基于物联网的兔舍养殖环境感知控制系统的设计与实现

刘斐琪 杨晶晶

摘要：针对传统家兔养殖中无法精准控制兔舍内环境变化的问题，提出了一种基于物联网技术的智能养殖系统，利用STM32F103C8T6单片机、多类型传感器、4G通讯等设计一款兔舍养殖环境感知控制系统。该系统由信息采集、自动控制、无线通信、用户访问终端四部分组成，通过4G通讯方式实时监测兔舍环境中的温度、湿度、光照、粉尘、二氧化碳浓度和氨气浓度等参数，并设置相关参数的阈值，当参数超过或低于阈值时系统将自动控制风机、湿帘、补光灯等设备运行，直至兔舍环境调整到适宜状态。系统反应灵敏、操作简单能够智能调节兔舍内环境因子，实现更健康、安全和高效的兔舍养殖模式。

关键词：养殖环境；自动控制；物联网技术；数据采集；兔舍

中图分类号：TP311     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）34-0097-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

1 绪论

兔肉不仅味道鲜美，还是一种高蛋白、低脂肪、低胆固醇的食品，深受广大群众喜爱，同时人们也对兔肉的卫生、健康、安全等情况有了更高的要求，因此，家兔的养殖环境也得到了社会的广泛关注。兔舍环境对家兔的成长有着至关重要的影响，高温和高湿会导致兔子代谢减慢，食欲下降，影响兔子正常发育；高浓度的二氧化碳和氨气会使兔子呼吸困难，免疫力降低，容易导致兔舍内传染病蔓延；光照过强或过弱会影响兔子内分泌，导致兔子生长迟缓或发育不良。除此之外，兔舍内的粉尘积聚也会增加兔子呼吸系统的负担，导致呼吸道疾病，降低肉类品质[1]。基于此，通过物联网技术设计一套兔舍养殖环境感知控制系统，实时监测兔舍环境信息，自动调控兔舍内环境因子，保障家兔不受环境影响而生病或死亡，降低养殖成本，提高兔肉的产量和品质，对实现兔舍规模化养殖的可持续发展是十分重要的。

1.1 课题研究背景及意义

联合国粮食及农业组织数据显示，中国是世界上产兔第一的国家，2020年中国兔存量约为1.18亿只，占全球的61.1%。中国的冷鲜兔肉产量约占全球的51.1%，这表明兔养殖业在我国具有重要的地位和发展前景。然而，兔不同于其他畜禽，对生长环境的稳定要求更高，兔舍环境信息监测对保障兔子的健康成长，促进兔养殖业的可持续发展非常重要[2]。传统的兔舍环境调控主要依赖于经验积累和人工监测，但由于环境参数的复杂性和不确定性，这种方式存在监测不及时、调控不准确、工作强度大、费用高昂、数据量繁多难以管理等弊端。为避免传统方式存在的缺陷，提高养殖效益，采用现代化的信息技术，将温湿度、气体浓度、光照、粉尘等兔舍环境参数实时采集、处理和传输，建立基于物联网的兔舍养殖环境感知控制系統，方便及时调整兔舍环境，确保兔舍环境稳定、适宜，从而提高兔子生长速度和质量，推动兔舍养殖智能化和可持续发展，具有非常重要的现实意义和实用价值。

1.2 研究内容

本课题旨在通过物联网技术设计并实现一款兔舍养殖环境感知控制系统，该系统由信息采集、自动控制、无线通信、用户访问终端四部分组成。信息采集模块通过对传感器的选型分析，采用最适合的传感器型号，实时监测并采集兔舍环境中的温度、湿度、光照、粉尘、CO2和NH3浓度等参数，当环境参数超过阈值时，系统会自动触发控制模块，根据预设的控制算法进行控制，自动调整光照、通风等环境因素。用户通过手机或电脑等访问终端管理界面，进入系统用户界面后可以对兔舍环境进行监测和控制，实时掌握兔舍环境参数变化情况，提高兔舍的养殖效益和安全性。

1.3 研究思路

本系统以STM32F103C8T6单片机为控制核心，在信息采集模块，选用常规范围精准稳定的温湿度一体传感器，高精度感知光照传感器，以及结合多段标准气体和补偿算法的NH3传感器，采用激光散射测量的PM粉尘传感器，提高传感器的灵敏度和抗干扰能力。此外，还采用进口NDIR传感器进行CO2浓度测量，确保反应迅速灵敏，避免了传统电化学传感器的寿命及漂移问题。以上传感器的选型能够确保感知数据的准确和稳定，反映兔舍内环境的复杂变化，为自动控制模块提供精准的数据支持，有助于提高自动控制模块的优化决策。

在自动控制模块，采用搭载了强大的ARM Cortex-M3内核，具有高速运算能力、使用低功耗技术的STM32F103C8T6单片机，外接风机、湿帘、补光灯等控制设备，读取传感器反馈信号，通过算法判断当前兔舍内环境状态，如需调整控制设备，则向自动控制模块发送控制信号，实现数据交换和电路控制的协同工作，从而提高系统的可靠性和实时性，保证兔舍内环境的相对稳定，提高兔子的饲养品质和数量。

考虑到实际应用中各种干扰信号可能会导致数据传输不稳定，甚至无法传输等情况，在无线通信模块，采用拥有MIMO技术的4G进行远程通信，可以有效地抑制信号干扰，保证了数据传输和控制的稳定性。通过组网技术建立前端信息感知系统，将多个感知节点连接起来，形成一个完整的采集网络，在主控板上搭载一块适配485通信协议的芯片，使用485通信和标准ModBus-RTU通信协议进行控制信号的传输，通过主控板串口与外接设备连接，实现对目标设备的数据采集、控制和传输等功能[3]。在用户访问终端模块，为用户提供了与系统交互的渠道，对用户进行权限管理，控制终端设备，使用户可以更加便捷地获取、监控和控制兔舍养殖环境的数据和状态。

2 系统硬件电路设计

2.1 硬件方案设计

基于物联网的兔舍养殖环境感知控制系统的设计方案如图1所示，硬件电路层包括传感模块和自动控制模块，传感模块将采集到的兔舍环境数据（包括温湿度、光照、粉尘、CO2和NH3浓度）上传到STM32F103C8T6主控板上，主控板进行数据处理，判断是否需要控制自动控制模块，如果兔舍环境数据在所设定的阈值之外，主控板会将对应控制命令传输给自动控制模块，自动控制模块执行相应的控制操作（控制风机、湿帘、补光灯等设备的开关）。在系统驱动层和应用层之间用RS485进行通信，完成数据的传输，实现对数据的可视化，为实时监测和远程控制模块提供数据支持，以优化兔舍环境状况。

2.2 单片机最小系统设计

在兔舍养殖环境感知控制系统中，STM32F103C8T6单片机作为整个系统的核心部分，扮演着不可替代的角色[4]。在硬件设计过程中，单片机最小系统则是单片机的核心部分，其构成和性能设计直接决定整个自动控制系统的性能和可靠性[5]。因此，本文将深入挖掘其设计原理，从RTC时钟晶振、电源电路、复位电路、继电器控制四个方面分析单片机与传感模块和自动控制模块之间的协作模式，确保整个系统在运作过程中保持较高的稳定性和可靠性。

2.2.1 RTC时钟晶振

RTC时钟晶振相当于基于物联网的兔舍养殖环境感知控制系统的心脏，有着十分重要的作用。由于系统需要及时对养殖环境的变化进行实时监测与控制，因此需要有一个精确的时钟信号[6]。如图2所示STM32F103C8T6单片机PC14和PC15引脚是STM32F1系列晶振输入和输出引脚，PC14负责接收外部时钟晶振的震荡信号，PC15则输出由晶振产生的稳定时钟信号。通过使用RTC时钟晶振，记录兔舍温湿度、光照、气体浓度、粉尘浓度、信息采集时间、补光、通风等信息，确保系统具有高精准度的实时时钟功能。RTC时钟晶振还可以与系统中数据采集、控制功能等模块进行同步，利用RTC时钟晶振对时间进行定期校准，确保系统中各个模块可同时进行操作，提高系统的整体效率。

2.2.2 电源电路

STM32F103C8T6单片机总共有5个接电源正极和4个接地引脚，图3所示用VDD表示单片机的供电电压，使用VDDA和VSSA引脚提供合适的模拟器件工作电压和供电电压。考虑到断电数据需要保存的情况，本系统通过外部电源模块为不同的传感器提供电源，使用VBAT引脚来为后备区域提供电源，利用RTC/BKP寄存器来保存一些兔舍环境信息的关键数据，例如时间、环境参数等。单片机的供电电压标称值为3.6V，为保证单片机工作时的电源质量和稳定性，选用AP2139AK-3.3TRG1稳压芯片，将电源输入为4.2V转化为输出3.6V电压供给单片机（如图3所示）。

2.2.3 复位电路

由于系统需要长时间稳定地运行，复位电路可以作为一种系统保护措施，确保系统在发生故障时可以及时恢复正常工作，避免因系统故障而导致的数据丢失和硬件损坏。本系统复位电路如图4所示，由RC电路构成，10k电阻及0.1uF电容组成的RC电路；STM32F103C8T6单片机复位引脚为低电平有效，复位电路的作用是在单片机上电启动的瞬间，复位电路通过检测系统电源电压的上升过程，重新初始化整个系统，从而确保系统能够从一个准确的状态开始运行。在系统发生故障或异常时，能够及时地将系统恢复到预定状态，保护系统免受潜在破坏。

2.2.4 继电器控制

在兔舍养殖环境控制感知系统中，为控制风机、湿帘、补光灯等设备的运行，需要通过继电器来实现对设备开关的控制。但由于单片机的输出信号是低电平信号，而继电器需要高电平信号触发，这样就使单片机无法直接控制继电器的开关。因此，图5中使用ULN2001DS驱动芯片，将单片机的输出信号放大为可控制继电器的高电平信号，将多个继电器与风机、湿帘、补光灯等设备进行并聯，通过单片机发送控制指令来控制继电器的开关状态，实现对兔舍环境中各种设备的灵活控制和调节，从而保证饲养环境最优化。

3 软件程序设计

3.1 系统主程序

系统通电后，对硬件进行初始化设置，依次设置温湿度、CO2、NH3、光照、粉尘的阈值，传感器模块实时采集兔舍内环境信息，并将这些数据送入单片机实现不同模块的控制，系统流程图如图6所示。

3.2 数据采集与监测模块程序

将兔舍养殖环境感知控制系统部署在电脑端如图7所示，通过传感器对兔舍环境数据的实时采集，以图形化、可视化的方式展示给用户，及时反映兔舍环境的实际情况。此外，将数据以图形化、可视化的方式展示给用户，及时反映兔舍环境的实际情况。以确保系统在稳定性和安全性上达到最佳性能，并为客户提供良好的体验。

3.3 自动控制模块程序

兔舍的环境对兔子的生长发育具有重要影响，因此，实现兔舍自动化控制是提高养殖效益的有效手段。为了保证兔舍内的环境参数处于理想范围内，在自动控制模块开始工作时，通过传感模块对兔舍的温湿度、光照、氨气、二氧化碳以及粉尘浓度等关键环境参数进行监测。如果这些参数超出所设定的阈值范围，自动控制模块将会发出相应的指令，使相关设备打开或关闭以调节兔舍内的环境参数。以温度为例，当兔舍内温度达到所设定的阈值时，自动控制模块将打开风机和湿帘以增加湿度，加速空气流通，同时关闭补光灯等设备以降低光照强度，这些措施都有利于降低兔舍内温度。当温度阈值回归正常范围内时，自动控制模块将恢复原来的设备状态，以保证兔舍内环境的稳定和安全。对于其他环境参数的调节，如湿度、氨气、二氧化碳、粉尘等也同样采取类似的自动化控制策略。

4 系统测试

调查发现，兔舍环境温度15～25℃，湿度60%～70%，氨气浓度20～25ppm，二氧化碳浓度350～500ppm，光照强度150～200lx，粉尘浓度100～200mg/m3时为家兔的最适宜生存环境，以此进行阈值设置，监测自动控制设备的状态，测试结果如表1所示，基于物联网的兔舍养殖环境感知控制系统在不同环境中测试外接设备状态均正确。

5 结论

本文基于物联网技术设计了兔舍养殖环境感知控制系统，该系统以STM32F103C8T6单片机为控制核心，采用多类型传感器对兔舍内部环境进行温度、湿度、CO2浓度、氨气浓度、光照强度、粉尘等多个参数的实时监测和数据采集，并通过在系统中设置阈值，实现了自动控制兔舍内部环境。经过测试，该系统能够正常运行，符合设计要求。但也存在一些不足之处，例如：目前只能调控风机、湿帘和补光灯的状态，缺少精确的调控设备，如增加空气净化器、二氧化碳制造机等更多的调控设备，将更好地控制兔舍内部环境变化。综上所述，基于物联网的兔舍养殖环境感知控制系统能够自动调控兔舍内部环境，降低养殖成本，提高兔养殖业的生产效益，具有远大的发展前景和推广价值。

参考文献：

[1] 易军军，姚海飞，绪欣.浅析兔场环境与健康养殖[J].中国养兔杂志，2023（3）：26-27.

[2] 左相兵，孙方，裴成江，等.贵州兔产业发展概况、存在的问题及建议[J].中国养兔杂志，2022（1）：36-39.

[3] 张净，张康，刘晓梅，等.基于物联网的远程温室视觉监控系统设计与实现[J].中国农机化学报，2023，44（1）：100-107.

[4] 朱春馨，刘亚荣，谢晓兰，等.多肉植物大棚环境控制系统设计[J].电子设计工程，2023，31（1）：189-193.

[5] 杨忠华，何向锋.基于ZigBee技术的农业大棚环境监测控制系统设计[J].乡村科技，2023，14（7）：151-154.

[6] 徐玲.一个基于单片机的鸡舍环境控制系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2023，19（6）：69-72.

【通联编辑：梁书】