王高樂(lè) 劉佳 韓祥森 張培航 趙夢(mèng)雪

摘 ?要：針對(duì)基層畜牧業(yè)養(yǎng)殖過(guò)程中的養(yǎng)殖環(huán)境消殺及環(huán)境變量監(jiān)測(cè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種環(huán)境消殺及環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了環(huán)境消殺管道，該管道易鋪設(shè)，易拆解，能夠?qū)崿F(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境的全方位消殺工作，此系統(tǒng)的環(huán)境檢測(cè)部分包含多個(gè)環(huán)境檢測(cè)模塊，如溫濕度傳感器、光照傳感器、有害氣體傳感器、二氧化碳傳感器等，同時(shí)包含多種功能模塊，如排氣風(fēng)扇、室內(nèi)燈光、遮陽(yáng)簾開(kāi)關(guān)。同時(shí)該系統(tǒng)利用串口通信技術(shù)，通過(guò)Wi-Fi模塊與手機(jī)進(jìn)行連接，將環(huán)境參數(shù)發(fā)送到手機(jī)APP，以及手機(jī)APP對(duì)消殺系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)，以及對(duì)環(huán)境閾值進(jìn)行設(shè)定。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全方位消毒系統(tǒng)極大地節(jié)省了人力。

關(guān)鍵詞：環(huán)境消殺；環(huán)境檢測(cè)；Wi-Fi；串口通信；單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP368 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：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

隨著科技化的不斷推進(jìn)，科技化帶來(lái)的各種技術(shù)以及衍生的各類產(chǎn)品，正不斷向各個(gè)領(lǐng)域滲透，科技化農(nóng)業(yè)、科技化畜牧業(yè)等新名詞逐漸映入眼前，各類大型養(yǎng)殖企業(yè)，已經(jīng)將科技化設(shè)備引進(jìn)廠房，大大提升了養(yǎng)殖效率以及輸出的產(chǎn)能，同時(shí)還節(jié)省了人力物力，管理效果成倍提高，但是對(duì)于基層小型養(yǎng)殖者來(lái)說(shuō)，現(xiàn)存的養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備和全方位消毒設(shè)備成本高，而且其對(duì)養(yǎng)殖廠房搭建的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)都有不同的要求，這樣在規(guī)模、成本、建筑結(jié)構(gòu)上都不能滿足基層養(yǎng)殖者對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境檢測(cè)以及消殺的要求。同時(shí)對(duì)于基層養(yǎng)殖者來(lái)講，依靠人力來(lái)監(jiān)控畜牧養(yǎng)殖環(huán)境，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且還監(jiān)控不準(zhǔn)確，如深夜溫度驟降、人員外出等情況下無(wú)法對(duì)環(huán)境做到及時(shí)檢測(cè)。同時(shí)對(duì)于普通基層養(yǎng)殖者來(lái)說(shuō)，對(duì)于養(yǎng)殖環(huán)境的消殺工作一般都是由人工使用背負(fù)式農(nóng)用噴霧器來(lái)進(jìn)行消殺，消殺面積有限，噴灑不全面，人員勞動(dòng)量大，無(wú)法有效阻斷外界病菌。因此基于我校山東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目提出基于STM32的畜牧業(yè)全方位消毒和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，旨在解決基層畜牧業(yè)養(yǎng)殖過(guò)程中的環(huán)境消殺問(wèn)題和環(huán)境檢測(cè)問(wèn)題，為畜牧業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的一份力量。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分。第一是環(huán)境消殺部分，該部分利用PVC材質(zhì)軟管，與微插頭作為消毒管道鋪設(shè)在養(yǎng)殖環(huán)境周圍，具體長(zhǎng)度及位置可隨意更改，更加便捷，對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)無(wú)要求；通過(guò)48 V水泵，泵送消毒液，水泵電源接至繼電器從而控制電源通斷，同時(shí)繼電器出發(fā)端接至單片機(jī)中；為解決消毒液體腐蝕管道以及噴頭和寒冷天氣管道內(nèi)存有液體凍壞管道的問(wèn)題，將水泵進(jìn)端管道設(shè)計(jì)為二分支，分別放入清水和藥液中，并接入電磁閥控制管道開(kāi)關(guān)，設(shè)置水泵倒吸功能使管道內(nèi)不剩余液體。第二是環(huán)境監(jiān)測(cè)部分，包含溫濕度傳感器、光照傳感器、有害氣體傳感器、二氧化碳傳感器、氣壓傳感器，同時(shí)包含多種功能模塊，如排氣風(fēng)扇、室內(nèi)燈光、遮陽(yáng)簾開(kāi)關(guān)，通過(guò)設(shè)置環(huán)境閾值，使對(duì)應(yīng)的功能模塊進(jìn)行運(yùn)作，并實(shí)時(shí)將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過(guò)Wi-Fi傳送到手機(jī)APP。此外，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足：主頻高，運(yùn)算速度快，具備多個(gè)定時(shí)器用來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯功能，并且具備多個(gè)ADC電壓采集，至少包含兩個(gè)串口，而STM32能夠滿足以上需求，并且價(jià)格適當(dāng)，故選用它為中控芯片。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，首先進(jìn)行Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)初始化，其他各類模塊進(jìn)行初始化，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，當(dāng)某個(gè)模塊初始化錯(cuò)誤，將自行重新進(jìn)行初始化操作，連續(xù)三次以上初始化錯(cuò)誤，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，不再進(jìn)行任何操作，給手機(jī)APP返回錯(cuò)誤指令。初始化成功后，可以通過(guò)手機(jī)APP頁(yè)面給該系統(tǒng)發(fā)送指令，使水泵進(jìn)行噴灑藥液的操作，環(huán)境參數(shù)會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)送到手機(jī)，同時(shí)會(huì)在顯示屏上顯示出來(lái)，顯示屏采用的是10.1英寸的電容觸摸屏，顯示更加清晰。初始化成功后該系統(tǒng)環(huán)境閾值會(huì)設(shè)置為默認(rèn)狀態(tài)，閾值狀態(tài)可以通過(guò)手機(jī)APP進(jìn)行修改，也可通過(guò)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)按鍵進(jìn)行修改。環(huán)境參數(shù)閾值作為功能模塊比如燈光等自動(dòng)開(kāi)啟或者關(guān)閉的標(biāo)志。

2 ?理論分析與計(jì)算

2.1 ?消毒管道防腐蝕與防凍設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)我們調(diào)研得知，對(duì)環(huán)境消殺的藥液呈酸性或堿性，酸性消毒液以次氯酸為主，堿性消毒液以氫氧化鈉也就是人們常說(shuō)的火堿為主。我們使用的管道是PVC材料，這種材料便宜，輕便，柔軟性好，符合本設(shè)計(jì)要求，但長(zhǎng)時(shí)間處在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿環(huán)境下非常容易被腐蝕。面對(duì)管道腐蝕，更嚴(yán)重的問(wèn)題是噴頭腐蝕和水泵腐蝕，噴頭采用銅制或鐵質(zhì)噴頭，金屬和強(qiáng)酸、強(qiáng)堿極易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)老化和堵塞，達(dá)不到系統(tǒng)要求，經(jīng)過(guò)我們實(shí)驗(yàn)分析得知，噴灑藥液的時(shí)間是一定的，當(dāng)噴灑完藥液后管道內(nèi)會(huì)剩余大量液體無(wú)法排出，導(dǎo)致對(duì)管道和噴頭水泵嚴(yán)重腐蝕，因此我們通過(guò)一些設(shè)計(jì)來(lái)減弱藥液對(duì)管道的腐蝕。如圖2所示，A箱為藥箱，B箱為清水箱，1、2為電磁閥，當(dāng)開(kāi)始噴灑藥液時(shí)，單片機(jī)控制電磁閥1打開(kāi)，電磁閥2關(guān)閉當(dāng)噴灑完畢后，電磁閥1關(guān)閉，電磁閥2開(kāi)啟，繼續(xù)噴灑30 s，這樣管道內(nèi)殘余的藥液會(huì)被清水沖洗掉，避免消毒藥液的腐蝕。針對(duì)管道內(nèi)的清水在寒冷天氣容易結(jié)冰導(dǎo)致管道破裂以及噴頭結(jié)冰無(wú)法噴灑的問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)當(dāng)清洗完管道后，通過(guò)繼電器控制電源正負(fù)極交換實(shí)現(xiàn)水泵倒轉(zhuǎn)，吸走管道內(nèi)殘余液體，防止寒冷天氣管道內(nèi)結(jié)冰，凍壞管道。

2.2 ?管道噴灑壓力調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的環(huán)境消毒裝置以使用簡(jiǎn)便快捷、不受限于建筑物結(jié)構(gòu)外形為優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)于不同的養(yǎng)殖環(huán)境所需要的鋪設(shè)的管道長(zhǎng)度以及噴頭數(shù)量都會(huì)有所改變，這就導(dǎo)致如果水泵輸出功率不變，當(dāng)管道過(guò)長(zhǎng)噴頭數(shù)量過(guò)多時(shí)噴頭噴灑藥液的壓力就會(huì)變?nèi)?，?dāng)管道過(guò)短噴頭數(shù)量少時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致噴灑壓力過(guò)大，這樣都會(huì)導(dǎo)致噴灑效果達(dá)不到預(yù)期。因此采用PWM技術(shù)，配合驅(qū)動(dòng)板，來(lái)控制水泵水壓，使用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，同時(shí)通過(guò)按鍵控制PWM波的占空比，實(shí)現(xiàn)可以手動(dòng)調(diào)節(jié)噴灑速率。

2.3 ?環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

環(huán)境變量參數(shù)檢測(cè)，主要依靠環(huán)境傳感器進(jìn)行檢測(cè)，針對(duì)基層養(yǎng)殖環(huán)境，我們選取了主要影響?zhàn)B殖條件的環(huán)境變量，有溫度、濕度、光照、壓強(qiáng)、有害氣體、二氧化碳。為此針對(duì)環(huán)境參數(shù)結(jié)合模塊成本，溫濕度采用DHT11模塊，光照模塊采用GY302，有害氣體采用MQ-2模塊，二氧化碳模塊采用MQ-135模塊，大氣壓強(qiáng)模塊采用BMP280。通過(guò)多個(gè)環(huán)境傳感器模塊對(duì)環(huán)境變量進(jìn)行了采集，通過(guò)程序設(shè)定，當(dāng)規(guī)定環(huán)境變量超過(guò)閾值，自動(dòng)打開(kāi)或關(guān)閉功能模塊，如燈光、排風(fēng)扇等。并且環(huán)境參數(shù)會(huì)通過(guò)串口發(fā)送到10.1英寸串口屏上，同時(shí)通過(guò)Wi-Fi模塊遠(yuǎn)程發(fā)送到手機(jī)APP，供用戶觀看。

2.4 ?基于Wi-Fi的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

本系統(tǒng)采用ESP8266作為無(wú)線模塊連接手機(jī)APP，將環(huán)境數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式無(wú)線發(fā)送到手機(jī)APP，并且可以接收手機(jī)APP下發(fā)的指令，使該系統(tǒng)進(jìn)行操作。Wi-Fi無(wú)線通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，本系統(tǒng)采用的ESP8266-01S是一款超低功耗的透?jìng)髂K，可以進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線通信，因而實(shí)現(xiàn)APP對(duì)本系統(tǒng)功能的遠(yuǎn)程控制以及接收數(shù)據(jù)。

3 ?硬件電路與軟件設(shè)計(jì)

3.1 ?硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)控制芯片采用STM32F103C8T6單片機(jī)，該單片機(jī)具有2個(gè)12位ADC，并且有多達(dá)16個(gè)通道，滿足以電壓采集為需求的傳感器，本系統(tǒng)中就有二氧化碳傳感器和有害氣體傳感器；此單片機(jī)還具備4個(gè)定時(shí)器和兩個(gè)串口，能滿座邏輯順序編寫，以及使用Wi-Fi模塊串口模式和使用串口屏幕。在控制繼電器開(kāi)關(guān)方面，采用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)三極管，三極管觸發(fā)繼電器的方式。具體電路圖如圖3所示。

3.2 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面分為三部分，第一是單片機(jī)程序編寫，包括對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)的運(yùn)行等；第二部分是串口發(fā)送接收數(shù)據(jù)部分，包括Wi-Fi模塊的連接，以及發(fā)送數(shù)據(jù)包接收數(shù)據(jù)包；第三是顯示屏UGI頁(yè)面設(shè)計(jì)和手機(jī)APP設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件工作流程如圖4所示。

環(huán)境數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵代碼為：

void Get_Data（u16 count）//獲取傳感器數(shù)據(jù)

{

static float bmp280_press，bmp280;//氣壓

DHT11_Read_Data（&DHT11_Temp，&DHT11_Hum）;

Conversion（）;/// bh1750 光照模塊數(shù)據(jù)采集

bmp280GetData（&bmp280_press，&bmp280，&bmp

280）;

Pre = bmp280_press;

gz_value ? = lux/40; ?//燈光;

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;

}

數(shù)據(jù)發(fā)送手機(jī)APP關(guān)鍵代碼為

void userHandle（void） ? //數(shù)據(jù)上傳

{

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 ?實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

本系統(tǒng)最終呈現(xiàn)形式為手機(jī)APP頁(yè)面，如圖5（a）所示，手機(jī)APP可以顯示環(huán)境數(shù)據(jù)，以及可以進(jìn)行閾值調(diào)節(jié)；圖5（b）為系統(tǒng)實(shí)物，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)藥液噴灑、環(huán)境檢測(cè)以及上文所述功能；圖5（c）為顯示屏幕UGI頁(yè)面，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)觀看環(huán)境數(shù)據(jù)。

在對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先選取環(huán)境消殺功能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試PWM調(diào)節(jié)水泵噴灑功率，以及開(kāi)關(guān)電磁閥更換噴灑藥液變?yōu)榍逅欠裾＃竭_(dá)規(guī)定時(shí)間后是否水泵改變出水方向變?yōu)榈刮懦鰧?dǎo)管剩余液體功能是否正常，以及設(shè)定噴灑時(shí)間與實(shí)際噴灑時(shí)間是否相符。

噴灑時(shí)間測(cè)試，分別設(shè)定30、60、90、120、150 s，每個(gè)時(shí)間測(cè)試3次，并記錄實(shí)際時(shí)間，如表1所示。

消殺模塊功能是否正常測(cè)試，分別對(duì)PWM調(diào)節(jié)、電磁閥切換、藥液回流進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試分為五組，每組對(duì)上述三項(xiàng)進(jìn)行測(cè)試。如表2所示。

從實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果得知，噴灑時(shí)間誤差在0.5 s以內(nèi)，消殺模塊功能全部正常。

除以上測(cè)試之外，還對(duì)其他環(huán)境傳感器進(jìn)行了測(cè)試，包括采集的參數(shù)準(zhǔn)確性和功能的穩(wěn)定性，通過(guò)測(cè)試都能達(dá)到很好的效果，滿足本系統(tǒng)的需求。對(duì)于Wi-Fi模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到手機(jī)APP，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試得出數(shù)據(jù)發(fā)送迅速準(zhǔn)確，抗干擾能力好，能夠滿足系統(tǒng)需要。

5 ? 結(jié) ?論

本系統(tǒng)對(duì)基層畜牧業(yè)養(yǎng)殖過(guò)程中遇到的環(huán)境消殺問(wèn)題和環(huán)境檢測(cè)問(wèn)題進(jìn)行了研究，針對(duì)以上問(wèn)題研發(fā)了基于STM32的畜牧業(yè)全方位消毒和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)管道的鋪設(shè)加以單片機(jī)程序的控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)噴灑功率的調(diào)節(jié)，以及防管道腐蝕、防凍等功能，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得知實(shí)際效果良好；環(huán)境檢測(cè)方面，針對(duì)多個(gè)環(huán)境變量，采用多個(gè)環(huán)境變量傳感器進(jìn)行采集，并通過(guò)Wi-Fi模塊發(fā)送到手機(jī)APP，以及通過(guò)串口發(fā)送到10.1英寸顯示屏幕，進(jìn)行實(shí)時(shí)觀看，并可通過(guò)手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控環(huán)境閾值，當(dāng)環(huán)境實(shí)際參數(shù)變量超出閾值范圍，功能模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得知，本系統(tǒng)切表現(xiàn)效果良好，并切實(shí)幫助到了基層使用者。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王高樂(lè)，韓祥森.基于51單片機(jī)的多功能黃瓜蘸花噴藥機(jī)設(shè)計(jì) [J].現(xiàn)代信息科技，2021，5（24）：51-54+58.

[2] 謝文和.傳感器及其應(yīng)用 [M].北京：高等教育出版社，2003.

[3] 邵楚楚，畢欣雨，湯福南.基于物聯(lián)網(wǎng)的消毒供應(yīng)中心有毒有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代儀器與醫(yī)療，2022，28（3）：56-60.

[4] 華成英，童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)：第四版 [M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[5] 求是科技.單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)實(shí)例導(dǎo)航 [M].北京：人民郵電出版社，2004.

[6] 譚浩強(qiáng).C 程序設(shè)計(jì) [M].北京：清華大學(xué)出版社，1991.

[7] 高天學(xué)，曹偉.基于物聯(lián)網(wǎng)的新型農(nóng)藥化肥自動(dòng)噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].現(xiàn)代信息科技，2021，5（9）：154-157.

作者簡(jiǎn)介：王高樂(lè)（2002—），男，漢族，山東聊城人，本科在讀，研究方向：電子信息工程；劉佳（2002—），女，漢族，遼寧朝陽(yáng)人，本科在讀，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程；韓祥森（1994—），男，漢族，山東淄博人，講師，本科，研究方向：電子與通信技術(shù)、智能控制；張培航（2001—），男，漢族，山東菏澤人，本科在讀，研究方向：機(jī)械電子工程；趙夢(mèng)雪（2003—），女，漢族，山東臨沂人，本科在讀，研究方向：電子信息工程。