基于51单片机的家禽养殖投食系统设计与实现

颜中练，叶俊，余永海，韦雯雯，缪和曦，谯浪

（兴义民族师范信息技术学院，贵州兴义，562400）

0 引言

随着养殖行业的发展、养殖规模的扩大；智能化成为现代养殖中的趋势，本项目将以51单片机为主控芯片，设计和实现一套满足家禽养殖过程中的自动投食系统[1]，以降低传统家禽养殖过程中的人工体力投入、时间成本；解决自动化定时、定点投食的家禽喂养问题。在养殖业中养殖者需要花费大部分的时间精力进行投喂照看，不仅仅提高产出率和质量已经成为畜牧养殖业中的重中之重，怎么样减少劳动力也成为了本设计现在首要考虑的一大要点。

因此，本项目利用51单片机设计并实现了一套为养殖人员提供自动投食的养殖系统[2]，在养殖过程中大大减少人员的投入以及工作时间。

1 系统总体设计

■ 1.1 系统介绍

该设计是一个包括手机APP、51单片机作为核心芯片的养殖系统[3]。其主要针对农村家庭养殖家禽设计的自动化养殖系统，具有智能化和实时监控的特点。系统通过网络传输设备，将用户的手机、ESP8266和51单片机及相关的传感器联系在一起，进行信息的交互，从而实现养殖场内智能化的检测[4]。根据传感器获取到的温湿度数据以及有害气体浓度还有食槽中粮草的质量等数据，用户可以分析出是否需要给养殖场内进行开启风扇、打开水泵或者投喂粮食等操作[5]。该系统可以帮助用户实时监控养殖场内的基本信息，极大可能的减少了在养殖过程中人员和时间的投入。系统的业务流程图如图1所示。

图1 业务流程图

■ 1.2 系统架构

系统使用51单片机作为核心控制器，采取物联网技术和传感器技术，将ESP8266模块和相关的硬件通过无线网络连接起来[6]。通过无线网络将获取到的养殖场内的监测到的数据发送给APP，实现了信息的无线传输，可以将养殖场内的数据信息第一时间发送给用户，实现智能化的养殖目的。系统的架构图如图2所示。

图2 系统架构图

2 硬件系统设计

在本设计的硬件装置主要由51单片机、ESP8266、MQ-135和温湿度传感器组成，本系统的电路设计图如图3所示。通过绘制PCB板可以直观的观察系统的PCB布局，PCB布局如图4所示。本文基于STC51单片机开发板进行设计[7]，控制电路供电电压为5V，ESP8266常用工作电压为3.3V，因此需要通过1117（稳压器）进行降压。STC51单片机与ESP8266模块使用串口通信，来完成控制命令和数据传输，并通过I/O引脚控制重力传感器、温湿度传感器、MQ-135进行数据传输和控制风扇、蜂鸣器、水泵、舵机完成相应的任务[8]。本设计的控制电路图如图5所示。

图3 电路设计图

图4 电路设计图

图5 控制电路图

■ 2.1 STC51单片机

本系统设计采用STC51芯片作为51单片机的控制系统。STC51单片机是由集成微处理器、存储器和I/O接口电路在集成电路芯片上集成而得的。其从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，有较高的集成度，即使处于长时间的工作也不会存在故障问题并且对数据的处理能力和运算能力较强[9]，可以在各种环境中运用。在系统中通过51单片机来采集各传感器监测的数据。STC51芯片模块如图6所示。

图6 STC51芯片模块

■ 2.2 ESP8266模块

利用ESP8266可以实现十分灵活的组网方式和网络拓扑，连接服务器，与单片机进行串口通讯。本设计ESP8266采用Station模式，连接服务器，与单片机进行串口通讯。由5V电压接入后通过接1个电阻转换成3.3V的稳压，ESP8266的TX端口连接STC51单片机的RX端口，ESP8266的RX端口连接C51单片机的TX端口。ESP8266模块如图7所示。（RX：接收数据 TX：发送数据）

图7 ESP8266模块

■ 2.3 相关传感器

由于养殖场环境复杂，为了构建良好的环境，本设计空气质量传感器为MQ-135传感器。该传感器的气敏材料是在清洁空气中导电率较低的二氧化锡，当所处的环境存在有害气体时，传感器的导电率会随着空气中的有害气体浓度增加而变大。温湿度传感器采用DHT11数字温湿度传感器，其采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有极高的可靠性与稳定性。重力传感器是应变片电阻式称重传感器，其采用电阻应变片作为敏感元件进行测量，测量精度高，寿命长。MQ-135模块、温湿度模块、重力传感器模块分别如图8、图9、图10所示。

图8 MQ-135模块

图9 温湿度模块

图10 重力传感器模块

3 软件系统设计

■ 3.1 远程控制系统

本项目将以STC51系列单片机为主控芯片，根据家禽饲养过程投食、喂养特性，设计并实现家禽喂养自动投食系统。基于单片机的大型家禽养殖基地智能环境控制系统是以单片机为核心,通过传感器对养殖基地内有害气体与养殖基地内的温湿度进行采集，分析得出是否需要对养殖场内的环境进行处理，大大的促进大型家禽业的增产、增收和增效，同时还能有效减轻相关人员的工作强度，提升相关人员的工作效率。本系统的网关流程图如图11所示。

图11 网关流程图

主要研究内容：

（1）远程控制系统：手机登录、远程操控、投食喂养；

（2）自动投食系统：定时定点按照家禽养殖喂养特性，自动完成家禽食料喂养。

■ 3.2 远程控制系统

本系统的工作原理为：用户在手机端注册登录点灯科技APP后，控制ESP8266连接上网络，在APP中查看通过ESP8266发送过来的数据。用户在手机上接收到数据之后可以根据自己的需求对养殖系统进行控制，比如当粮草不足时可以进行投喂粮草。还可以实时监测温湿度和空气质量，通过监测到的数据可以选择是否打开水泵喷水或者是否打开风扇等操作；通过设计在养殖过程中可以节约工作人员的投喂时间以及经常查看饲养棚中的环境的时间，还减少了劳动力的投入，使喂养过程更加简单。本系统的系统结构图如图12所示。本系统界面设计如图13所示。

图12 养殖系统的系统结构示意图

图13 养殖系统的界面设计示意图

4 结语

在本项目以单片机作为该系统的主控芯片，使用ESP8266传输与接收数据，借助了WiFi网络强大的无线数据传输能力，针对家禽养殖中遇到的常见问题去加以处理，从而实现自动化喂养系统[10]。使用单片机来设计该系统也源于它体积小结构简单功能完善等优点。利用网络连接客户端与核心模块的数据交互，客户端操作简单，获取养殖场内数据实时性好，信息准确，发出指令后养殖场内的设备运行正常。时间数据表明，客户端软件与核心模块数据交换可靠，客户端的界面操作简单，获取养殖场内数据实时性好，信息准确，发出指令后养殖场内设备正常并且参数可调。而且，随着近年来我国在大型家禽养殖行业里的不断发展，省时省力的养殖受到广泛关注。结合智能化的养殖方式能大大的减少时间、人员的投入，实现了自动投食的目标。借助云平台，从成本上到人力等个方面都展示了该系统的可行性。