基于物联网技术的生猪标准化养殖环境监测系统研究

牛海春，赵梅莲，李妍春

（青岛黄海学院，山东 青岛 266427）

随着科技的发展，人民生活水平显著提高，消费者对肉类的需求不断增加。畜牧业占农业产业比例逐渐增加，促使生猪养殖业得到快速发展，具体表现为养殖规模的扩大和养殖数量的增加。但是大规模的生猪养殖会产生一系列安全和卫生问题，所以有必要对养殖场的环境监测系统进行深入研究。本文将传感器技术和5G 技术相结合，实时采集猪舍内的环境参数，并将传感器采集的环境数据传送到节点经过网关转换后，通过5G 网络传输到PC 端，通过PC 端可实时查看数据信息，实现对通风、照明、除尘等设备的远程操控，保障养殖环境的质量。

1 系统总体设计方案

选用STM32F103 单片机为主控芯片，传感器对温度、湿度、光照度、硫化氢浓度、一氧化碳浓度、氨气浓度、烟雾浓度等进行实时监测，并上传至云平台，通过PC 端实时查看各项数据；若超过规定阈值则报警，报警信息同步上传到云平台，通过移动终端可随时查看数据曲线图及报警记录，用户根据实际监测情况对设备进行远程控制。总体设计框，见图1。

图1 总体设计框图Fig.1 Overall design block diagram

2 系统硬件设计

传感器采集生猪养殖场的温度、湿度、光照度、硫化氢、一氧化碳、氨气等环境信息，并将采集的信息通过5G 网络传送至PC 端。PC 端可根据需要打开视频监控，并且发送指令控制通风换气、照明、除尘等终端设备动作，完成远程控制。

2.1 温、湿度检测模块

温湿度检测选用DHT11传感器，该传感器能够实时检测环境温度及湿度，可自行进行数据信号的校准检查工作，依靠自身的高性能数字处理技术，可以实现温度和湿度的测量，该传感器通过与单片机简单地连接，即可完成数据通信工作。DHT11 传感器体积小，能量消耗低，数据测量花费时间短，不易受到外界的干扰。

2.2 光照度检测模块

光敏电阻具有反应速度快、灵敏度高等诸多优点，基本的封装工艺采用环氧树脂材料。该传感器依据内光电效应，一旦存在较强的入射光，将导致电路的电阻值降低，反之将会提高电阻值。

2.3 硫化氢检测模块

ME4-H2S传感器输出的电流信号通常较小，需要通过信号处理来对其进行放大，该过程需要实现信号的过滤，防止造成干扰。经过放大电路处理后，得到0～5 V的标准信号。

2.4 一氧化碳检测模块

MQ-7 传感器采用半导体技术，运用了高性能的气敏材料，该材料具有较低的电导率。根据这一项特征，运用高低温循环探测法，具体表现为：在温度较低时，材料的电导率和空气中的一氧化碳浓度呈现正相关关系；在温度较高时，可以实现自我清洁功能，去除低温时的残留气体。这一款传感器灵敏度高，同时耐用，可应用于多种场合。

2.5 氨气检测模块

ME4-NH3 传感器是以功耗低、灵敏度高、稳定性强、抗干扰能力强等为特点的氨气传感器，这一款传感器是基于化学原理设计制造的。基于氨气的氧化还原反应机理，在反应时，传感器会释放出微弱的电流信号，所以需要使用放大器芯片放大信号，本次设计选择OPA333 运放。该电流的大小和氨气浓度呈现正相关关系，所以通过测量电流的大小间接得知氨气浓度。

2.6 烟雾检测模块

MQ-2 传感器的灵敏度极高，可以被有毒气体或者可燃气体轻松触发，输出对应信号。该传感器耐用且性能可靠，可以实现高速的数据读取工作。

2.7 5G通信模块

宏电5G DTU 基于高性能硬件平台开发，支持5G SA/NSA 组网，向下兼容4G/3G 网络制式，组网更加便捷；接口方面其满足千兆网口、串口、无线GPS（预留）等接口需求。产品设计方面采用全新工业级设计，体积更小，质量更轻，适装性，更好宏电5G DTU 可面向传统及新兴的各大行业小型化、嵌入式5G 应用场景。

2.8 电源模块

本系统采用220 V 电源供电，主控模块和各分支模块所需供电电压为3.3 V。采用AC-DC 整流电路将220 V 交流电转换为12 V 直流电，采用LM2596 芯片设计了一个5 V 稳压电源，在稳压电路上加上电感L1，起到储存电流的作用，提高电源的电流输出能力。采用AMS1117电源转换芯片，来实现5 V 转3.3 V 的电源变换。电解电容C 主要起到储能作用，防止电流瞬间增大而电源供电响应慢导致输出电流不稳。

2.9 继电器控制模块

通过12 V 直流电机来驱动生猪养殖场内部的通风设备和送食设备，使用两路光耦隔离继电器模块，支持高、低电平触发。此外光电耦合器将控制电路同外部高压电路隔离；续流二极管主要在电压超标等状况下实现续流作用，保证了电路的有效运行；三极管则是用来驱动继电器开关和闭合。

3 系统软件设计

主控制器选用STM32 系列，采用以C 语言为主的Keil 软件，实现传感器采集、LCD显示、报警、5G通信、远程控制。单片机开始通电后，系统会对各部分进行初始化，传感器便开始数据采集，将采集的数据信息传送至单片机控制中心进行处理，处理后的数据信息会发送到LCD 显示屏，同时经过5G模块上传至云平台，实现实时远程监控。总流程见图2。

图2 程序总流程图Fig.2 General flow chart of procedure

3.1 传感器采集

传感器数据采集部分，系统通电后，会执行初始化，然后传感器开始采集环境数据，一旦提取了完整数据，将对其进行保存，而对于不完整的数据，需要再次提取，传感器采集子程序见图3。文中温湿度传感器输出为数字信号，其他传感器输出为模拟信号，需要进行信号转换。

图3 传感器采集子程序Fig.3 Sensor acquisition subroutine

3.2 远程控制

系统的远程控制功能是通过用户交互界面的控制按钮来实现的，控制设备在查询到单片机给予的操控指令后，会给控制模块一个脉冲信号。当猪舍内部温度过高或湿度过大时，系统可以根据控制要求，通过PC 机远程控制通风系统的电机风扇进行通风。控制器利用继电器将电磁阀导通，实现对生猪所生长的环境进行通风换气，当环境参数达到要求，驱动继电器将电磁阀关闭。在白天光照充足时，终端节点进入休眠，接收到处理器的脉冲信号后会再次进入工作模式，成功关闭电磁阀之后重新进入休眠。5G通信串口通过IP协议接收来自PC 端的操作指令，单片机接收数据并进行分析，将分析后的数据发送到终端来控制相应设备。

4 系统测试

用户需要登录养殖环境监测系统，可以看到各种功能模块，能够实现设置环境参数、实时监测环境数据、控制相应设备等功能。可以通过查看各项数据的曲线图，直观地看到数据的变化情况。数据曲线，见图4。

图4 数据曲线图Fig.4 Data curve

5 结论

生猪养殖环境对生猪的生长发育产生关键的影响。因此，需要实时监测养殖环境的各种因素，必要时采取有效干预，保证生猪生长环境处于最佳状态。通过对生猪健康影响因素的分析，将监测目标确定为环境温度、湿度、光照度等若干参数，然选择合适的传感器进行检测，最终选择了STM32F103 单片机和相应的控制模块，通过5G 网络将监测到的数据反馈给用户，若环境参数出现异常可及时做出调整。如将其规模化应用于养殖场，可产生巨大的经济效益。