基于STM32的畜牧业全方位消毒和监测系统设计

王高乐 刘佳 韩祥森 张培航 赵梦雪

摘  要：针对基层畜牧业养殖过程中的养殖环境消杀及环境变量监测问题，设计了一种环境消杀及环境检测系统，该系统设计了环境消杀管道，该管道易铺设，易拆解，能够实现养殖环境的全方位消杀工作，此系统的环境检测部分包含多个环境检测模块，如温湿度传感器、光照传感器、有害气体传感器、二氧化碳传感器等，同时包含多种功能模块，如排气风扇、室内灯光、遮阳帘开关。同时该系统利用串口通信技术，通过Wi-Fi模块与手机进行连接，将环境参数发送到手机APP，以及手机APP对消杀系统进行开关，以及对环境阈值进行设定。实验表明该系统设计的全方位消毒系统极大地节省了人力。

关键词：环境消杀；环境检测；Wi-Fi；串口通信；单片机

中图分类号：TP368     文献标识码：A   文章编号：2096-4706（2023）14-0172-05

Design of Comprehensive Disinfection and Monitoring System for Animal Husbandry Based on STM32

WANG Gaole， LIU Jia， HAN Xiangsen， ZHANG Peihang， ZHAO Mengxue

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou  253034， China）

Abstract： In view of the breeding environmental elimination and environmental variable monitoring problems in the breeding process of basic animal husbandry， this paper designs an environmental elimination and environmental detection system. The system designs an environmental elimination pipeline， which is easy to lay and disassemble， and can realize the all-round work of the breeding environment. The environmental detection part of this system includes several environmental detection modules， such as temperature and humidity sensor， light sensor， harmful gas sensor， carbon dioxide sensor and so on. At the same time， it contains a variety of actuators， such as exhaust fan， indoor lighting， shading curtain switch. At the same time， the system uses communication technology， connects with the mobile phone through the Wi-Fi module， sends the environmental parameters to the mobile APP， and the mobile APP switches the elimination system， and sets the environmental threshold. The experiment shows that the comprehensive disinfection system designed by this system greatly saves manpower.

Keywords： environmental elimination; environmental testing; Wi-Fi; serial communication; Single-Chip Microcomputer

0  引  言

隨着科技化的不断推进，科技化带来的各种技术以及衍生的各类产品，正不断向各个领域渗透，科技化农业、科技化畜牧业等新名词逐渐映入眼前，各类大型养殖企业，已经将科技化设备引进厂房，大大提升了养殖效率以及输出的产能，同时还节省了人力物力，管理效果成倍提高，但是对于基层小型养殖者来说，现存的养殖场环境监测设备和全方位消毒设备成本高，而且其对养殖厂房搭建的结构和材质都有不同的要求，这样在规模、成本、建筑结构上都不能满足基层养殖者对养殖环境检测以及消杀的要求。同时对于基层养殖者来讲，依靠人力来监控畜牧养殖环境，不但费时费力，并且还监控不准确，如深夜温度骤降、人员外出等情况下无法对环境做到及时检测。同时对于普通基层养殖者来说，对于养殖环境的消杀工作一般都是由人工使用背负式农用喷雾器来进行消杀，消杀面积有限，喷洒不全面，人员劳动量大，无法有效阻断外界病菌。因此基于我校山东省大学生创新创业训练项目提出基于STM32的畜牧业全方位消毒和监测系统设计，旨在解决基层畜牧业养殖过程中的环境消杀问题和环境检测问题，为畜牧业的发展贡献自己的一份力量。

1  系统总体设计方案

该系统设计分为两个部分。第一是环境消杀部分，该部分利用PVC材质软管，与微插头作为消毒管道铺设在养殖环境周围，具体长度及位置可随意更改，更加便捷，对建筑物结构无要求；通过48 V水泵，泵送消毒液，水泵电源接至继电器从而控制电源通断，同时继电器出发端接至单片机中；为解决消毒液体腐蚀管道以及喷头和寒冷天气管道内存有液体冻坏管道的问题，将水泵进端管道设计为二分支，分别放入清水和药液中，并接入电磁阀控制管道开关，设置水泵倒吸功能使管道内不剩余液体。第二是环境监测部分，包含温湿度传感器、光照传感器、有害气体传感器、二氧化碳传感器、气压传感器，同时包含多种功能模块，如排气风扇、室内灯光、遮阳帘开关，通过设置环境阈值，使对应的功能模块进行运作，并实时将系统的数据通过Wi-Fi传送到手机APP。此外，因为本系统的设计需要满足：主频高，运算速度快，具备多个定时器用来实现逻辑功能，并且具备多个ADC电压采集，至少包含两个串口，而STM32能够满足以上需求，并且价格适当，故选用它为中控芯片。系统整体框图如图1所示。

该系统上电启动后，首先进行Wi-Fi联网初始化，其他各类模块进行初始化，保证系统正常运行，当某个模块初始化错误，将自行重新进行初始化操作，连续三次以上初始化错误，蜂鸣器发出警报，不再进行任何操作，给手机APP返回错误指令。初始化成功后，可以通过手机APP页面给该系统发送指令，使水泵进行喷洒药液的操作，环境参数会实时发送到手机，同时会在显示屏上显示出来，显示屏采用的是10.1英寸的电容触摸屏，显示更加清晰。初始化成功后该系统环境阈值会设置为默认状态，阈值状态可以通过手机APP进行修改，也可通过该系统设计按键进行修改。环境参数阈值作为功能模块比如灯光等自动开启或者关闭的标志。

2  理论分析与计算

2.1  消毒管道防腐蚀与防冻设计

经过我们调研得知，对环境消杀的药液呈酸性或碱性，酸性消毒液以次氯酸为主，碱性消毒液以氢氧化钠也就是人们常说的火碱为主。我们使用的管道是PVC材料，这种材料便宜，轻便，柔软性好，符合本设计要求，但长时间处在强酸和强碱环境下非常容易被腐蚀。面对管道腐蚀，更严重的问题是喷头腐蚀和水泵腐蚀，喷头采用铜制或铁质喷头，金属和强酸、强碱极易发生化学反应，会导老化和堵塞，达不到系统要求，经过我们实验分析得知，喷洒药液的时间是一定的，当喷洒完药液后管道内会剩余大量液体无法排出，导致对管道和喷头水泵严重腐蚀，因此我们通过一些设计来减弱药液对管道的腐蚀。如图2所示，A箱为药箱，B箱为清水箱，1、2为电磁阀，当开始喷洒药液时，单片机控制电磁阀1打开，电磁阀2关闭当喷洒完毕后，电磁阀1关闭，电磁阀2开启，继续喷洒30 s，这样管道内残余的药液会被清水冲洗掉，避免消毒药液的腐蚀。针对管道内的清水在寒冷天气容易结冰导致管道破裂以及喷头结冰无法喷洒的问题，我们设计当清洗完管道后，通过继电器控制电源正负极交换实现水泵倒转，吸走管道内残余液体，防止寒冷天气管道内结冰，冻坏管道。

2.2  管道喷洒压力调节设计

本系统设计的环境消毒装置以使用简便快捷、不受限于建筑物结构外形为优点，因此对于不同的养殖环境所需要的铺设的管道长度以及喷头数量都会有所改变，这就导致如果水泵输出功率不变，当管道过长喷头数量过多时喷头喷洒药液的压力就会变弱，当管道过短喷头数量少时，就会导致喷洒压力过大，这样都会导致喷洒效果达不到预期。因此采用PWM技术，配合驱动板，来控制水泵水压，使用单片机产生PWM波，同时通过按键控制PWM波的占空比，实现可以手动调节喷洒速率。

2.3  环境监测系统设计

环境变量参数检测，主要依靠环境传感器进行检测，针对基层养殖环境，我们选取了主要影响养殖条件的环境变量，有温度、湿度、光照、压强、有害气体、二氧化碳。为此针对环境参数结合模块成本，温湿度采用DHT11模块，光照模块采用GY302，有害气体采用MQ-2模块，二氧化碳模块采用MQ-135模块，大气压强模块采用BMP280。通过多个环境传感器模块对环境变量进行了采集，通过程序设定，当规定环境变量超过阈值，自动打开或关闭功能模块，如灯光、排风扇等。并且环境参数会通过串口发送到10.1英寸串口屏上，同时通过Wi-Fi模块远程发送到手机APP，供用户观看。

2.4  基于Wi-Fi的远程数据传输技术

本系统采用ESP8266作为无线模块连接手机APP，将环境数据以数据包的形式无线发送到手机APP，并且可以接收手机APP下发的指令，使该系统进行操作。Wi-Fi无线通信技术是物联网技术的重要组成部分，本系统采用的ESP8266-01S是一款超低功耗的透傳模块，可以进行互联网或局域网通信，实现联网功能，可以实现远距离无线通信，因而实现APP对本系统功能的远程控制以及接收数据。

3  硬件电路与软件设计

3.1  硬件电路设计

本系统控制芯片采用STM32F103C8T6单片机，该单片机具有2个12位ADC，并且有多达16个通道，满足以电压采集为需求的传感器，本系统中就有二氧化碳传感器和有害气体传感器；此单片机还具备4个定时器和两个串口，能满座逻辑顺序编写，以及使用Wi-Fi模块串口模式和使用串口屏幕。在控制继电器开关方面，采用单片机驱动三极管，三极管触发继电器的方式。具体电路图如图3所示。

3.2  系统软件设计

该系统软件设计方面分为三部分，第一是单片机程序编写，包括对环境数据的采集系统的运行等；第二部分是串口发送接收数据部分，包括Wi-Fi模块的连接，以及发送数据包接收数据包；第三是显示屏UGI页面设计和手机APP设计。系统软件工作流程如图4所示。

环境数据采集关键代码为：

void Get_Data（u16 count）//获取传感器数据

{

static float bmp280_press，bmp280;//气压

DHT11_Read_Data（&DHT11_Temp，&DHT11_Hum）;

Conversion（）;/// bh1750 光照模块数据采集

bmp280GetData（&bmp280_press，&bmp280，&bmp

280）;

Pre = bmp280_press;

gz_value   = lux/40;  //灯光;

m2_value   = get_Adc_Value（0x07）/15;

tuHumi=（（100-（float）get_Adc_Value（0x06）/40.96）

-30）*3;

m135_value = get_Adc_Value（0x05）/6;

}

数据发送手机APP关键代码为

void userHandle（void）   //数据上传

{

currentDataPoint.valuetemp = DHT11_Temp;//Add Sensor Data Collection

currentDataPoint.valuehumi = DHT11_Hum;//Add Sensor Data Collection

currentDataPoint.valueLight = gz_value;//Add Sensor Data Collection

currentDataPoint.valuetuhumi = tuHumi;//Add Sensor Data Collection

currentDataPoint.valueMQ135 = m135_value;//Add Sensor Data Collection

currentDataPoint.valueMQ2 = m2_value;//Add Sensor Data Collection

currentDataPoint.valuePre = Pre;//Add Sensor Data Collection

}

4  实验测试与分析

本系统最终呈现形式为手机APP页面，如图5（a）所示，手机APP可以显示环境数据，以及可以进行阈值调节；图5（b）为系统实物，该系统实现药液喷洒、环境检测以及上文所述功能；图5（c）为显示屏幕UGI页面，能够实现实时观看环境数据。

在对该系统进行测试时，首先选取环境消杀功能进行测试，测试PWM调节水泵喷洒功率，以及开关电磁阀更换喷洒药液变为清水是否正常，到达规定时间后是否水泵改变出水方向变为倒吸排出导管剩余液体功能是否正常，以及设定喷洒时间与实际喷洒时间是否相符。

喷洒时间测试，分别设定30、60、90、120、150 s，每个时间测试3次，并记录实际时间，如表1所示。

消杀模块功能是否正常测试，分别对PWM调节、电磁阀切换、药液回流进行测试，测试分为五组，每组对上述三项进行测试。如表2所示。

从实验所得结果得知，喷洒时间误差在0.5 s以内，消杀模块功能全部正常。

除以上测试之外，还对其他环境传感器进行了测试，包括采集的参数准确性和功能的稳定性，通过测试都能达到很好的效果，满足本系统的需求。对于Wi-Fi模块发送数据到手机APP，经过多次测试得出数据发送迅速准确，抗干扰能力好，能够满足系统需要。

5   结  论

本系统对基层畜牧业养殖过程中遇到的环境消杀问题和环境检测问题进行了研究，针对以上问题研发了基于STM32的畜牧业全方位消毒和监测系统，该系统通过对管道的铺设加以单片机程序的控制，实现了对喷洒功率的調节，以及防管道腐蚀、防冻等功能，并且通过实验测试得知实际效果良好；环境检测方面，针对多个环境变量，采用多个环境变量传感器进行采集，并通过Wi-Fi模块发送到手机APP，以及通过串口发送到10.1英寸显示屏幕，进行实时观看，并可通过手机APP进行远程调控环境阈值，当环境实际参数变量超出阈值范围，功能模块进行调节，实现自动控制。通过实验测试得知，本系统切表现效果良好，并切实帮助到了基层使用者。

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作者简介：王高乐（2002—），男，汉族，山东聊城人，本科在读，研究方向：电子信息工程；刘佳（2002—），女，汉族，辽宁朝阳人，本科在读，研究方向：物联网工程；韩祥森（1994—），男，汉族，山东淄博人，讲师，本科，研究方向：电子与通信技术、智能控制；张培航（2001—），男，汉族，山东菏泽人，本科在读，研究方向：机械电子工程；赵梦雪（2003—），女，汉族，山东临沂人，本科在读，研究方向：电子信息工程。