基于STM32的仔猪智能恒温保育箱的设计

宗振海，王雅萍，陈智慧

（南京农业大学工学院，江苏南京 210031）

基于STM32的仔猪智能恒温保育箱的设计

宗振海，王雅萍，陈智慧

（南京农业大学工学院，江苏南京 210031）

通过对仔猪保育期内温度数据的分析，采用理论分析和试验研究相结合的方法，设计出一套恒温保育箱控制系统。系统以STM32为主控芯片，根据温度传感器采集的信息，通过神经网络算法驱动执行机构工作，实现温度恒温控制，同时可在上位机实时动态显示温度变化曲线，便于对温度的监控和分析。

恒温控制；神经网络；STM32；仔猪

早在19世纪，人们就提出了动物福利的概念。国外一直都比较重视在动物福利方面的资金技术投入和相关立法［1］。美国的养猪场绝大部分采用集约化管理，猪舍的小环境如温度，相对湿度，气体含量等由计算机进行自动控制，大大地改善了猪舍的环境，促进了猪的生长［2］。

我国是一个生猪养殖大国。有关资料表明，全国一年出栏生猪在5亿头左右，占全世界的1／2。但因为疫病等原因死亡率却高达15%左右［3］。温度不适宜是导致仔猪死亡的直接或间接原因，给我国的生猪养殖业带来了巨大的损失。当前，国内普遍使用仔猪保温箱加热系统来为哺乳期仔猪营造适宜的小气候，保证其成活率，然而大多数猪场的仔猪保温箱加热系统尚未实现温度调控或者调控程度很低，温度可控性差，加热能耗高，不能够完全满足仔猪生理需求［4-8］。

本项目以监控温度作为研究出发点，采用单片机实现自动实时检测与控制，克服人工方法进行温度的控制，提高温度控制的速度和精度。将目前应用广泛的传感器、单片机以及计算机等技术应用到生猪养殖行业，设计研制仔猪智能恒温保温箱，以加快科技农业的发展。

1 总体设计

系统分为上位机和下位机2部分（图1）。下位机以STM32处理器为核心，连接3组温度传感器以提高测量精度，显示屏用来显示采集的温度、期望温度和当前时间，当温差较大时可发出报警信号，通过神经网络算法，驱动继电器控制加热板和风扇，实现温度恒温控制。下位机与上位机之间通过无线传输连接，上位机软件能够设置期望温度，实时动态显示温度变化曲线。

图1 仔猪智能恒温保温箱总体设计的结构

2 硬件设计

2.1 微处理器

采用ARM公司的高性能Cortex⁃M3内核的STM32控制器。STM32系列是专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的。STM32F103增强型系列时钟频率达到72 MHz，是同类产品中性能最好的产品。

2.2 传感器模块

恒温箱内部温度检测，采用的是美国Dallas半导体公司生产的数字化温度传感器DS18B20，现场温度直接以一线总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。测量温度范围为-55～125℃，在-10～85℃范围内，精度为±0.5℃。产品适用的电压为3～5.5 V，完全能满足箱体内温度监测的需要［9］。

2.3 继电器模块

作为控制芯片控制执行机构动作的中间环节，共设计了3个继电器模块，分别用来驱动功率大、电压高的风扇和加热板，电路图如图2所示。

图2 仔猪智能恒温保温箱继电器模块的电路

图3 仔猪智能恒温保温箱上位机软件的界面

3 软件设计

3.1 神经网络算法

恒温箱控制系统采用PID算法进行恒温控制，通过对温度偏差的比例、积分、微分的加权进行恒温控制。但是传统的PID算法在此系统中有着很大的缺陷，系统温度的迟滞特别大，若是通过经验法手工调节出理想的参数，将耗费大量的时间。另外，本系统使用加热板升温，风扇降温，系统本身的非线性度相对较高，故而静态的PID参数很可能达不到理想的调节效果。因此，引入BP神经网络算法对传统的PID进行改进，通过BP神经网络的智能特性对系统进行实时训练，动态改变PID参数，从而使系统温度的超调量和上升时间都在一个可控的范围内，以达到理想的性能控制。

3.2 上位机

上位机软件以WPF作为用户界面，软件本身所用的编程语言为C＃语言。界面分为5个区域（图3）：串口选项，调节选项，波形选项，温度区域，波形区域。能够控制下位机，显示当前温度以及根据波形选项显示动态的温度曲线。

3.3 工作流程

系统在初始化阶段设置期望温度，初始化完毕通过温度传感器对箱内温度进行监控并采集实时信息，判断采集到的温度值与预期的差值，利用神经网络算法进行处理，控制电磁阀的工作状态，同时将采集的信息传送到上位机并动态显示温度曲线，上位机能够设定目标温度，显示实时温度。工作流程如图4。

图4 仔猪智能恒温保温箱系统的流程

4 试验验证

根据猪舍环境的特点，制作了一个模拟保育环境的试验箱，试验箱由亚克力板搭建而成，箱内侧壁安装硅胶加热板可进行加热，两端设置排气扇可进行降温，DS18B20温度传感器均匀分布在箱体内，对温度进行实时监控。

试验在2013年5月30日12时开始，初始条件箱内温度和室内温度均为28℃，设置期望温度为31℃，自动运行，通过上位机软件观察温度变化曲线，结果如图5所示，从图5中可看出在自动模式下最终温度在期望温度附近波动，误差在可接受范围之内。

图5 仔猪智能恒温保温箱温度的变化

5 小结

设计研制的仔猪智能恒温保温箱系统结构简单，功耗低，成本低，实用性强，可进行远程控制实时采集和调整，上位机可将历史数据保存，并以曲线的形式绘出实时温度的变化。系统在试验过程中运行稳定，效果良好，通过神经网络算法后系统最终的控制精度达到0.5℃，能够实现快速、稳定的恒温控制。智能化的恒温系统适合社会需求，有助于提高养殖行业的经济效益。

［1］ 季月清，吴豪杰.动物福利对我国的动物产品的出口的影响［J］.市场周刊，2005（1）：42-44.

［2］ 姜鸿，张艺影.动物福利壁垒对我国动物产品出口的影响及启示［J］.国际经贸，2010（28）：42-43.

［3］ 肖雨贤.哺乳仔猪舍温湿度环境自动控制装置的试验研究［D］.长春：吉林农业大学，2003.

［4］ 刘芳，吴中红，王美芝，等.仔猪保温箱温度调控设备应用效果研究［J］.黑龙江畜牧兽医，2009（1）：27-29.

［5］ 陶鼎来.中国农业工程［M］.北京：中国农业出版社，2002：167-177.

［6］ 白林，李学伟，乔绍权.四川规模化猪厂猪舍空气环境管理现状调查［J］.西南农业学报，2003（13）：99-104.

［7］ 白林.仔猪采暖和保温的方法［J］.黑龙江畜牧兽医，2002（2）：10-11.

［8］ Xin H，Zhou H，Bundy D S.Comparsion ofenergy use and pig let performance between conventional and energy⁃efficient heat lamps［J］.Applied Engineering in Agriculture，1997，13（1）：95-99.

［9］ 刘瑞新.单片机原理及应用工程［M］.北京：机械工程出版社，2005：228-229.

（责任编辑：张才德）

S 812.9 < class="emphasis_bold">文献标志码：B

B

0528⁃9017（2014）01⁃0128⁃03

文献著录格式：宗振海，王雅萍，陈智慧.基于STM32的仔猪智能恒温保育箱的设计［J］.浙江农业科学，2014（1）：128-130.

2013⁃11⁃15

南京农业大学校级立项（1230B14）

宗振海（1990-），主要研究方向为检测技术与自动化装置。E⁃mail：p firdfitx＠126.com。