基于STM32的养猪场群体精细饲喂控制系统

惠鹏飞，邹立颖，袁琪，陈祥飞

（齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

随着我国物联网技术的飞速发展，将互联网、云计算、大数据、数据库等新一代信息技术运用到传统的养猪行业，实现物联网与养猪业深度融合是未来的发展趋势，这包括生猪饲养繁殖、疾病防预、猪场管理，粪便处理，生猪屠宰、身份信息跟踪、防预报警等各个环节[1-2]，养猪业将进入高效、科学、节能、智能管理的现代养猪模式，企业的生产效率和竞争力将获得明显提高。

鉴于此，笔者将物联网技术应用到传统养猪场，设计了群体精细饲喂控制系统。该系统涵盖ZigBee、ARM、传感器、数据库、Wi-Fi、C#程序设计等多项技术，开发了系统的硬件电路和上位机软件，并进行了功能测试。该系统应用于规模化养猪场，对于提高生猪养殖的智能化和自动化水平，具有重要意义。

1 精细饲喂控制系统的硬件设计

1.1 系统总体设计方案

生猪精细饲喂控制系统的组成主要由PC 机、数据采集节点、数据传输节点、通信线路、主控制芯片、电机装置、舵机控制和电源供电模块等组成。系统硬件按照功能可分为主控制器STM32、Wi-Fi 传输模块、蜂鸣器报警模块、精细化喂养模块、排泄物处理模块、环境信息采集和控制模块、上位机显示模块，硬件整体构成如图1 所示。

图1 系统硬件整体构成图

数据信息采集系统包括RFID 模块、路由通信模块、STM32 控制模块、料槽、料斗、进料罐、温度传感器模块、称重秤、开关，上述部件形成一个闭合装置。通信模块通过TCP/IP 协议路由器连接到PC 端，负责与PC 的数据传输和数据库存储。控制模块主要通过STM32 驱动舵机的摆动，控制闸阀和料斗阀的开启和关闭，控制好投食量。利用扣在生猪耳朵上的电子耳标，RFID 系统将生猪的基本信息采集发送到上位机和数据库内，包括猪的出生日期、品种线、年龄、体重增加、疾病、免疫力等信息。为了保证生猪进食过程中不受其它猪的影响，确保精准喂养，当到了喂食时间时，生猪会站在电动门外红外感应区域内，气动门就会自动打开，生猪通过自动门进入喂养间。当生猪进入后，电动门会自动关闭，其它生猪无法再进入。

1.2 系统主要元件的选取

1.2.1 处理器的选取

核心处理器选择STM32，STM32 基于ARM Cortex-M3 内核，其构架有多项改进，依靠Thumb-2 指令集提升了性能和代码密度，中断响应和低功耗也满足系统要求[3-4]。当生猪进入到喂养间后，蜂鸣器会发出提示音，表明有生猪进入，同时RFID 系统记下每头猪的具体信息，根据猪的具体信息制定科学的投食方案，通过舵机来控制投食机孔的大小和投食时间的长短。

1.2.2 RFID 读写芯片

系统应用的RFID 读卡器，采用MFRC522 集成射频读写芯片，通信频率13.56 MHz，通过RS232 串口实现了读卡器与上位机的通信，达到了设计要求。STM32 微处理器与MFRC522 之间的通信接口为SPI 方式，PCB 天线和电子标签内的线圈以非接触的方式耦合。

饲喂间使用的是全封闭式的空间结构，RFID 阅读器将自动读取猪的耳标信息。同时，将猪的基本信息传送到PC 端，并与现有的数据库既定规则进行比较。采用模糊控制技术对反馈信息进行反馈，得到最佳的食料配送方案。

1.2.3 A/D 转换电路

A/D 转换电路选择HX711，HX711 以多位数据的串口传输形式输送给单片机。该芯片与后端MCU 芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程[5-6]。

1.2.4 传感器的选取

传感器的选择兼顾性能和成本，要适合养猪场的特殊环境。温度测量传感器利用DS18B20，它支持“一线总线”接口，内部集成了传感器件和转换电路[7]。DHT11 数字温湿度传感器具有极高的可靠性和稳定性，符合养猪场饲喂控制系统的要求。有害气体检测选择MQ135 传感器，MQ135 气体传感器对氨气、硫化物、苯系蒸气的灵敏度高，对烟雾和其他有害气体的检测也比较理想。考虑猪场的特殊环境，水位传感器使用Water Sensor 水位/水滴传感器，用来判断水位。Water Sensor 水位/水滴传感器输出的模拟值可以直接被Arduino 开发板读取，达到水位报警的功效[8-9]。系统主要的传感器如图2 所示。

图2 系统选用的主要传感器

1.3 分系统电路设计

分系统电路主要包括时钟控制电路、系统复位电路和蜂鸣器驱动电路。STM32 内部可以产生两种时钟信号，以满足不同场合需要。内部低速(LSI) RC 振荡器典型的输出频率值是40 kHz，振荡频率最小值为30 kHz，最大值为60 kHz。内部高速(HSI) RC 振荡器典型的输出值是8 MHz，精度值是10f0，最差值是2.5%。HIS 振荡器如果要求高精度不能采用片内HIS，一般都会选择外部时钟源。

1.4 Wi-Fi 及串口转Wi-Fi 电路设计

要传输猪场内采集到的信息，需通过串口-以太网-无线网的方式。这部分以符合网络准则的通用串口为标准，包含TCP/IP 协议，它可完成用户串口和Ethernet 及无线网（Wi-Fi）间的互相变换。通过无线传输模块，传统的串口设备在不用改变任何配置的情况下，就可以通过Internet 网络进行传输数据[10]。

控制系统采用串口转Wi-Fi AP 模式，在这个模式中，ETH1 和ETH2 运行终止。经过合适的设置，串口数据和Wi-Fi 网络数据转换数据。在此模式下，在设计串口转Wi-Fi 时使用HLK-RM04 模块，工作频段为2.4 GHz，电源适配器5 V、1 000 mA，挑选与之匹配的网线即可实现连接。

HLK-RM04 为嵌入式UART-ETH-WIFI（串口、以太网、无线网）模块，使用HLK-RM04 后，以前使用的串口设备可以不需改变任何配置，就可通过Internet 网络通传需要的数据。出厂默认值的无线以太网都是开放状态，功耗比较大，为了实现低功耗设计，可以通过串口配置。HLK-RM04 模块及串口连接如图3 所示。

图3 HLK-RM04 模块及串口连接图

2 精细饲喂控制系统的软件程序设计

2.1 数据采集程序设计

数据采集程序包括DHT11 程序、DS18B20 程序、猪体重信息检测程序、氨气浓度检测程序等。在程序开发中，主要使用的软件包括串口助手ScomAssistant V2.1 和MDK5。串口助手通过电脑串口（包括USB口）收发数据并显示，借助于它来调试串口通讯或者系统的运行状态。也可以用于采集其他系统的数据，观察系统的运行情况。

2.2 Wi-Fi模块程序设计

Wi-Fi 的收发和调试方式有很多种，本系统通过串口方式对其进行调试。设置好Wi-Fi 模块的工作模式，通过STM32 串口传输的方式对Wi-Fi 模块进行初始化操作，并执行具体指令。上位机STM32 对接收到的Wi-Fi 的信息进行分析、提取，将监测到的信息显示到上位机界面上面。同时通过中断的方式将上位机界面的指令用Wi-Fi 模块传递给下位机，下位机实现对指令的执行。Wi-Fi 传输过程程序流程如图4 所示。

图4 Wi-Fi 传输过程程序流程图

2.3 上位机应用程序和MySql数据库

上位机显示界面是使用VS 2017来完成的，利用C#编写代码。先将需要的控件调出组成自己想要的页面，然后再通过设置控件的属性，在后台写事件控制来实现界面的显示。该软件主要可实现显示摄像头采集的图像、显示传感器显示的数据以及控制摄像头方位的功能。其系统流程图如图5所示，界面如图6所示。

图5 上位机设计流程图

当打开上位机操作界面时，系统初始化通过无线信号自动与下位机进行连接，用户通过选择上位机界面上不同的控制按钮，发出相应的指令来控制摄像头的方向达到监控视频的实时显示，上位机界面能实现实时的显示当前的环境参数、显示监控区域画面和控制摄像头的角度。

选用MySql数据库，该数据库是免费、开源的，运行速度快，复杂程度较低，MySql数据库支持sql语句查询。在使用MySql数据库进行开发的过程中，还需要使用navicat应用程序，它可以将Mysql进行图形化管理，用户可以通过它使用简单的方式对数据库进行访问及操作。

使用数据库将生猪的体重、体温、进食数量、以及通过各传感器采集到的信息储存起来，并通过进食量和体重的增加量来计算出料肉比曲线，实时方便调整生猪进食量。

3 系统功能测试

3.1 数据显示功能测试

传感器显示部分软件和硬件相结合，实现了氨气浓度、猪场环境温湿度、水位情况、生猪的具体生长信息精确检测。同时排泄系统，防疫喷洒系统、环境监测也能很好的完成具体功能。图6为测试时上位机显示界面。当点击开启数据时，上位机界面显示环境参数。

图6 上位机显示界面

环境的氨气浓度通过曲线的形式显示，因为氨气浓度的大小直接影响生猪的健康状况，浓度过高猪容易患上各种呼吸疾病。还可以通过显示界面的喷洒按钮来控制防疫药物的喷洒，也可以设置为定期喷洒模式，不需要手动直接控制。图中的二维码主要是方便手机扫描显示基本信息，当数据显示框里的数据显示出现问题时，可以通过扫码的方式查看具体的信息。

从图6可以看出本系统可以显示出当前环境的温度、编号、二维码信息、氨气浓度、视频监控信息、健康状况信息和环境信息，通过多次测量并对比来验证数据是否准确。表1所示是一天内三次随机的测量值，测量数据和上位机显示数据对比表明，上位机界面可以准确的显示出环境数据。

表1 环境监测数据

3.2 视频传输功能测试

视频传输功能调试是为了测试上位机软件是否能准确的显示出摄像头照射到的画面，视频监控整个厂区的具体情况，其中包含了生猪的日常活动、监控状况来往的客户、喂养人员、以及各个硬件设备运行的具体情况。还有就是防御喷洒系统能按时按量的完成提前疾病防御的消毒药物喷洒，保证了猪的生长环境。当点击打开视频按钮时，视频显示能够准确的显示出当前监控区域的画面，视频监控性能稳定。

4 结论

基于STM32的养猪场群体精细饲喂控制系统，实现了物联网与养猪业的深度融合，利用RFID、自动称重传感和温度传感等技术对种猪的采食量、时间、日增质量、料肉比进行测定，饲养员可以在上位机查看相关数据并操控。猪场内部产生的废物以及各种排泄物的排放处理、传染病防疫药物喷洒系统、猪场内部的温度湿度调节等，均可以通过上位机自动控制来实现，实现生猪精细化喂养的目的。通过视频监测功能查看猪场环境、设备和来往人员流动状况。测试结果表明，该系统工作稳定，对于提高生猪养殖的科学化、自动化水平具有重要意义。