴.牛规模化养殖存在的问题及应对策略J.畜禽业,2 0 2 3,3 4(8):4 5-4 7.3李舸.基于物联 网 技术 的肉 牛饲 养 系统 设计 与 应用 研究J.饲料研究,2 0 2 3,4 6(4):1 3 1-1 3 4.4黄红玉.基于P L C技术的规模化养殖场精准饲喂系统的设计J.南方农机,2 0 2 3,5 4(1 3):1 3-1 5,5 3.5何振宽,杨成佳.基于物联网技术的智能养殖系统的设计与实现J.吉林建筑大学学报,2 0 2 2,3 9(1):8 5-8 8.6谢泽 健,唐 艳芹,王 玉 兴.远 程智 能型 宠 物喂 养系 统 开 发J.现代电子技术,2 0 2 2(1 6):1 6 5-1 6 9.7陈海峰,张义宽.基于S TM 3 2+E S P 8 2 6 6的桌面型网络天气时钟系统设计J.微型电脑应用,2 0 2 3(3):2 1-2 48屈海朋,梁飞,王清珍.基于S TM 3 2的非接触式红外体温测量仪的设计J.工业控制计算机,2 0 2 2,3 5(6):1 2 8-1 2 9,1 3 2.9杨素珍.基于多传感器模糊融合的火灾检测J.九江学院学报(自然科学版),2 0 2 3,3 8(4):5 2-5 6.移动信息