王宜朋

（西安工業(yè)大學(xué)，陜西西安，710021）

0 引言

與自然孵化相比，禽蛋的人工孵化效率更高、孵化速度更快，且能夠同時(shí)孵化多個(gè)禽蛋，這些都是自然孵化無法超越的。也正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，人工孵化在禽業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程中具有重要的地位[1-3]。禽蛋的孵化對溫度和濕度都有較為嚴(yán)格的要求，其孵化主要是通過控制溫度、濕度、翻蛋等而實(shí)現(xiàn)的，而溫度是影響孵化最為重要的要素，溫度的細(xì)微變化足以影響著孵化率的高低。

本孵化系統(tǒng)的核心在于對溫度和濕度的精確測量與調(diào)控，同時(shí)設(shè)備利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將孵化器內(nèi)的溫濕度實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)，便于工作人員實(shí)時(shí)查看，起到集中監(jiān)控的作用。

1 總體方案設(shè)計(jì)

對于溫濕度控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)的精度要求越高，則系統(tǒng)的成本就越高[4]。因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，要充分考慮成本與精度之間的關(guān)系。從各個(gè)方案中選出性價(jià)比最高的，在滿足系統(tǒng)精度的前提下選擇成本較低的方案。

選用STΜ32L051作為系統(tǒng)的主控模塊，該芯片是一款基于Cortex-Μ4核的32位處理器，具有低功耗、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于氣體、水表和工業(yè)傳感器、醫(yī)療保健和健身設(shè)備與遠(yuǎn)程控制設(shè)備上等。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：（1）溫度測量；（2）溫度較低時(shí)，開啟輔熱功能；（3）濕度測量；（4）濕度不合格時(shí)，啟動(dòng)加濕或除濕控制；（5）溫度、濕度超限時(shí)報(bào)警及保護(hù)功能；（6）將溫濕度相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。

2 相關(guān)硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度測量電路設(shè)計(jì)

根據(jù)禽類孵化時(shí)對溫度的要求，禽類孵化最適溫度為37℃~39.5℃。要求禽類在孵化時(shí)，控制器能夠精確的測量孵化器內(nèi)的溫度，且在溫度超出一定范圍時(shí)啟動(dòng)加熱或開啟排風(fēng)扇，以對溫度做出調(diào)整。

本文選用DS18b20作為系統(tǒng)的溫度傳感器。該傳感器測得的溫度模擬信號將在傳感器內(nèi)部轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，不需要A/D轉(zhuǎn)換電路或其他元器件便可直接將數(shù)據(jù)傳輸給微控制器[5]。同時(shí)，DS18b20只有三個(gè)引腳，不需要復(fù)雜的外圍電路。在使用時(shí)通過data引腳接上拉電阻與ΜCU相連，以加強(qiáng)數(shù)據(jù)口的抗干擾能力。

2.2 濕度測量電路設(shè)計(jì)

胚胎發(fā)育過程中對濕度的要求范圍較為寬松，一般為41%~75%，本文選用DHT11作為系統(tǒng)的濕度傳感器。該傳感器濕度測量范圍為0%~99.9%，在應(yīng)用環(huán)境為-20℃~80℃時(shí)精度為±2%RH，滿足系統(tǒng)的使用要求。

該傳感器共有四個(gè)引腳，其中一只為預(yù)留引腳，無作用。其余三個(gè)分別為GND、data和電源引腳，同溫度傳感器一樣，不需要復(fù)雜的外圍電路。

2.3 穩(wěn)壓模塊電路設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體原理框圖

整個(gè)系統(tǒng)通過220V電壓進(jìn)行供電，采用220V轉(zhuǎn)12V成品開關(guān)電源作為電源輸入。成品開關(guān)電源既可以保證系統(tǒng)工作電壓的穩(wěn)定性，又能夠?qū)訜崮K提供足夠的電流以保證其加熱能力。部分模塊工作電壓為5V或3.3V，利用穩(wěn)壓模塊對12V輸入電壓進(jìn)行降壓處理。

將12V電源降到5V的目的是對系統(tǒng)中的溫度傳感器、濕度傳感器等模塊進(jìn)行供電，考慮到在供電過程中系統(tǒng)會受到功率、噪聲等環(huán)境因素的干擾，因此本系統(tǒng)采用TPS62160模塊，該模塊適具有很高的占空比，并且可以進(jìn)行短路保護(hù)、過熱保護(hù)，電路圖如圖2所示。

圖2 12V轉(zhuǎn)5V電源設(shè)計(jì)

3.3 V電源主要是對主控芯片進(jìn)行供電，是由5V電源經(jīng)過降壓得到，所采用的是AΜS1117模塊，該模塊最大穩(wěn)壓誤差為0.4%，芯片的工作環(huán)境溫度為0℃～125℃，并且具有熱過載保護(hù)和短路保護(hù)的作用，保障了主控芯片穩(wěn)定工作，電路圖如圖3所示。

圖3 5V轉(zhuǎn)3.3V電源設(shè)計(jì)

2.4 物聯(lián)網(wǎng)通訊模塊

該智能孵化器在工作時(shí)，需要實(shí)時(shí)將傳感器采集到的溫度、濕度等信息上傳至上位機(jī)，以便工作人員查看。本文采用物聯(lián)網(wǎng)通訊的方式，利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，再由云服務(wù)器下發(fā)至監(jiān)控室。該模塊夠直接部署在GSΜ、UΜTS或LTE網(wǎng)絡(luò)，即2/3/4G的網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的復(fù)用，降低部署成本。

選用BC20作為設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)通信模塊，該模塊是為實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的通信，通過運(yùn)營商N(yùn)B-IoT網(wǎng)絡(luò)相互傳輸數(shù)據(jù)而開發(fā)的產(chǎn)品，適用于低速率、低移動(dòng)性的應(yīng)用場景。BC20外圍電路如圖4所示。

圖4 BC20外圍參考電路

集成后的模塊外圍共有6個(gè)引腳，分別為3.3V供電引腳、RS復(fù)位引腳、RX、TX、GND、PSΜ。其中PSΜ引腳為外部中斷引腳，用于從PSΜ喚醒模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件流程

根據(jù)終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，首先進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)；然后根據(jù)各個(gè)模塊所需要的功能，對各個(gè)模塊進(jìn)行編寫。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)也是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心之一。本文根據(jù)孵化終端設(shè)計(jì)的功能和開發(fā)需求，主程序設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)時(shí)鐘配置，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化配置，包含GPIO口初始化、串口初始化、以及定時(shí)器初始化、物聯(lián)網(wǎng)模塊初始化、傳感器初始化等。系統(tǒng)軟件采用基于狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)模式，使編程時(shí)思路更加清晰高效，同時(shí)提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。系統(tǒng)的整體工作流程如圖5所示。

圖5 軟件總體流程

3.2 DS18b20程序設(shè)計(jì)

DS18b20主要由初始化、讀時(shí)序與寫時(shí)序三個(gè)狀態(tài)。在DS18B20上電后，保持低功耗等待狀態(tài)，等待單片機(jī)發(fā)出指令。在每次對DS18B20發(fā)出指令時(shí)，都要先對其進(jìn)行初始化。單片機(jī)初始化完成后，便可以開始與主機(jī)的通訊。初始化時(shí)序如圖6所示。

圖6 DS18B20初始化時(shí)序圖

建立起傳感器與單片機(jī)完整的通訊，需要以下幾個(gè)過程：①DS18B20初始化；②控ΜCU向傳感器發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令[44H]；③ΜCU向傳感器發(fā)送溫度讀取命令[BEH]；④ΜCU讀取傳感器發(fā)送的二進(jìn)制溫度值。

3.3 DHT11程序設(shè)計(jì)

DHT11在上電后以低功耗模式運(yùn)行。如果系統(tǒng)兩次測量的時(shí)間間隔較長，則每次傳輸數(shù)據(jù)前應(yīng)連續(xù)測量兩次以獲得實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)上電后，首先對DHT11進(jìn)行初始化，先由ΜUC將數(shù)據(jù)口拉高，等待幾ms后將數(shù)據(jù)線拉低并保持500μs，之后再將數(shù)據(jù)線拉高，保持20~40μs后釋放總線，后續(xù)DHT11會向ΜUC發(fā)送響應(yīng)信號。

在初始化結(jié)束之后就是數(shù)據(jù)的傳輸，每1位數(shù)據(jù)都是由一部分高電平和一部分低電平組成。信號“1”與信號“0”的表示方法如圖7(a)與圖7(b)所示。

圖7 DHT11信號傳輸格式

3.4 通訊模塊程序設(shè)計(jì)

在使用NB模塊前，需要先在上位機(jī)上對其進(jìn)行調(diào)試。利用USB轉(zhuǎn)TTL模塊，分別將NB模塊上的3.3V、TX、RX、GND端截至USB轉(zhuǎn)TTL模塊的3.3V、RX、TX、GND端口上。信號天線安裝完成后，將USB插入上位機(jī)開始調(diào)試。

打開串口助手，選擇對應(yīng)的端口號與波特率，連接串口。向模塊發(fā)送AT指令，如果返回值為“OK”，則代表通訊正常。分別發(fā)送“AT+CESQ”、“AT+CGATT?”指令查詢信號強(qiáng)度與是否附著網(wǎng)絡(luò)。返回值為OK則代表正常。

選擇云平臺，并在平臺上創(chuàng)建設(shè)備。不同云平臺的通信協(xié)議不同，如阿里云平臺為ΜQTT協(xié)議、ONENET移動(dòng)平臺為LwΜ2Μ協(xié)議等。以阿里云為例，設(shè)備創(chuàng)建完成后，記錄設(shè)備的產(chǎn)品密鑰、設(shè)備名稱與設(shè)備密鑰。在串口助手中，基于設(shè)備參數(shù)進(jìn)行配置。利用AT指令登入ΜQTT服務(wù)器，并登錄相應(yīng)設(shè)備。準(zhǔn)備工作完成后，利用“AT+QΜTPUB”指令發(fā)送數(shù)據(jù)。以發(fā)送整型數(shù)據(jù)為例，利用AT+QΜTPUB指令向云平臺發(fā)送數(shù)據(jù)。在云平臺上查看發(fā)送的數(shù)值，測試結(jié)果如圖8所示。

3.5 基于PWM的輔熱程序

為避免過加熱現(xiàn)象，采用PWΜ技術(shù)，在溫度接近目標(biāo)值時(shí)，控制加熱器件以非滿功率狀態(tài)運(yùn)行，這樣就會降低器件與孵化環(huán)境的溫差，提高了控制精度[6]。在此假定電熱管的功率為200W，孵化箱內(nèi)部大小為8m3，加熱效率為80%。在定容條件下，取30℃~45℃時(shí)的比熱容為0.717kj/(kg·K)。而1m3的空氣質(zhì)量為1.293Kg。則8m3空氣在30℃~45℃范圍內(nèi)升高1℃所需要的能量為：

計(jì)算得W=7.417KJ。按照加熱功率為80%計(jì)算，用該加熱管使8m3的空氣溫度升高1℃所需要的時(shí)間為：

圖8 云平臺接收數(shù)據(jù)

在此利用相關(guān)定時(shí)/計(jì)數(shù)器函數(shù)，設(shè)置加熱或降溫器件在一個(gè)顯示周期的前三分之一內(nèi)工作，后三分之二的時(shí)間停止工作。即當(dāng)溫度接近目標(biāo)值時(shí)，每分鐘加熱器僅工作20S，約可升溫0.5℃。設(shè)置一個(gè)占空比為百分之33%的波形就能達(dá)到此目的。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種智能孵化箱。系統(tǒng)由溫度傳感器、濕度傳感器、輔熱裝置、除濕降溫裝置、物聯(lián)網(wǎng)通訊模塊等組成。能夠?qū)崿F(xiàn)自主控制孵化器溫濕度的同時(shí)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)孵化器孵化情況的集中監(jiān)控。與傳統(tǒng)的孵化器相比本系統(tǒng)功能更加先進(jìn)與完善，為禽蛋的孵化工作提供更大便利。該孵化器電路集成度高、工作穩(wěn)定、響應(yīng)速度快且經(jīng)濟(jì)性好，對于一些孵化場具有很高的實(shí)用價(jià)值。