摘要：针对当前小规模养殖模式生产中存在缺乏科学管理、养殖污染以及养殖成本投入过多问题，设计一款可监控养殖场环境数据并可远程控制养殖场设备的机器人。该机器人以STM32F407为主控板，使用多传感器融合，可以实时监测农业养殖过程中的温湿度、光照、空气质量等环境因素。监测节点和阿里云物联网客户端之间采用EC20通信模块实现远距离无线传输。机器人采集数据通过EC20通信模块上传到阿里云物联网，用户可在阿里云物联网客户端查看养殖场内各项数值。根据机器人监测的数值，用户可在手机端发送指令，实现远程控制照明系统、通风系统、加热器、抽湿器和加湿器等设备工作，从而实现远程对养殖场环境进行调节。机器人采用自动补水和自动补料，减轻人工巡场喂食的工作强度。实验表明，该养殖机器人测量数值接近人工测量的数据，正常实现远程控制设备，减少养殖生产的人力成本。

　　关键词：STM32F407；多传感器融合；EC20通信模块；阿里云物联网；远程控制

　　0引言

　　当前我国禽类养殖主要有3种模式：传统散养型、小规模专业养殖户以及大规模集约化养殖。以前两种养殖模式为主，规模较小，集约化水平低，存在着成本投入过多、环境污染和防疫工作差等问题。养殖方式较为落后，经济效益不高[1]。而美国养殖场，集约化程度高，规模化养殖已进入深水区，人力投入成本低，机械化自动化程度高[2]。禽类养殖精细化、集约化、自动化的研究是当前国内的热点，该研究可降低人力成本投入、提高禽类肉质以及保障禽类的健康安全[3]。

　　然而当前我国自主研发的养殖监控系统以及自动化设备主要为企业和大规模养殖户定制，而为小规模生产户个性化定制的养殖机器人较少，小规模生产户自动化集约化程度低[4]。为了缩小我国和国外整体养殖业的差距，使小规模养殖户向着集约化自动化发展，提高养殖生产的管理水平。让禽类在一个健康无污染的环境生长，可以有效减少传染病的发生以及减少饲料的投放，降低养殖成本[5]。因此，为小规模养殖户设计一套能够监测养殖环境和远程控制设备的机器人是非常有必要的。本项目提出了基于STM32养殖机器人控制系统设计方案。根据养殖户养殖场环境和气候，结合科学养殖数据，制定适宜该养殖场的调节阈值，为小规模养殖户定制个性化养殖机器人。用户可在手机端监控养殖环境中的空气质量和温湿度，还可远程控制照明系统、通风系统、加热器、抽湿器和加湿器等设备工作，调节养殖环境。从而提高小规模养殖户自动化和集约化程度，提升养殖管理水平，减少人力成本支出。

　　1总体设计

　　发展智能绿色养殖需依靠科学的方法和精准实时的数据。养殖户要在科学正确的养殖方法指导下结合精准实时的养殖数据，根据监测数据对养殖场进行管理。如图1所示。在系统中，使用了多种监测的传感器，传感器主要针对温度、湿度和有害气体浓度进行监测。养殖户通过阿里云物联网客户端观测数据，还可远程控制照明系统、通风系统、加热器、抽湿器和加湿器等设备工作，从而实现调节温湿度和通风，为禽类提供适宜的生长环境。当传感器检测出环境参数超出安全范围时，能够借助EC20的无线通信通知到养殖户的手机端，并进行警报提示，提醒养殖户观测环境参数，检查养殖场内环境。禽类在光照较好的白天进食较多，夜晚则较少进食，根据禽类饮食规律，定时给饲养槽里投放饲料和补水。在系统设置定时模块，到喂食时间，STM32驱动电机，电机控制饲料和水量投放。

　　2硬件设计

　　2.1温湿度传感器

　　禽类养殖的适宜温度在20~30℃，当养殖场内温度高于35℃，禽类会出现厌食甚至中暑的现象。当温度过低，禽类容易感冒。如果养殖场内过于干燥，易引起羽毛生长不良和脱水的问题。如果养殖场湿度过高，容易滋生细菌，禽类容易患肠道疾病。故需实时监测养殖场内的温湿度情况。STM32F407核心板自带温湿度传感器，其检测温度范围在-40~125℃，湿度检测范围在20%~95%。温度测量是通过ADC端口进行测量的[6]。接好VCC和GND，指示灯亮，通过对电位器的调节，可以改变温湿度检测的阈值。当高于或低于设定阈值时，输出高电平，绿灯不亮[7]；通过STM32来检测高低电平，由此来检测环境的温湿度。如图2所示。

　　2.2气体传感器

　　在养殖生产中，避免不了氨气的产生，动物排粪和饲料发酵都会产生大量的氨气[8]。禽类长期吸入大量氨气，严重影响禽类的健康生长。因此在养殖生产中氨气的浓度应保持在25 ppm以下。本系统采用MQ-135气体传感器，可检测氨气这一有害气体，检测范围在10~1 000 ppm[9]。接好VCC和GND，指示灯亮，设定传感器阈值。当有害气体浓度低于阈值，DO口输出高电平，AO接口电压为0 V，指示灯常亮。当有害气体浓度高于阈值，DO口输出低电平，AO口输出的电压会随着气体的浓度增大而增大，指示灯高亮度随着变暗。如图3所示。

　　2.3光照强度控制

　　禽类随着生长的变化，对光照强度要求不断改变。养殖场建设为在密闭室内，禽类获得光源为暖色照明系统。据研究表明，白天时间日照时间越长，禽类生长则越快。采用暖色照明系统，尽可能还原白天日照环境，长时间照射，从而加快禽类的生长。根据禽类不同生长周期，调节对应的光照强度，禽类日龄在0~20天，光照强度应为15 Lux，日龄20天以后，光照强则为5 Lux。如图4所示。图4养殖场光照强度预期值。

　　2.4无线传输模块

　　本系统的无线通信模块为EC20通信模块，可插入SIM卡，支持4G上网，传输数据速度快[10]。本系统EC20模块通过UART串行数据总线与主控芯片实现通信。通过4G网络，用户可实现远程信息接收与发送。用户可以远程了解养殖场内信息以及远程控制养殖场内各设备系统。如图5所示。2.5设备系统控制模块设备系统控制中，继电器起着对设备开关的作用，STM32通过控制继电器的息合，从而实现对各设备系统的开关控制。

　　养殖户根据传感器收集的数据，可远程控制通风设备、光照设备、抽湿器、加湿器以及加热器。由于养殖场面积较大，选用RS485接口电路，两个RS485接口电路组成一组采集端与发射端。如图6所示。采集端与各传感器以及设备控制连接，主要负责数据采集以及设备控制的功能。发送端与EC20通信模块相连，将采集数据发送至阿里云服务器。用户要想控制设备开关，可通过阿里云发送控制指令至发射端，发射端将指令传送到采集端，可实现对照明系统、通风系统、加热器以及加湿器的控制。

　　2.6自动投料和补水模块

　　养殖生产朝着自动化发展，人工巡场补料和补水已不能满足当前的生产发展，自动投料可将人从简单繁重的体力活中解放出来，减少人力成本，科学合理投料，可减少饲料的浪费以及促进禽类健康生长[11]。

　　本自动投料和补水模块中由压力传感器和电机构成。禽类在白天进食较多，夜晚进食较少。定时定量给禽类投料，压力传感器测量喂养槽内饲料重量，反馈重量数值给STM32，当饲料量小于阈值，STM32控制电机打开饲料仓进行投料，边投边测量槽内饲料重量，当重量达到对应阈值，则STM32控制电机关闭投料仓。如图7所示。

　　3软件设计

　　当前物联网技术广泛应用在工业生产、农业生产、医疗设备以及生活中，将物联网融入在养殖生产中，可实现人对机器的远程互动，大大提高养殖生产的效率以及减少人工成本的投入。物联网包括感知层、网络层和应用层。感知层是机器对事物多方面的认知，主要由传感器组成。网络层是感知层和应用层连接的枢纽，将感知层采集的数据传输到应用层，一般由通讯模块组成。应用层由服务器组成，完成数据中应用和管理[12]。本系统中感知层是温湿度传感器、气体传感器和压力传感器，网络层是EC20通讯模块，应用层采用了阿里云物联网平台，其中使用阿里云物联网平台开发，具有简便开发以及稳定的特点。
      3.1阿里云物联网项目的建立软件设计部分包括阿里云物联网项目的建立、STM32与EC20的连接、采集的数据发送至阿里云服务器以及定时补料。传感器采集数据，STM32主控板处理数据并通过EC20通信模块将数据上传到阿里云MQTT服务器。用户登录阿里云，便可实时监控养殖场内的环境，还可以远程发送指令控制设备，对设备进行开启和关闭的控制。

　　如图8所示，登陆阿里云，进入生活物联网平台，项目自定义设置。建立4个数据监测项目，分别为温度监测、湿度监测、光照强度监测以及空气质量监测。同时建立4个远程设备开关，分别控制加湿器、加热器、照明系统以及通风系统。项目建立完后，添加要连接的移远EC20设备。登录EC20个人账号，与养殖机器人阿里云物联网项目相连，实现人机交互。

　　3.1.1 EC20与STM32的通信连接

　　STM32通电后，每秒发送AT指令等待响应OK，当60 s超时，发送AT+RST重启模块，重新发送指令等待响应。返回OK后，发送AT+CPIN指令判断Sim卡是否在位。当Sim卡在位，发送AT+COPS指令检测网络是否注册成功，1 s发送一次指令，共发送60次。指令发送成功后，会反馈出(电信、移动或联通)运营商的信息。激活PDP，发送AT+GSOCR指令，创建socket。创建socket成功，则可以跟阿里云MQTT服务器进行业务交互。

　　3.1.2将采集数据发布给服务器

　　启动养殖机器人后，STM32发送AT指令与阿里云构成连接。连接成功后，养殖机器人进行采集数据，将采集数据上传至阿里云服务器。服务器将同步更新数据到用户手机。如图9所示，用户可简便观看采集数值以及可以发送控制指令实现对系统设备的开关。

　　3.2养殖机器人的工作流程

　　工作流程如图10所示。开启养殖机器人后，系统进入初始化状态。根据各传感器采集的数据，开启各设备运行，从而实现对养殖场内环境的平衡。在温湿度检测中，当温度低于阈值、湿度低于阈值，STM32通过控制继电器，实现对加热器以及加湿器的开启。当温度高于阈值、湿度高于阈值，则开启通风系统，降温排湿。养殖场内配备有多个气体传感器，用于检测养殖场内一氧化碳以及氨气等有害气体。当有害气体的浓度高于25 ppm，则加强通风系统，排风扇电机转速提高，加快空气流通。同时，STM32采集的信息通过EC20通讯模块传输到用阿里云服务器，提醒用户及时清理粪便和残余饲料量。

　　4系统调试与结果分析

　　分别对主控模块、接口电路和通讯模块进行测试。养殖机器人检测数据，同时，人工也进行采集养殖场数据。在养殖场内记录了7天的数据，采集完数据，与人工采集数据作比较。如图11所示，其中第五天是雨天，天气预报中空气湿度达到89%，养殖机器人测出数值在91%。由于下雨，第五天气温较其他天温度较低。采集数据进行对比，养殖机器人与人工采集数据误差在3%。手机打开阿里云客户端，可实现远程控制通风系统、加热器和加湿器的功能。养殖机器人总体满足了系统设计要求。

　　5结束语

　　以往传统小型养殖户缺乏科学化管理，依靠经验养殖，养殖环境差，养殖效率低，经济效益低。针对目前我国小型养殖现状问题，设计开发了一套基于STM32养殖机器人控制系统。该方案由STM32主控板、温湿度传感器、气体传感器、压力传感器、投料电机、RS485接口电路以及EC20远程通信技术组成，能够实时在线采集养殖养殖场的温度、湿度和空气质量数据。养殖户可以通过手机远程访问系统，实时观测数据信息，并能够针对养殖场内环境变化，对设备进行远程操控，如开启加湿器、加热器、打开照明系统和打开通风系统。本养殖机器人控制系统较传统小型养殖模式而言，具有精准化、自动化和便捷性的特点，提高养殖场环境水平，为禽类提供适宜的环境，保障养殖生产安全，有效提高禽类养殖存活率。远程监控数据和远程控制设备，可减少人力成本，从而提高养殖户的经济效益。

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