畜禽养殖环境监测系统的设计

牛海春，王乐林，宋海燕

（青岛黄海学院，山东青岛，266427）

0 引言

目前，我国的经济实力快速提升，人民对美好生活的要求不断提高，尤其是在食品安全上的问题受到人民群众的高度关注。近几年，对畜禽肉类食品安全的要求大大提高，要使畜禽肉类食品的质量得到保证，就必须保证畜禽养殖阶段是一种健康的环境。

畜禽养殖环境监测系统的研究以及推广使用，可以监测和调节畜禽养殖的环境，改善禽畜的生长环境，减少禽畜患疫病的风险，保证禽畜能够在健康的环境里成长，使畜禽肉类食品的原材料的质量得到保证。同时，能够减少劳动力、降低劳动强度、增加养殖户的经济收入。所以畜禽养殖环境监测系统对养殖行业发展有积极影响，并且具有很高的应用价值。

1 系统总体设计方案

畜禽养殖环境监测系统的工作原理是通过环境检测模块对畜禽养殖环境中的因素进行实时采集和监控，之后由微控制器模块集中处理，再由微处理器模块将获取的信息传送到OLED显示模块显示，同时由无线通讯模块将数据上传至云平台，并能够在手机上实时监测，以实现远程监控。该系统的整体方案设计如图1所示[1]。

图1 整体方案设计

2 系统硬件设计

2.1 硬件系统总体结构

畜禽养殖环境监测系统由硬件和软件两部分组成，在硬件设计方面由温湿度检测模块、氨气检测模块、显示模块、无线通讯模块及排风扇、加湿器等部分组成。

2.2 采集检测模块电路设计

2.2.1 二氧化碳检测模块电路设计

二氧化碳检测选用SGP30二氧化碳传感器，SGP30易于集成，应用于空气质量检测仪、便携式气体检测仪、智能家居、家电和物联网等场合。SGP30二氧化碳传感器检测范围最高能达到60000ppm，在0ppm-5144ppm检测范围时，测量误差为1ppm-3ppm，精度较高，所检测的二氧化碳浓度数值较为准确。SGP30传感器启动时间短，响应速度快，价格较为便宜。

2.2.2 温湿度传感器模块电路设计

为保证测量范围符合要求，并保证测量信息的准确性以及抗干扰能力，选用SHT30温湿度传感器模块。SHT30模块湿度测量范围为0-100%RH，测量误差为±5%；温度测量范围为-40℃～125℃，测量误差为±2℃；且SHT30灵敏度高、响应速度快，上电3秒后即可输出较为准确数据。

2.2.3 氨气传感器模块电路设计

在畜禽养殖环境监测系统中氨气传感器模块采用MG812气体传感器模块，氨气浓度检测范围达到100ppm。MG812模块上电后需要20秒左右的时间才能得到较为稳定的数据，MG812是模拟量输出，需要通过单片机进行模数转换才能获取氨气的浓度值[2]。

2.3 无线数据上传模块电路设计

在畜禽养殖环境监测系统中无线通讯模块选用ESP8266 WIFI模块，该模块功耗低，体积小，稳定性高，价格低，可以连接热点或者路由器通过MQTT协议上传至云平台。可以通过AT指令进行调试，方便测试以及程序的编写。

2.4 外围设备电路设计

畜禽养殖环境监测系统中外围设备包括排风扇、加湿器、湿帘、加热器。选用220V交流电的六寸小型排风扇、热风机、小型抽水泵以及裁剪的湿帘，继电器选用PMN5D固态继电器。PMN5D固态继电器可用于冲击大、振动和污染的恶劣工作环境，并且能够实现无火花导通，用于控制外围设备。

2.5 OLED显示模块电路设计

在畜禽养殖环境监测系统中显示模块选用OLED作为显示屏。OLED显示模块对比度高、厚度薄、功耗低，并且能适应超广可视角，具有自发光特性，不需要背光源。OLED显示模块的引脚只有四个，占用单片机资源较少。OLED显示模块反应速度非常快，不需要等待，数据的传输采用的是IIC协议。但必须要正确配置各引脚，并且有数据传输才能够使OLED显示模块工作。

3 系统软件设计

3.1 软件总体设计

畜禽养殖环境监测系统是将温度数据、湿度数据、二氧化碳数据以及代表氨气数据的电压采集后，传输到微控制器进行数据转化的计算，并判断是否在阈值范围内，如果不在所设的阈值范围内则驱动对应的外部设备对畜禽养殖舍中的温度、湿度以及二氧化碳浓度、氨气浓度含量进行调节，并使各环境因素调节至阈值范围内停止。但无论是否超出阈值范围都必须将数据传输到OLED显示屏显示和上传到云平台[3]。其程序总体设计流程图如图2所示。

图2 程序总体设计流程图

3.2 采集模块软件设计

采集模块的程序设计分为三部分，分别是二氧化碳浓度监测软件设计、温湿度监测软件设计以及氨气浓度监测软件设计。其中温湿度监测软件设计和二氧化碳浓度监测软件设计所使用的传感器采用数字量输出，氨气浓度监测设计使用的传感器采用的是模拟量电压输出。

3.2.1 二氧化碳浓度监测软件设计

SGP30二氧化碳传感器的输出方式是数字量输出器件，采用的是IIC协议通信。在编写程序时，使用的是模拟IIC的方式进行数据的传输，在每一次读取数据时都需要发送从机地址和读命令，只有应答之后才能读取到测量的数据，并且还需要检验所读取的数据是否正确，最后获取高八位数值，取得二氧化碳浓度。

3.2.2 温湿度监测软件设计

SHT30温湿度传感器输出方式是数字量输出，其采用的通信协议是IIC协议通信。在编写程序时，使用的是模拟IIC的方式进行温湿度数据的传输，在每一次读取温湿度数据时都需要发送从机地址和读命令，只有从机应答之后才能读取到测量的温湿度数据。并且还需要检验所读取的温湿度数据是否正确，其中高16位表示温度的原始值，第8位到第23位表示湿度原始值，最后还需要通过单片机计算才能得到实际的温度值与实际的湿度值。

3.2.3 氨气浓度监测软件设计

氨气传感器采用的是模拟量输出，需要使用单片机内部的ADC转换功能才能获取电压值，并通过计算获取实际的氨气浓度。

3.3 外围设备模块软件设计

外围设备模块软件设计分为五部分，分别是OLED显示模块软件设计，控制排风扇软件设计、控制热风机软件设计、控制湿帘软件设计、控制加湿器软件设计，其作用是以所设阈值范围为基础对畜禽养殖环境进行调整。

3.3.1 OLED显示模块软件设计

OLED显示模块采用的是IIC通信。在编写程序时，单片机需要对OLED显示模块发送写指令，等待有响应后，将单片机处理好的数据写入OLED显示模块的存储器，同时需要设置字体的大小，能够将温度、湿度、二氧化碳浓度、氨气浓度正常显示。

3.3.2 控制排风扇软件设计

控制排风扇软件设计是STM32F103RCT6单片机将温湿度传感器、二氧化碳传感器、氨气传感器所检测的温度值、湿度值、二氧化碳浓度值、氨气浓度值分别与所设的温度最大阈值、湿度最大阈值、二氧化碳浓度最大阈值、氨气浓度最大阈值进行比较，若大于最大阈值则排风扇工作，若低于最大阈值时则排风扇停止。在进行比较之前需要配置驱动排风扇的引脚并初始化。

3.3.3 控制热风机软件设计

控制热风机软件设计是STM32F103RCT6单片机将温湿度传感器检测的温度值与所设的温度最小阈值进行比较，若大于温度最小阈值时则热风机停止，若小于温度最小阈值时则热风机工作。在进行比较之前需要配置驱动热风机的引脚并初始化。

3.3.4 控制湿帘软件设计

控制湿帘软件设计是STM32F103RCT6单片机将温湿度传感器检测的温度值与所设的温度最大阈值进行比较，若大于温度最大阈值时则湿帘的水泵工作，若小于温度最大阈值时则湿帘的水泵停止。在进行比较之前需要配置驱动湿帘水泵所使用的引脚并完成初始化。

3.3.5 控制加湿器软件设计

控制加湿器软件设计是STM32F103RCT6单片机将温湿度传感器检测的湿度值与所设的湿度最大阈值进行比较，若大于湿度最小阈值时则加湿器停止，若小于湿度最小阈值时则加湿器工作。所测实际湿度值与湿度最大阈值比较之前需要配置驱动加湿器所使用的引脚并初始化。

3.4 无线上传模块软件设计

无线传输模块用到ESP8266模块，ESP8266模块通电之后，单片机需要对ESP8266模块初始化才能连接至云平台和网络。在接入云平台和网络的前提是必须要把热点名称和密码以及云平台设备的信息和服务器地址、端口才能完成数据的上传。

3.5 云平台界面显示设计

畜禽养殖环境监测系统中远程监控功能，实现方法是用ESP8266WIFI模块将数据上传至OneNET云平台。在OneNET云平台中需要配置显示页面以及匹配相应的数据流才能在手机APP设备云中显示。

4 系统调试及结果

4.1 环境监测及驱动外设的调试及结果

将各传感器模块及外围设备连接正确无误后，接通电源开始配网、初始化。将温度阈值设置为22℃-29℃，低于22℃热风机启动，高于29℃时启动排风扇和湿帘；将湿度阈值设置为30%-65%，大于所设最大阈值时启动排风扇，小于最小阈值时启动加湿器；将二氧化碳的最大阈值设置为2000ppm，浓度大于2000ppm时启动排风扇；将氨气浓度的最大阈值设置为50ppm，浓度超过50ppm时启动排风扇。

4.2 云平台数据传输的调试及结果

在实物制作完成后对畜禽养殖监测系统进行测试。主要测试数据能否上传至云平台。测试时需要把ST-LINK与单片机和电脑相连，然后用KEIL5打开写好的程序。在编译没有错误后下载至单片机。下载完成后，登录云平台后打开所创建的设备，显示设备在线同时也有数据传送，其结果图如图3所示。

图3 测试结果图

5 结束语

畜禽养殖环境监测系统是一种基于STM32F103RCT6微控制器的设计与制作。在综合考虑了畜禽养殖舍中温度、湿度、二氧化碳浓度、氨气浓度对家禽的影响以及危害后，确定了畜禽养殖环境监测系统的总体设计方案，并详细介绍了畜禽养殖环境监测系统的设计思路和主要技术功能。最后在OneNET云平台创建显示界面，并且能够通过手机观看实时检测数据。该设计对畜禽养殖环境的监测有一定的借鉴意义，能有效改善畜禽养殖环境，提高养殖质量。