基于物联网的生猪养殖系统的设计与实现

赵玉ZHAO Yu；徐鹏XU Peng；王立娟WANG Li-juan

（大连科技学院信息科学与技术学院，大连 116052）

0 引言

目前，我国对猪肉产品需求量较大，生猪养殖规模逐步扩大，且大多以传统人工巡检方式对生猪的日常行为和环境进行监测与诊断[1]，使得管理效率极低，也会由于饲养员经验的不同，忽视生猪的异常行为，造成生猪发病率和死亡率较高、猪群饲料严重浪费、养猪场环境恶劣、人畜疾病交叉感染，给整个养殖户带来严重经济损失。

近年来，随着物联网、大数据、云计算等现代信息技术的迅速发展，为牲畜养殖业提供了新的发展方向[1]。现代畜牧业养殖是养殖技术、信息技术的有机结合，实现了传统畜牧业与物联网技术的深度融合，并在数据分析的基础上进行科学喂养，以实现精准化、自动化与智能化。

综上，本文设计实现了基于物联网的生猪养殖系统。该系统将物联网技术与生猪养殖行业结合起来，实现对生猪的高效、健康喂养，并降低猪场的环境污染。主要实现生猪养殖过程的精细化、个性化和智能化；猪场环境恶劣问题的监测与调节；生猪身份溯源，建立健康档案，定制生活习惯。

1 智慧生猪养殖系统的概述

生猪养殖系统以多种感知技术为核心，使用识别器检测猪只电子标签信息，从多角度对异常环境和猪只日常行为进行详细感知和分析[2]，依托无线通信网络，将异常行为和猪只信息上传至云平台，结合大数据、养殖专家和饲养员经验对其进行综合诊断，及时掌握生猪的状态变化，实现对生猪的科学喂养、习惯分析、智能控制等[3]。

系统主要由感知层、网络层和应用层组成，其系统架构如图1 所示。

图1 系统架构图

2 系统硬件设计

基于物联网技术的生猪养殖系统采用STM32 单片机，STM32 是一款32 位基于ARM 核心内置64KB 闪存的微控制器，引脚总数为48 个，工作温度为-40～85℃，电压范围为2.0～3.6V，最大输出电流可达300mA。

本设计使用的传感器、通信模块、控制器、执行设备主要是：温湿度传感器（DHT11）、压力传感器（HX711）、声音传感器（LM386）、Wi-Fi 模块（ESP8266）、STM32 微控制器、继电器、舵机（SG90）、风扇等[4]。硬件电路结构如图2所示。

图2 硬件电路结构图

2.1 生猪养殖系统环境监测

在生猪养殖过程中，喂养和环境是其生长最重要的影响因素，因此选用温湿度传感器、压力传感器和声音传感器用于对生猪养殖情况进行实时信息获取。

①温湿度检测模块：传感器型号为DHT11，供电电压为3～5.5V，DHT11 既能检测温度又能检测湿度，其温度测量范围为0～50℃，误差在±2℃；湿度的测量范围为20%～90%RH，误差在±5%RH。该芯片具有较高的可靠性与长期稳定性。②压力检测模块：传感器型号为HX711，是一款专为高精度称重传感器而设计的24 位A/D 转换器芯片，该芯片具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。③声音检测模块：LM386 是一种音频集成功率放大器，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点。

2.2 生猪养殖系统无线通信模块

本系统使用ESP8266 无线网络进行数据传输，其采用IEEE802.11 无线通信标准，共有8 个针脚分别是：VCC、RX、RST、IOC、EN、IO2、TX、GND。ESP8266Wi-Fi 模块采用串口与单片机通信，通过Wi-Fi 与上位机通信。利用ESP8266 模块对传统串口设备进行简单配置，即可将数据通过Wi-Fi 传输给上位机，实现物联功能[5]。

2.3 生猪养殖系统智能决策与控制模块

本系统根据生猪养殖环境设计了自动换水、自动控温、投喂以及照明功能，且在客户端能实现远程操控。

STM32 开发板提供两种供电方法，即开发板的电源引脚供电和通过USB 口供电，本系统使用USB 口供电。

系统各层次配合工作，环境感知层的温度、湿度、声音、压力传感器将采集的信息传送到单片机。利用网络层的Wi-Fi 模块向OneNET 云平台发送数据，将云平台的控制指令传送给单片机。通过信息处理应用层对收到的数据进行相应控制，并将其传输给继电器、舵机模块，对各执行部件的控制，从而实现整个控制系统的功能。生猪养殖系统总体流程如图3 所示。

图3 生猪养殖系统总体流程图

3 系统软件设计

3.1 模块程序设计

本系统使用Keil5 开发软件作为下位机的开发环境，在使用单片机前，要初始化其各个引脚，实现与云服务器平台之间的无线网络连接。

①各传感器模块程序设计。温湿度检测程序流程如图4 所示，压力检测程序流程如图5 所示，声音检测程序流程如图6 所示。

图4 温湿度检测流程图

图5 压力检测流程图

图6 声音检测流程图

②Wi-Fi 模块程序设计。ESP8266 通过串口通信，在系统通电后对指定连接到ESP8266 的串口引脚功能进行初始化，进行网络连接，连接成功后，可对指定的OneNET云平台进行连接，接收和转发数据，如图7 所示。

图7 Wi-Fi 模块流程图

3.2 OneNET 云平台

上位机软件设计主要基于OneNET 云平台解决物联网领域设备连接、协议适配、数据存储等共性问题本设计采用MQTT 协议，其具有较低开销，减少了网络流量。将能够在网页中对养殖环境进行实时监测和控制操作[6]。系统功能架构如图8 所示。

图8 系统功能架构图

4 系统测试与运行

根据系统的整体设计，对系统各功能模块进行测试，测试平台如图9 所示。测试的主要内容包括：环境温度监测、环境湿度监测、环境声音监测、记录猪只日常行为、自动放粮、自动通风、自动照明、自动换水等。相关测试上位机运行界面如图10 所示，其中图11 为环境参数的实时显示界面，主要包括实时环境为21℃、湿度47%、噪声31dB、当前余粮0.5kg。测试结果验证了系统的可行性，满足监测需求。

图9 系统测试平台

图10 客户端界面（控制模式、远程控制、猪只疾病登记）

图11 环境监测数据实时显示

5 总结

本设计是基于物联网技术的生猪养殖系统，从硬件和软件两部分进行设计，实现了对生猪养殖过程中环境参数（温度、湿度、声音）的实时监测，根据动态数据信息分析后作出自动放粮、远程投喂、自动照明等智能决策控制，并使用RFID 对猪只日常行为进行记录，确保养殖环境的安全与稳定。