何曉鳳，毛智遠(yuǎn)

（淮陰工學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇淮安，223001）

0 引言

目前我國(guó)的養(yǎng)殖業(yè)呈現(xiàn)出規(guī)?；内厔?shì)，主要采取全封閉或者半封閉的養(yǎng)殖方式，現(xiàn)代的這些封閉性高、養(yǎng)殖密度大的養(yǎng)殖場(chǎng)，內(nèi)部的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和通風(fēng)等因素對(duì)于家禽的生長(zhǎng)影響很大[1]。而我國(guó)養(yǎng)殖企業(yè)目前較多采用主觀判斷和人工采樣的方法來(lái)監(jiān)測(cè)和控制環(huán)境參數(shù)，準(zhǔn)確率低、浪費(fèi)人力，也難以全面監(jiān)測(cè)環(huán)境[2]，因此調(diào)節(jié)、控制養(yǎng)殖環(huán)境對(duì)雞只養(yǎng)殖具有重要意義。本課題利用微控制器技術(shù)和傳感器技術(shù)可以對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為所養(yǎng)殖的雞只提供最優(yōu)的生長(zhǎng)環(huán)境提供幫助。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用STC89C52RC單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，通過(guò)傳感器采集養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，單片機(jī)向各模塊發(fā)送控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)光照控制和對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)溫度、濕度、水箱水位等環(huán)境因素的監(jiān)測(cè)，環(huán)境參數(shù)可以通過(guò)語(yǔ)言模塊進(jìn)行播報(bào)，并由WIFI 發(fā)送到上位機(jī)，從而為家禽創(chuàng)造一個(gè)良好的生存環(huán)境提供幫助[3]。智能養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖1 所示，主要包括主控芯片模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、水位檢測(cè)模塊、顯示模塊、光照檢測(cè)模塊、補(bǔ)光系統(tǒng)和語(yǔ)音模塊。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

■2.1 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

2.1.1 溫濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

DHT11 的測(cè)溫功能由其內(nèi)部的NTC(Negative Temperature Coefficient)測(cè)溫元件實(shí)現(xiàn)，而濕度則由一個(gè)內(nèi)部的電阻式感濕元件來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。它們分別獲得溫度和相對(duì)濕度的模擬量，再經(jīng)過(guò)內(nèi)部的AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量由單線串行接口發(fā)送到單片機(jī)。由于DHT11 使用的是單線串行接口，所以本設(shè)計(jì)是將DHT11 的DATA 數(shù)據(jù)口接到了P3.7 口，并接了一個(gè)4.7K 的上拉電阻，VCC 接+5V 電壓，GND 接地，為DHT11 和發(fā)光二極管LED1 供電，NC 懸空，其中LED1 是電源指示燈，為了監(jiān)測(cè)DHT11 是否正在工作。具體電路如圖2 所示。

圖2 溫濕度檢測(cè)電路

2.1.2 光照強(qiáng)度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用GY-30 光強(qiáng)度檢測(cè)模塊，由單片機(jī)控制以獲取養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部的光照數(shù)據(jù)，模塊的傳感器選用BHF1750FVI。BH1750FVI 的檢測(cè)原理是養(yǎng)殖廠內(nèi)部的光照射到二極管后，電流經(jīng)過(guò)AMP 運(yùn)放電路轉(zhuǎn)換成電壓，再由其內(nèi)部的AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為16 位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后在由I2C 總線發(fā)送到單片機(jī)。其中ADD 為I2C 總線的地址線，這里直接接地。SDA 為雙向數(shù)據(jù)線接單片機(jī)P3.6 口，SCL為時(shí)鐘線接P3.5 口，光強(qiáng)度檢測(cè)模塊通過(guò)SCL、SDA 與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)互相通信。光強(qiáng)度檢測(cè)電路如圖3 所示。

圖3 光強(qiáng)度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

2.1.3 水位檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

水位檢測(cè)模塊采用水位傳感器和AD 轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。水位傳感器選用模擬水位傳感器，ADC 芯片選用PCF8591。水位傳感器的S 口接PCF8591 的模擬輸入端AIN0，PCF8591 的三根地址線接地，SCL、SDA 分別接單片機(jī)的P0.1 和P0.0 口，由于接在P0 口還需要接兩個(gè)10k 的上拉電阻。將傳感器放置在水箱高度10%的位置，能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能。具體電路如圖4 所示。

圖4 水位檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

■2.2 WIFI 模塊電路設(shè)計(jì)

ESP8266 是由深圳樂(lè)鑫科技開(kāi)發(fā)的一款超低功耗UART-WIFI 芯片，其支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11b/g/n 協(xié)議，內(nèi)置完整的TCP/IP 協(xié)議棧。而且其價(jià)格低、穩(wěn)定性高、串口速率可達(dá)4Mbps，是一款性價(jià)比極高的產(chǎn)品。通信模塊與單片機(jī)之間通過(guò)串口來(lái)相互通信，通信模塊的RX、TX 口分別接單片機(jī)的P3.1(TxD)口和P3.0(RxD)口。因?yàn)镋SP模塊的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓是3.3V，但本系統(tǒng)的電壓是5V，所以需要一個(gè)降壓模塊，將通信模塊與一個(gè)3.3k 的電阻并聯(lián)在與一個(gè)1.7k 的電阻串聯(lián)，因?yàn)榇?lián)分壓并聯(lián)電壓相等的原理，通信模塊可獲得3.3V的工作電壓，由于這樣電流過(guò)小，因此需要利用三極管放大電流的原理，讓模塊獲得合適的工作電流。WIFI 模塊電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 WIFI 模塊電路設(shè)計(jì)

■2.3 語(yǔ)音播報(bào)模塊電路設(shè)計(jì)

語(yǔ)音播報(bào)模塊可根據(jù)用戶選擇是否播報(bào)當(dāng)前養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部的環(huán)境數(shù)據(jù)，由揚(yáng)聲器和語(yǔ)音播報(bào)芯片構(gòu)成。語(yǔ)音播報(bào)芯片選擇JQ8400。本設(shè)計(jì)選擇單線串口控制模式，將JQ8400 的ONE-LINE 口接到單片機(jī)的P0.2 口，因?yàn)榻拥氖荘0 口還需要接一個(gè)10k 的上拉電阻。SPK+與SPK-分別接在揚(yáng)聲器的正負(fù)極上。將獨(dú)立按鍵的兩端分別接地和單片機(jī)的P1.0 口，用戶如按獨(dú)立按鍵，語(yǔ)音播報(bào)模塊則播報(bào)環(huán)境數(shù)據(jù)。語(yǔ)音播報(bào)模塊電路設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 語(yǔ)音播報(bào)模塊電路設(shè)計(jì)

■2.4 補(bǔ)光和報(bào)警電路設(shè)計(jì)

補(bǔ)光系統(tǒng)主要由實(shí)時(shí)時(shí)鐘、繼電器、LED 燈組成，當(dāng)室內(nèi)光照不足時(shí)能夠自動(dòng)開(kāi)燈。實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片選用DS1302。DS1302 的X1、X2 接一個(gè)32.768kHz 的晶振為它提供時(shí)鐘，SCLK、IO、CE 分別接單片機(jī)的P1.5、P1.6、P1.7 口實(shí)線相互通信。繼電器線圈的一端分別接三個(gè)PNP 型三極管的發(fā)射極，三極管集電極接地，基極接單片機(jī)的P0.4、P0.5、P0.6 口，因?yàn)槭荘0 口所以還需要10k 的上拉電阻，另一端接VCC，開(kāi)關(guān)端接LED 燈以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光功能，LED 燈需接1.2k 的限流電阻防止電流過(guò)大導(dǎo)致的擊穿。通過(guò)四個(gè)獨(dú)立按鍵可以給實(shí)時(shí)時(shí)鐘調(diào)時(shí)。蜂鳴器接在單片機(jī)的P0.7 口，其內(nèi)部已包含上拉電阻。補(bǔ)光和報(bào)警電路設(shè)計(jì)如圖7 所示。

圖7 補(bǔ)光和報(bào)警電路設(shè)計(jì)

■2.5 液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì)

LCD1602 的A 口和K 口分別為背光的正負(fù)極，VDD 為電源正極，VSS 時(shí)電源負(fù)極，V0 通過(guò)電阻接地來(lái)調(diào)節(jié)顯示屏的對(duì)比度，經(jīng)過(guò)測(cè)試本設(shè)計(jì)選擇接一個(gè)3.3k的電阻，RS口是寄存器選擇信號(hào)，接單片機(jī)P3.4 口。RW 口是讀寫信號(hào)，接單片機(jī)P3.3 口。E 口是使能端，接單片機(jī)P3.2 口。D0 至D7 口是雙向數(shù)據(jù)口，接單片機(jī)P2 口。LCD1602 顯示電路設(shè)計(jì)如圖8 所示。

圖8 LCD1602液晶顯示電路設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，主程序運(yùn)行，先進(jìn)行初始化設(shè)置，然后發(fā)送指令啟動(dòng)溫濕度、水位傳感器和光照傳感器，將采集到的雞舍內(nèi)部的溫濕度、光照和水箱水位的結(jié)果顯示在液晶屏幕上，并通過(guò)WIFI 模塊發(fā)送到PC 端。檢測(cè)獨(dú)立按鍵判斷是否播報(bào)現(xiàn)實(shí)的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，如果值在正常范圍以內(nèi)，則進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)；若超出正常范圍，則通過(guò)單片機(jī)控制LED 燈或語(yǔ)言模塊，開(kāi)啟補(bǔ)光、報(bào)警。系統(tǒng)的主程序流程如圖9 所示。

圖9 主程序流程圖設(shè)計(jì)

■3.2 語(yǔ)音播報(bào)子程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)判斷按鍵狀態(tài)來(lái)選擇是否播報(bào)數(shù)據(jù)，如果播報(bào)，通過(guò)單線串口發(fā)送控制命令，組合播放flash 中的語(yǔ)音文件。高位在前，高低電平的比值為3:1 時(shí)為1，1:3 時(shí)為0?？刂泼钣扇糠纸M成，清空數(shù)字：清空上一次發(fā)送的命令。曲目號(hào)：選擇要播放的文件，選曲播放：播放命令。子程序流程圖如圖10 所示。

圖10 語(yǔ)音播報(bào)子程序設(shè)計(jì)

■3.3 通信子程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電前，首先用串口助手配置好ESP8266 的參數(shù)如波特率、WIFI 等。系統(tǒng)上電，等待ESP8266 連接好WIFI，單片機(jī)通過(guò)串口發(fā)送AT 指令設(shè)置上位機(jī)的IP 和端口。發(fā)送AT 指令設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，然后將存有環(huán)境參數(shù)的數(shù)組發(fā)送出去，每一分鐘發(fā)送一次。上位機(jī)部分，用node.js 實(shí)現(xiàn)上位機(jī)后端程序。通過(guò)監(jiān)聽(tīng)上位機(jī)的端口來(lái)獲得養(yǎng)殖廠內(nèi)部的環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過(guò)txt的形式保存在本地，方便查找。子程序流程圖如圖11 所示。

圖11 通信子程序設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)測(cè)試

(1)當(dāng)系統(tǒng)上電后，LCD1602 顯示出當(dāng)前的溫度為24℃，相對(duì)濕度為58%，光照強(qiáng)度為1208lx，符合當(dāng)前的實(shí)際數(shù)據(jù)，表示DHT11 和BH1750 的功能正常，能夠正確的獲取當(dāng)前的環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫度、濕度、光照強(qiáng)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。

(2)當(dāng)模擬水位傳感器浸沒(méi)在水中時(shí)，LCD1602 顯示OK 表示水箱水量充足。當(dāng)水位下降到模擬水位傳感器下方時(shí)，LCD1602 顯示NO、蜂鳴器報(bào)警表示水箱水量不足。根據(jù)上述測(cè)試，水位監(jiān)測(cè)模塊功能正常。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)水位監(jiān)測(cè)功能。

(3)打開(kāi)上位機(jī)，開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)端口，上位機(jī)接收到來(lái)自ESP8266 的數(shù)據(jù)并保存在本地的TXT 中。將接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)與LCD1602 顯示的環(huán)境數(shù)據(jù)作對(duì)比可知，系統(tǒng)的通信功能測(cè)試正常。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了Wi-Fi 通信功能。

(4)當(dāng)時(shí)間在早5 點(diǎn)至晚21 點(diǎn)之間，光照強(qiáng)度<200lx以下時(shí)，開(kāi)啟三組照明燈給養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部補(bǔ)光；光照強(qiáng)度在200～300lx 時(shí)，開(kāi)啟二組照明燈給養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部補(bǔ)光；光照強(qiáng)度在300～400lx 時(shí)，開(kāi)啟二組照明燈給養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部補(bǔ)光；光照強(qiáng)度>400lx 時(shí)，光照足夠，養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部不需要補(bǔ)光，關(guān)閉所有照明燈。當(dāng)時(shí)間在晚21 點(diǎn)至早5 點(diǎn)之間時(shí)，養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部不需要補(bǔ)光，關(guān)閉所有照明燈。

5 結(jié)論

智能養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境中的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，以防環(huán)境變化對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)造成不利影響，并且大大減輕了養(yǎng)殖人員的工作量[5]。上述設(shè)計(jì)具有性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉、操作方便、經(jīng)濟(jì)效益良好等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)的應(yīng)用具有較高的使用價(jià)值，在養(yǎng)殖領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。