基于Arduino的智能家兔产箱系统设计与实现
2023-02-28杨梦迪麦欢欢葛宏义
杨梦迪 麦欢欢 葛宏义
摘 要：为打造更好的家兔养殖环境，提高家兔养殖效率，设计一套智能家兔产箱。利用传感器对家兔养殖环境进行检测，利用MQTT协议将单片机与物联网云平台相连接对产箱进行监控和反馈，实现监控家兔产箱中环境的温湿度、有害气体浓度、光照强度以及兔粮的消耗等，实现风机自动通风、自动清粪以及自动喂粮等功能。试验结果表明，该系统能够实现对家兔产箱的智能化监测，可以帮助家兔养殖人员提高养殖效率，降低人力成本，实现智能化的养殖管理。
关键词：畜牧业；家兔养殖；物联网技术；Arduino
中图分类号：TP273+.4 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）20-0045-05
Design and Implementation of an Intelligent Rabbit Whelping Box System Based on Arduino
YANG Mengdi， MAI Huanhuan， GE Hongyi
（College of Information Science and Engineering， Henan University of Technology， Zhengzhou 450001， China）
Abstract： In order to create a better rabbit breeding environment and improve the efficiency of rabbit breeding， this paper designs a set of intelligent rabbit whelping box. It uses sensors to detect the rabbit breeding environment and uses the MQTT protocol to connect the Single-Chip Microcomputer to the IoT cloud platform to monitor the rabbit whelping box and provide feedback. It can monitor the temperature and humidity， harmful gas concentration， light intensity， and the consumption of rabbit food in the rabbit whelping box， and can automatically perform fan ventilation， automatic manure cleaning， and automatic food feeding and other functions. The experimental results show that the system can achieve intelligent monitoring of rabbit whelping box， help rabbit breeders improve breeding efficiency， reduce labor costs， and achieve intelligent breeding management.
Keywords： animal husbandry; rabbit breeding; Internet of Things technology; Arduino
0 引 言
近兩年来，随着经济的快速发展，畜牧业养殖模式改革，养殖技术智能化水平的提升以及信息化的广泛应用，家兔的商业价值日趋凸显，市场开发价值非常可观，我国的养兔业已从传统的农户养殖向规模化养殖方向发展，由于家兔养殖基数庞大，部分养殖户使用的传统粗放型养殖效率低、风险高、污染程度高，不能准确监控家兔的健康，这样容易引起家兔群体的疾病和感染[1]。针对这种情况，我国逐步实现现代化生产，大力推进“互联网+”现代畜牧业，例如于畅《基于物联网的家兔智能养殖系统的研究》中的智能养殖系统非常全面地实现了自动喂养、自动清粪、环境自动调控和信息管理四个部分。其中信息管理部分包基于C/S架构数据处理系统、基于B/S体系结构管理系统的远程管理，及移动端及控制模块测试，并且通过无线传输的方式，将传感器节点以及控制系统和用户的访问终端进行连接，然后用户就可以通过电脑端和手机端控制管理养殖场的设备以及监控养殖场的环境信息实现了对养殖场的信息管理[2]。李士军等人在《基于物联网的家兔标准化养殖智能监控系统》中利用ZigBee的方式，通过网络将养殖数据传送至服务器，同时视频监控系统可以收集兔舍的视频信息的数据，并且可以在远程终端显示[3]。然而美中不足的是，大多数研究针对的规模化养殖场进行的自动化设计，而我国兔子养殖业形式是以规模化兔场和分散式养殖并存的方式，如文献[4]提到母兔存栏500只以下的小规模兔场，其出栏合计占到65.69%，其中庭院式养殖的出栏量还占到29.70%[4]。对于中小型散户常常没有足够大的空间或经济实力去负担实现比较大型的或比较昂贵的智能化养殖装置。
为了更好地提高家兔养殖信息化建设，促进中小型散户家兔养殖效率提升，需要降低养殖成本，减少智能化操作复杂度，给中小型散户家兔养殖提供经济耐用型的智能化养殖设备。本文在总结前人的经验基础上，结合家兔养殖的环境要求，利用物联网技术，使用各类传感器通过Wi-Fi通信模块，利用MQTT协议上传环境数据至云端服务器，能够将数据信息完整的提供给养殖户，并且利用手机、电脑远程实时监控，可实现通风、远程提醒等多项功能，从而提高家兔养殖的精细化，达到智慧化家兔养殖管理的目标。
1 系统整体设计构架
如图1所示，智能家兔产箱整体系统架构分为三個层次，首先是由Arduino开发板、传感器模块和无线通信模块构成的设备端进行异构数据的收集与传送，其次是物联网云平台接入端进行数据的接收与转储，最后是物联网云端对收集的异构数据位置和类型进行处理分析，分析过程主要是将收集的数据值与预先设定的阈值进行比对，如若在某一范围内超出或低于阈值，则进行相应的自动化操作，与此同时将收集到的数据进行可视化显示，直观明了的观察当前环境数据变化。在此次系统设计过程中，主要考虑家兔养殖的关键环境因素，从家兔各个生长阶段进行分析，对环境数据以及喂养过程进行监控，通过数据分析，结合现代化物联网技术，从而达到智慧化养殖的目的。
2 硬件设计
系统整体分为两部分，一部分是硬件部分，集合传感器、自动化及摄像监控显示等部件；另一部分是软件部分，对传感器设置相应代码程序，要符合系统设计的需求，将对应的传感器数据上传到物联网云平台，在终端显示环境数据。系统模型如图2所示。整体功能主要为，温湿度传感器对周围环境的温度和湿度进行监测，当环境温湿度超出设定范围值，会向养殖户推送相应的警告信息，并且进行自动化操作，例如温度过高会触发风扇开关进行降温；有害气体传感器包括氨气传感器和硫化氢传感器，当兔子粪便堆积到一定程度时会产生氨气和硫化氢气体，对兔子的生长造成危害，此时会触发风扇和清粪器开关进行通风和粪便的处理；称重传感器是通过监测当前兔粮盆中兔粮的重量，当低于设定值时，会触发投喂器的开关，自动进行饲料的投喂；利用光照传感器上传的数据可以帮助养殖户分析是否对兔子进行适当的放养；监控摄像头可以帮助养殖户实时查看产箱内的情况。
2.1 主控芯片
Arduino具有开放源码的硬件平台，可以使用C语言进行环境开发，并且Arduino能够通过数字引脚和模拟引脚来读取各类传感器的信号，也能通过其来对其他设备进行操控。在众多Arduino中选择了UNO，是因为它采用了ATMega8U2单片机替代了原有的USB转串口芯片FT232RL，使得下载速度更快更稳定，并且具有14个数字双向IO和6个模拟引脚。而且UNO所使用的芯片功耗低，性能强，可以在单个时钟周期内执行功能强大的指令[5]。表1为主控芯片与传感器的引脚接线表。
2.2 传感器硬件参数
针对此次系统设计，选择温湿度传感器不仅尺寸要小，而且性能相对稳定，测量误差不会太大，经过对比，最终选择了DHT11温湿度传感器。它体积灵巧、能耗低、电压低、稳定性较强，性能可靠并且相对稳定。它的温度测量范围在-20～60 ℃之间，误差±2 ℃；湿度测量范围在5%RH至95%RH之间，误差±5%RH[6]。
MQ136气体传感器能够有效地检测出当前空气中的硫化氢气体，能够检测1×10-6到200×10-6的浓度，对其他含硫气体的检测也很理想，适用于广泛的应用领域，并且该传感器使用功耗低、寿命长、费用低以及控制电路简单的优点。
MQ137气体传感器能够有效地检测出当前空气中的氨气气体，能够检测5×10-6到500×10-6的氨气浓度，它也非常适合监测其他有机胺。同时该传感器对其他含硫气体的检测也很理想，是一种非常实用的经济型传感器[7]。
家兔产箱由于体积大小，所以要选用使用年限长，成本低，精度较高的光照传感器，经过筛选对比，最终选择了GY-30光照传感器。它采用的是BH1750FVI芯片，对光照亮度能够精度确定，它的检测范围从1勒克斯至655 351勒克斯，满足系统设计的需求。
针对兔粮盆的大小，经过筛选，最终选择了基于HX711芯片的称重传感器。HX711能够将AD信号转换成重量数据，将电压调节器、片上时钟振荡器等集合起来，具有集成度高、响应时间快、抗干扰能力强以及测量精度高等优点。降低了称重传感器的综合成本，提高了整机的性能和可靠性。
2.3 通信传输硬件
当前常见的物联网无线传输方式有Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、NFC等，信号范围通常都为短距离，现在大多数中小型农户兔舍都会装有无线局域网，考虑到实用性，本项目选择了通过Wi-Fi进行数据的无线传输，最终使用了ESP8266-01S作为本次系统设计的Wi-Fi通信模块，该模块具有即插即用，不用焊接，功耗低的优点[8]。
2.4 产箱监控硬件
监控模块为了能和主控芯片适配，选择了可以与Arduino连接的摄像头OV7620。OV7620模块是Arduino中常用的摄像模块，通过使用indrekluuk库文件，在Arduino IDE中编写的一个连接程序，然后由模块OV7620获取图像，再进行图像处理，最后将图像传输到单片机。模块也支持如曝光控制、放大、白平衡等基础操作。支持各种图像编码选项（YUV，各种类型的RGB），数据传输使用SCCB协议进行。
2.5 自动化设计
为了可以提供合适的环境，添加了风扇、灯泡以及舵机等设备，当产兔箱周围环境指标超过一定范围内，可通过一些自动化设计来方便养殖人员的管理。根据产兔箱大小，选择适当的风机对产箱进行通风，通过继电器控制，编写代码进行自动化操控。并在产箱上方安装灯泡，通过远程控制可以在夜晚对产箱内情况进行查看。系统中的投喂装置利用L298N电机驱动模块和舵机对饲料孔进行开关控制，自动清粪装置由L298N电机驱动模块控制，当达到一定时间将会自动把托粪板上的兔子粪便利用舵机挡板进行扫除。
3 家兔产箱养殖系统软件设计
3.1 硬件部分程序设计
DHT11温湿度模块使用的是单总线双向串行通信协议，首先在使用DHT11模块之前，需要对其进行初始化，其次将DATA引脚接入单片机，接上VCC和GND通电即可对温湿度进行测量，最后通过单片机把数字信号转换为温湿度数据。程序流程图如图3所示。
HX711重力传感器模块的上下表面有一个应变片，每个应变计中有两个压力电阻。这使得总共有4个压力电阻器，构成一个完整的电桥电路。称重传感器通过检测压力变化，输出压电信号，经电压放大、低通滤波调节电路放大、解耦后，送入采集模块，由单片机控制数据的采集和显示。HX711程序流程图如图4所示。
摄像头模块OV7620通过I2C总线进行设置，当帧写入FIFO时，微控制器根据定时要求在FIFO脚上产生相应的脉冲，图像数据可以从FIFO读出，并以一定的格式存储在存储器中进行进一步处理。OV7620程序流程图如图5所示。
氨气传感器和硫化氢传感器，连接单片机之前，不能直接反映出当前空气的ppm值，因为传感器电压和气体浓度有一个转换关系，所以在测量前，先对传感器进行24小时预热，预热之后经过气体校准测出负载电阻RL的值，然后根据说明书里的R0值，根据公式：
Rs = （Vc / VRL - 1）×RL （1）
再通过对应的气体浓度转换函数：
ppm = 613.9f×pow （Rs / R0，-2.074f ） （2）
进行计算得出当前气体的浓度值，其中ppm为可燃气体的浓度；VRL为电压输出值；Rs为器件在不同气体，不同浓度下的电阻值；R0为器件在洁净空气中的电阻值；RL为负载电阻阻值。
GY-30是基于BH1750F的光照传感器，它通过I2C总线协议与主控芯片进行通信，将BH1750寄存器中的光照数据利用时钟线和数据线进行输出。其步骤为：首先经过电信号传送，接着传输测量指令，待测量完成后将数据存储并得出相应的结果。
3.2 接入物联网云平台的设计
现在国内的物联网云平台有中国移动OneNET物联网云平台、阿里云平台、华为物联网云平台等，本次系统设计选择了中国移动OneNET云平台，OneNET云平台在网络连接通道方面非常具有优势，能够更好地为智能网络服务作支撑[9]。
本系统设计就是在OneNET云平台上搭建产品设备，將本地家兔产箱的环境数据与云端连接起来。搭建步骤如下：首先在云平台上注册账号，进行实名认证，可以创建多个产品，方便以后的调试，然后进入控制台，选择接入物联网设备的方式，我们此次系统选择了泛协议接入，然后进行产品的创建，添加设备，然后再在设备中配置相应的数据流和触发器，最后再应用中设计远程环境监测数据的界面。
3.3 无线通信模块与OneNET连接设计
首先将ESP8266-01S模块与Arduino连接，连接完成之后对ESP8266-01S模块进行测试，根据其说明文档，使用AT命令测试模块是否正常工作，再对模块的工作模式进行配置，模块共有三种工作模式：客户端模式、接入点模式和两种模式共存，在此我们选择客户端模式（即Station模式），指令返回OK后输入A+CWJAP=
设备完成连接鉴权之后，获取传感器数据的值，按照协议文档中的固定格式打包，再与服务器进行通信传输数据，将数据发布到系统的Topic上，最后再将采集到的数据在用户建立的产品设备数据流中显示。
3.4 远程终端界面的设计
当采集到的数据上传至物联网云平台时，可以创建相应的应用，对于不同的传感器数据选择不同的表现形式，如仪表盘和折线图，相对于温湿度和光照强度来说，使用仪表盘会让数据看起来更为直观，相对于兔粮数据，则使用折线图则会能清楚显示兔粮在一定时间内的变化，从而得出家兔的饲料用量，当兔粮低于一定值时，则会触发自动加粮功能。对于氨气传感器数据和硫化氢传感器数据，使用折线图也会更能清楚得到养殖户想要的信息。
首先登录OneNET云平台，进入控制台，打开数据可视化View，其次，新建可视化项目“智能家兔产箱”，接着在项目内创建电脑端页面和移动端页面，最后，设定相应的取值范围和警报阈值。因为OneNET的应用编辑经过改版升级为View数据可视化设计，所以在接入设备数据的方式也有所变化，需要先设定数据源以及数据模型。设定数据模型的关键步骤是填写正确的产品ID和鉴权信息，把相应的设备以及数据流进行匹配。这样显示出来的才会是对应传感器设备的值。
设定完数据源模板即可快捷方便的新增数据源，数据源按照温湿度、气体浓度、光照强度和兔粮重量进行设置，最后在图表上选择对应的数据源，设定数据源的时候，需要对设备上传的数据进行过滤，否则容易造成数据丢失。在数据界面新建私有过滤器，在过滤器中编写对应的代码对重量传感器的数据进行迭代处理。图6是电脑终端界面的设计，图7为移动端页面的设计。
图6 View可视化设计—电脑端
图7 View可视化设计—移动端
4 系统测试
通过对基于Arduino的智能家兔产箱系统的整体测试，通过传感器可以将家兔产箱环境数据通过通信模块上传至物联网云平台，产箱内的温湿度、光照强度、氨气气体含量、硫化氢气体含量以及兔粮重量等数据都可以在远程监控界面上显示。当检测到环境数据超过设定的数值时，可以迅速地收到警告信息。自动化设备如风机也可以在某一环境数值超过指定范围时进行启动，简易的进行通风的工作。同样可以通过云平台控制台对历史数据进行查看，通过对数据进行分析，来制定合适的养殖计划。通过对基于Arduino的智能家兔产箱系统的整体测试结果为：所有模块可正常工作，可以满足系统设计的需求。
5 结 论
此次基于Arduino的智能家兔产箱系统的设计具有成本低廉，结构简单，易于操作等特点，可以将家兔产箱内的环境传感器数据进行收集，通过通信模块上传至物联网云平台服务器，在网页端的监控界面可以清晰明了地的对当前环境数据进行显示，当环境数据超过既定阈值时，可以触发警报和自动化设备的启动，进行相应的通风换气以及自动化照明。
参考文献：
[1] 陈岩锋，谢喜平，孙世坤，等.浅析家兔环境与健康养殖 [J].中国畜禽种业，2018，14（8）：91-92.
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[3] 吉林农业大学.基于物联网的家兔标准化养殖智能监控系统：CN201520521085.5 8 [P].2015-07-18.
[4] 武拉平，頡国忠，秦应和，等.“十三五”以来中国兔产业发展报告（二）（2016年—2019年） [J].中国养兔杂志，2021（1）：20-26.
[5] 张浩华，赵小姝，于欣禾，等.基于Arduino的温棚养殖环境监控系统 [J].沈阳师范大学学报：自然科学版，2016，34（4）：454-458.
[6] 王小祥.基于ESP 8266的DHT11温湿度检测 [J].数字技术与应用，2019，37（8）：34-35.
[7] 李瑞.现代养殖场智能监控系统研究与设计 [D].成都：西南石油大学，2015.
[8] 王鹏.基于无线传感网络的生态数据监测系统的研究 [D].贵阳：贵州师范大学，2018.
[9] 王红玉.OneNET云平台下基于Wi-Fi的智能家居监控系统的设计与实现 [D].呼和浩特：内蒙古大学，2021.
[10] 柯春艳，安思.基于Arduino的物联网应用实验设计 [J].福建电脑，2018，34（7）：30-31.
作者简介：杨梦迪（1998—），男，汉族，河南许昌人，本科在读，研究方向：物联网工程。
收稿日期：2023-02-18
基金项目：2021年度河南省高等教育教学改革研究与实践项目（2021SJGLX393）
