基于STM32与GSM模块的禽畜舍环境监测系统的设计

刘志斌，江　丽

(湖南高速铁路职业技术学院，湖南 衡阳 421002)



基于STM32与GSM模块的禽畜舍环境监测系统的设计

刘志斌，江丽

(湖南高速铁路职业技术学院，湖南 衡阳 421002)

摘要：在家畜家禽养殖规模化养殖时，为了最大限度地提高家畜家禽生产性能，除了加强饲养管理和提高疾病控制水平之外，禽舍环境的控制也是一项十分重要的手段。本文提出一种基于STM32与GSM模块的禽畜舍环境监测系统的设计，能够自动对畜禽舍环境的状态进行实时监视、记录环境数据过限；通过声光告警或短信方式提醒用户对检测到的禽畜生长环境中的不合理因素进行及时控制、调整。该系统由按键与LCD显示电路、MCU与接口电路、GSM模块电路、传感器与驱动电路、声光告警等几部分组成。

关键词：ARM；GSM；环境监测系统

进入21世纪以来，我国的养殖业得到了迅猛的发展。由于“菜蓝子”工程的实施和养殖业的逐步集约化、工业化，再加上目前的产业结构调整和“畜牧致富工程”的实施，家畜家禽养殖逐步实现了规模化养殖。为了最大限度地提高家畜家禽生产性能，除了加强饲养管理和提高疾病控制水平之外，禽舍环境的控制也是一项十分重要的手段。能够准确即时掌握畜禽舍环境的一些关键信息参数，才能做出快速准确的调整，从而达到提高养殖水平、获得更好养殖利润的作用[3]。

本文提出一种基于STM32与GSM模块的禽畜舍环境监测系统的设计，能够对畜禽舍的环境进行实时监测；提醒用户对检测到的禽畜生长环境中的不合理因素进行及时控制、调整。

1系统组成

在畜禽舍环境监测方面，采用传统人工方式较多，如何达到畜禽舍环境的智能管理，自动对畜禽舍环境的状态进行实时监视、记录环境数据过限、即时报警等，这些功能通过一个系统能够完成，这样的系统组成结构框图如图1所示。

图1　系统的组成结构图

系统构架中，存在多个传感模块。这些传感模块所要采集的环境因素并不相同，不再是单一的某种环境数据。采集到的各种数据值需要进行比较，如果数值过限，将通过人机界面模块进行告警提醒或通过短信模块进行远程提醒。因此，各模块需要主控器统一调配工作。

2系统硬件设计与实现

根据系统的组成结构图，按电路功能分成按键与LCD显示模块、MCU与接口电路、GSM模块、传感器模块、声光告警等几部分电路组成。硬件电路如图2所示。

图2　系统硬件电路框图

2.1MCU与接口电路

STM32F030系列单片机是意法半导体公司生产的，它以基于ARM Cortex M0处理器内核的嵌入式微处理器，具有高性能、低成本、低功耗等特点。

本文采用的STM32F030C8为32位微处理器，其有39个GPIO，完全可以满足禽畜舍环境监测器的所需IO引脚数。其内部集成了两个USART，一个12通道的12位ADC，以及其它外设，这样使得外部的接口电路得到极大的简化。使用其中的一个串行口完成对于LCD模块的显示控制，使用另一个串行口与GSM模块通信，完成对SIM900的短信收发操作。PB0~PB7用做矩阵键盘电路的IO接口，PA0~PA7接到模拟量输入端，将气体传感模块传来的模拟量送入内部AD转换器进行转换。PA8为单总线通信端口。PA11输出信号送到声光告警电路，在需要告警时，通过声响和闪光来通知场内人员。

2.2GSM模块电路

SIM900是SIMCom生产并销售的紧凑型产品，它属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，SIM900A仅适用于中国市场，其性能稳定，外观精巧，性价比高。采用工业标准接口，工作频率为GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输[1]。

SIM900A使用串口通讯的方式和外部连接，通过串口数据的交换我们就可以使得SIM900A模块去执行命令了。通过AT命令的控制 (GSM 07.07,07.05 and SIMCOM增强AT命令集)完成本系统所需的短信收发功能。

2.3传感器模块

家畜家禽在养殖过程中，所处环境对它们生长的影响因素较多，而影响最主要是温度、湿度、有害气体三种，因此本系统针对这三种因素进行监测[2]。在规模化养殖时，畜禽舍面积会比较大，为了全面监测，需要在畜禽舍内的多个适当的位置安装这三类传感器。目前，对空气温湿度进行检测的传感器研究与运用比较成熟，其中不乏性能较好的单总线数字式温湿度传感器。使用这类传感器的电路结构简单，它们的数据传输只须一根数据线即可，并且容易实现多个传感器共用这根数据线。一般常用的有害气体传感器是将所测气体浓度转换成对应的电压值或电流值。通过缓冲放大电路，将传感输出的电压或电流转换成0~3.3 V的电压，再送给MCU进行AD转换，得到数字值。

2.4人机接口电路

不同种类的家畜家禽，以及同种家畜家禽在不同生长时期，所需温度与湿度是不一样的，这就要求监测系统对畜禽舍环境因素是否超限进行设置，这将用到按键与显示电路。通过对按键的操作可以设置生长环境因素超限值，也就是告警起动的上下限值，还可查看当前环境的数据，翻看近前的记录，设置GSM对象号码等。这些过程中，采用了12864的点阵LCD屏进行相应信息的显示和提示。

3基于MDK的ARM微控制器软件设计与实现

3.1设计思路与流程图

为实现对畜禽舍当前环境因素的监测与超限报警，软件将完成对硬件电路的驱动以及功能操作，其由LCD模块驱动子程序、气体传感器AD转换子程序、单总线驱动子程序、AT命令发送与SIM900A驱动子程序、超限设置与记录子程序、GSM对象号码设置子程序等组成。

软件功能的实现是通过主程序与定时器中断程序配合完成的。定时器每隔5 ms产生一次中断，对按键进行一次扫描，结合之前多次扫描，得到按键状态，完成按键去抖动，计算出键值，更新新键值缓冲区，以备主程序使用。同时对5 ms的时间进行累计，当达到需重新获取传感器数据的时长，将传感数据更新标志置为1。主程序先对系统进行初始化，包括定时器设置，LCD开机显示画面，SIM900A模块、传感器模块检查，中断开启等，然后查看是否有按键，如果有则响应按键对应的记录查询或超限设置、号码设置程序，一起包括在按键处理程序中；如果有传感器数据更新标志，则对所有传感器进行驱动，获得畜禽舍环境参数值并清除更新标志，之后判断参数值是否超限，如有则发出本地告警与发送短信提示，同时记录下来。

图3主程序流程图图4定时器中断程序流程图

3.2编程实现

RealView MDK开发套件源自德国Keil公司，是ARM公司目前最新推出的针对各种嵌入式处理器的软件开发工具。RealView MDK集成了业内最领先的技术，包括μVision3集成开发环境与RealView编译器。支持ARM7、ARM9和最新的Cortex-M3核处理器，自动配置启动代码，集成Flash烧写模块，强大的Simulation设备模拟，性能分析等功能。因此，由Keil MDK这个集成开发软件来实现软件的编写与调试。

4结束语

该系统使用STM32F030C8作为控制器件，具有电路结构简单、功耗低等特点，可作为一种通用的畜禽舍监测装置。如果在电路中加入对应的参量传感器的调整执行机构，比如对应温度加入风机或空调，在温度过高时开启，即可实现相应的自动控制的目的。

参考文献

[1]宋维，崔晓坤.基于STM32的GSM模块综合应用[J].电脑知识与技术，2012(18):4536-4537.

[2]赵建华.禽舍环境无线监测系统的设计与实现[D].哈尔滨:东北林业大学,2011.

[3]邓桂扬，王升升，马得银.基于ARM和ZigBee技术的禽舍环境无线监测系统设计[J].农业网络信息，2014(7)：61-64.

A Design of Environmental Monitoring System Based on STM32 and GSM Modular

Liu Zhibin, Jiang Li

(HunanTechnicalCollegeofRailwayHigh-Speed,HengyangHunan421002,China)

Abstract:In intensive farms, besides the improving of feeding and management, to control the environment is a useful means to improve the productivity of livestock and poultry. This paper presents a design of environmental monitoring system based on STM32 and GSM modular, The environmental control of poultry house are automatically monitored and through the alarm information or text messages reminds users, then to adjust and control the irrational factors in the environmental of poultry house. This system consists of keyboard circuit and LCD display circuit, MCU and interface circuit, GSM modular circuit, sensor and driving circuit, alarm circuit and so on.

Key words:ARM; GSM; environmental monitoring system

中图分类号：TP277

文献标识码：A

文章编号：1674- 4578(2016)01- 0013- 02

作者简介：刘志斌(1982- )，男，湖南衡阳人，讲师，研究方向：自动控制。

收稿日期：2015-09-29