一种基于物联网的智能养殖系统设计

赵 青，许育恒，朱鹏飞，陈 锡

（南通职业大学 电子信息工程学院，江苏 南通 226007）

生猪价格继2021年出现大幅下跌后，于2022年3月再次探底。生猪价格大跌，加之人工成本与饲料成本较大幅度增加，生猪养殖行业人员流失，一些养殖企业、专业养殖户面临严重亏损甚至破产或停业的困境。为帮助养殖企业挺过难关，设计一款基于物联网的生猪智能养殖系统，通过养殖环境自动监测控制、自动喂养、自动清扫、防火防盗等功能的实现，以减少损失，降低生猪养殖成本，提高生猪瘦肉率，提高养殖户收入。同时，还可改善养殖人员工作环境，降低劳动强度，帮助养殖企业留住员工。

1 智能养殖系统总体设计

智能养殖系统分硬件和软件两部分，总体构成如图1所示。以带WIFI模块的单片机为核心构建防火、防盗、环境自动调控、自动喂养和自动清扫等多个节点，实现猪舍环境的自动调控、自动清扫，以及自动喂养和防火防盗等功能。进行移动端APP开发，利用阿里云进行数据的上报和下发，实现远程查看和远程控制等功能。

图1 智能养殖系统总体构成

2 系统硬件设计

系统硬件设计具体包括单片机最小系统设计、电源设计、各节点单片机接口设计等。

2.1 单片机最小系统设计

单片机选用深圳安信可科技公司生产ESP 12F，该模块内核处理器为ESP8266EX，是一款高度集成的WiFi SOC。ESP12F使用3DBi的PCB板载天线，支持标准的IEEE802.11b/g/n协议，载波频率为2.4 GHz，支持完整的TCP/IP协议[1]，适用于智能家居、工业物联网等领域。

为保证电路正常运转，按照安信可设计指南，禁用ESP12F的pin9-pin14引脚。以ESP12F为基础，增加外围复位电路和电容滤波储能电路，并拉低GPIO15，设计图2所示的单片机最小系统，作为各节点控制核心。图2中，K1为人机交互按键，K2为复位按键。

图2 单片机最小系统

2.2 电源设计

使用HLK-PM01稳压AC-DC隔离开关电源模块实现220 V市电转5 V直流电，使用AMS1117-3.3线性稳压器，将5 V电压降为单片机所需的稳压3.3 V，设计电源电路如图3所示。

图3 电源电路

2.3 防火节点单片机接口电路设计

防火节点由电源、单片机最小系统和火焰传感器[2]、烟雾传感器MQ-2、HNB09A05-JX蜂鸣器模组等组成，用于实时检测环境中有无火焰和烟雾，若有则蜂鸣器进行报警。相应单片机接口电路如图4所示。

图4 防火节点单片机接口电路

2.4 防盗节点单片机接口电路设计

防盗节点由电源、单片机最小系统、人体红外传感器模块HC-SR501[3]、CC6201磁力传感器、HNB09A05-JX蜂鸣器模组等组成，置于阳台和门窗附近。若检测到有人闯入或门窗被打开，蜂鸣器进行报警。相应单片机接口电路如图5所示。

图5 防盗节点单片机接口电路

2.5 环境自动调控节点单片机接口电路设计

环境自动调控节点由电源、单片机最小系统、温湿度传感器SHTC3、4引脚OLED（IIC通信方式）、JC817C光 耦 模 块、8050三 极 管、SRD-05VDC-SL-C继电器模块等组成，其单片机接口电路如图6所示。单片机通过SHTC3实时检测环境温度和湿度数据，由OLED显示检测结果。当温度或湿度过高，单片机引脚IO14输出低电平，光耦模块U10导通，输出电流，三极管Q5导通，集电极产生电流，继电器RLY5得电发生吸合动作，公共触点5与常开触点2相连，风扇火线因此与市电火线相接，风扇得电工作。当温度过低，单片机引脚IO13输出低电平，光耦模块U17导通，继电器RLY8得电发生吸合动作，驱动加热器工作。按键K3和K4用于设置温度的上下限：短按K3一次，设置温度上限；连续短按K3两次，设置温度下限；长按K3，退出设置；每短按K4一次，对设定值加1；每长按K4一次，对设定值减1。设置的温度上下限存入ESP12F内部FLASH，可实现掉电保护。环境自动调控功能为生猪生长提供合适的温湿度，提高猪崽存活率，降低生猪得病率和病死率，帮助养殖户减少相应损失。

图6 环境自动调控节点单片机接口电路

2.6 自动喂养节点电路设计

自动喂养节点由单片机最小系统、JC817C光耦模块、8050三极管、SRD-05VDC-SL-C继电器模块、电源电路等组成，控制伺服电机、放水泵、喂食泵及搅拌电机有序工作。单片机接口电路如图7所示。其中，伺服电机带动传输带向搅拌槽投放饲料，放水泵向搅拌槽放水，搅拌电机将干饲料和水搅拌成粥样湿饲料，喂食泵从搅拌槽抽取湿饲料送往饲料运输管。

图7 自动喂养节点单片机接口电路

单片机判断按键K1是否被按下，若是，有序执行以下操作：IO14输出低电平，控制伺服电机工作，利用传输带将干饲料送入搅拌槽；同时IO13产生低电平，驱动放水泵工作，抽水送往搅拌槽；2分钟后，IO5产生低电平，驱动搅拌机工作；10分钟后IO4引脚输出低电平，驱动喂食泵从搅拌槽抽取湿饲料送往饲料运输管道。自动喂养模块除了可以减少人工成本，还可根据生猪生长周期控制饲料投喂量，进行精准喂养，提高生猪瘦肉率，提高收入。

2.7 自动清扫节点设计

自动清扫节点由电源电路、单片机最小系统、MQ137氨气传感器模块、JC817C光耦模块、8050三极管、SRD-05VDC-SL-C继电器模块和常闭型水用电磁阀等构成，其单片机接口电路如图8所示。由MQ137氨气传感器采集环境氨气浓度，通过IO16引脚送往单片机进行数据分析。猪舍内粪便较多时，环境氨气浓度超标，IO13引脚输出低电平，光耦模块U14导通，继电器RLY7发生吸合动作，驱动电磁阀打开阀门，水进入水龙头喷头，实现对猪舍的自动清扫。每个猪舍都安装自动清扫节点，通过自动清扫确保生猪生长环境卫生，避免生猪因为环境脏而患病。另外，自动清扫功能还可减少人工成本。

图8 自动清扫节点单片机接口电路

3 物联网云平台应用

阿里云物联网云平台集成了设备管理、数据安全通信和消息订阅等功能，向下支持连接海量设备，采集设备数据上传，向上提供云端API，服务端可通过调用云端API将指令下发至设备端，实现远程控制。本文采用阿里云物联网云平台实现远程数据查看、远程喂养及远程清扫等功能。

在阿里云物联网平台创建 “产品” ，在 “产品” 中创建 “单片机设备” 和 “Android App设备” ，配置C Link SDK，实现设备端上报属性和事件，并接收云平台发送的设置属性和调用服务的指令。

单片机设备利用AliyunIoTSDK库和MQTT协议连接阿里云平台，APP设备利用Paho Android Service库和MQTT协议连接阿里云平台。MQTT是一种采用TCP/IP协议栈搭建的异步式数据电话报文协议，是一个轻量级的收发、订阅报文数据传输技术协议。通过MQTT协议，报文发送和接收都不受时间和空间限制。制定单片机设备和APP设备间发布和订阅的规则转化，其数据可相互发布订阅，即APP可获取单片机上传于云端的数据,单片机可接收APP下发的指令。

4 单片机软件开发

4.1 环境自动调控节点软件设计

环境自动调控节点采集环境温度、湿度数据并在OLED屏显示，将环境数据实时上传阿里云云平台，存储于云端，实现对环境温湿度的自动调节。如温度过高时，继电器驱动风扇工作，温度过低时继电器驱动加热器工作。环境自动调控节点主程序流程如图9所示。

图9 环境自动调控节点主程序流程

4.2 防火节点软件设计

防火防天然气泄漏节点采集火焰数据和烟雾浓度，若数值超标，则进行报警，并将检测的数据实时上传阿里云云平台，存储于云端。防火节点主程序流程如图10所示。

图10 防火节点主程序流程

4.3 防盗节点软件设计

防盗节点设置于阳台和门窗附近，利用人体红外传感器模块HC-SR501采集人体红外信号，判断有无外人闯入，通过CC6201霍尔传感器检测磁场有无变化以判断门窗是否被打开。若有，则进行声光报警，实现防盗防闯入的目的。同时，将检测数据实时上传阿里云云平台，存储于云端。其节点主程序流程如图11所示。

图11 防盗节点主程序流程

5 移动APP开发

应用Android studio开发移动APP “智能养殖” ，通过Java编程实现相应功能。

创建一个user的活动作为用户登录界面，用于填写用户信息，包括云平台地址、设备名和产品名、用户密码、MQTT地址、MQTT关于订阅和发布的主题等[4]。创建一个main活动，用于显示环境信息和进行远程控制。进行MQTT初始化，调用MQTT Client类，获取在user界面里存储的数据。进行MQTT连接设置，设置获取用户界面存储的用户名和密码并进行连接，设置超时时限，设置连接不到云平台时的重新连接。云平台连接成功后，获取单片机上传云端的数据，通过正则表达式解析数据，并对解析数据进行判断，若数据异常，进行弹窗提示并发送报警信息。将数据进一步处理，生成相应信息并给界面元素赋值，实现远程数据查看功能。通过云端向单片机下发指令，实现远程喂养控制、远程清扫控制功能。

“智能养殖” APP具有远程数据查看、远程控制等功能。实时更新猪舍环境数据，数据异常时推送报警信息，第一时间提示用户 “猪舍有危险” 等。用户无须进入现场即可通过APP进行远程喂养、远程控制喷头对猪舍进行清扫。APP界面效果如图12所示。

图12 智能养殖APP界面效果

6 结 语

基于物联网的智能养殖系统可通过自动喂养和自动清扫减少人工成本；通过环境自动调控和自动清扫确保养殖环境卫生舒适，可提高猪崽存活率，降低生猪患病率和病死率等，从而帮助养殖企业积极应对生猪市场价格持续走低的不利局面；同时，通过防火防盗功能减少异常损失。另外，进行移动端APP开发，利用阿里云进行数据的上传和下发，实现了远程查看、远程喂养和远程清扫控制等功能，使得养殖工作简单而轻松。应用实践表明，该系统成本低、效果好、安装方便，值得推广。