楊夢迪　麥歡歡　葛宏義

摘? 要：為打造更好的家兔養(yǎng)殖環(huán)境，提高家兔養(yǎng)殖效率，設(shè)計一套智能家兔產(chǎn)箱。利用傳感器對家兔養(yǎng)殖環(huán)境進行檢測，利用MQTT協(xié)議將單片機與物聯(lián)網(wǎng)云平臺相連接對產(chǎn)箱進行監(jiān)控和反饋，實現(xiàn)監(jiān)控家兔產(chǎn)箱中環(huán)境的溫濕度、有害氣體濃度、光照強度以及兔糧的消耗等，實現(xiàn)風機自動通風、自動清糞以及自動喂糧等功能。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對家兔產(chǎn)箱的智能化監(jiān)測，可以幫助家兔養(yǎng)殖人員提高養(yǎng)殖效率，降低人力成本，實現(xiàn)智能化的養(yǎng)殖管理。

關(guān)鍵詞：畜牧業(yè)；家兔養(yǎng)殖；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；Arduino

中圖分類號：TP273+.4 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）20-0045-05

Design and Implementation of an Intelligent Rabbit Whelping Box System Based on Arduino

YANG Mengdi， MAI Huanhuan， GE Hongyi

（College of Information Science and Engineering， Henan University of Technology， Zhengzhou? 450001， China）

Abstract： In order to create a better rabbit breeding environment and improve the efficiency of rabbit breeding， this paper designs a set of intelligent rabbit whelping box. It uses sensors to detect the rabbit breeding environment and uses the MQTT protocol to connect the Single-Chip Microcomputer to the IoT cloud platform to monitor the rabbit whelping box and provide feedback. It can monitor the temperature and humidity， harmful gas concentration， light intensity， and the consumption of rabbit food in the rabbit whelping box， and can automatically perform fan ventilation， automatic manure cleaning， and automatic food feeding and other functions. The experimental results show that the system can achieve intelligent monitoring of rabbit whelping box， help rabbit breeders improve breeding efficiency， reduce labor costs， and achieve intelligent breeding management.

Keywords： animal husbandry; rabbit breeding; Internet of Things technology; Arduino

0? 引? 言

近兩年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，畜牧業(yè)養(yǎng)殖模式改革，養(yǎng)殖技術(shù)智能化水平的提升以及信息化的廣泛應(yīng)用，家兔的商業(yè)價值日趨凸顯，市場開發(fā)價值非?？捎^，我國的養(yǎng)兔業(yè)已從傳統(tǒng)的農(nóng)戶養(yǎng)殖向規(guī)?；B(yǎng)殖方向發(fā)展，由于家兔養(yǎng)殖基數(shù)龐大，部分養(yǎng)殖戶使用的傳統(tǒng)粗放型養(yǎng)殖效率低、風險高、污染程度高，不能準確監(jiān)控家兔的健康，這樣容易引起家兔群體的疾病和感染[1]。針對這種情況，我國逐步實現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)，大力推進“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代畜牧業(yè)，例如于暢《基于物聯(lián)網(wǎng)的家兔智能養(yǎng)殖系統(tǒng)的研究》中的智能養(yǎng)殖系統(tǒng)非常全面地實現(xiàn)了自動喂養(yǎng)、自動清糞、環(huán)境自動調(diào)控和信息管理四個部分。其中信息管理部分包基于C/S架構(gòu)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、基于B/S體系結(jié)構(gòu)管理系統(tǒng)的遠程管理，及移動端及控制模塊測試，并且通過無線傳輸?shù)姆绞?，將傳感器?jié)點以及控制系統(tǒng)和用戶的訪問終端進行連接，然后用戶就可以通過電腦端和手機端控制管理養(yǎng)殖場的設(shè)備以及監(jiān)控養(yǎng)殖場的環(huán)境信息實現(xiàn)了對養(yǎng)殖場的信息管理[2]。李士軍等人在《基于物聯(lián)網(wǎng)的家兔標準化養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)》中利用ZigBee的方式，通過網(wǎng)絡(luò)將養(yǎng)殖數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器，同時視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以收集兔舍的視頻信息的數(shù)據(jù)，并且可以在遠程終端顯示[3]。然而美中不足的是，大多數(shù)研究針對的規(guī)?；B(yǎng)殖場進行的自動化設(shè)計，而我國兔子養(yǎng)殖業(yè)形式是以規(guī)模化兔場和分散式養(yǎng)殖并存的方式，如文獻[4]提到母兔存欄500只以下的小規(guī)模兔場，其出欄合計占到65.69%，其中庭院式養(yǎng)殖的出欄量還占到29.70%[4]。對于中小型散戶常常沒有足夠大的空間或經(jīng)濟實力去負擔實現(xiàn)比較大型的或比較昂貴的智能化養(yǎng)殖裝置。

為了更好地提高家兔養(yǎng)殖信息化建設(shè)，促進中小型散戶家兔養(yǎng)殖效率提升，需要降低養(yǎng)殖成本，減少智能化操作復(fù)雜度，給中小型散戶家兔養(yǎng)殖提供經(jīng)濟耐用型的智能化養(yǎng)殖設(shè)備。本文在總結(jié)前人的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，結(jié)合家兔養(yǎng)殖的環(huán)境要求，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用各類傳感器通過Wi-Fi通信模塊，利用MQTT協(xié)議上傳環(huán)境數(shù)據(jù)至云端服務(wù)器，能夠?qū)?shù)據(jù)信息完整的提供給養(yǎng)殖戶，并且利用手機、電腦遠程實時監(jiān)控，可實現(xiàn)通風、遠程提醒等多項功能，從而提高家兔養(yǎng)殖的精細化，達到智慧化家兔養(yǎng)殖管理的目標。

1? 系統(tǒng)整體設(shè)計構(gòu)架

如圖1所示，智能家兔產(chǎn)箱整體系統(tǒng)架構(gòu)分為三個層次，首先是由Arduino開發(fā)板、傳感器模塊和無線通信模塊構(gòu)成的設(shè)備端進行異構(gòu)數(shù)據(jù)的收集與傳送，其次是物聯(lián)網(wǎng)云平臺接入端進行數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)儲，最后是物聯(lián)網(wǎng)云端對收集的異構(gòu)數(shù)據(jù)位置和類型進行處理分析，分析過程主要是將收集的數(shù)據(jù)值與預(yù)先設(shè)定的閾值進行比對，如若在某一范圍內(nèi)超出或低于閾值，則進行相應(yīng)的自動化操作，與此同時將收集到的數(shù)據(jù)進行可視化顯示，直觀明了的觀察當前環(huán)境數(shù)據(jù)變化。在此次系統(tǒng)設(shè)計過程中，主要考慮家兔養(yǎng)殖的關(guān)鍵環(huán)境因素，從家兔各個生長階段進行分析，對環(huán)境數(shù)據(jù)以及喂養(yǎng)過程進行監(jiān)控，通過數(shù)據(jù)分析，結(jié)合現(xiàn)代化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，從而達到智慧化養(yǎng)殖的目的。

2? 硬件設(shè)計

系統(tǒng)整體分為兩部分，一部分是硬件部分，集合傳感器、自動化及攝像監(jiān)控顯示等部件；另一部分是軟件部分，對傳感器設(shè)置相應(yīng)代碼程序，要符合系統(tǒng)設(shè)計的需求，將對應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，在終端顯示環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)模型如圖2所示。整體功能主要為，溫濕度傳感器對周圍環(huán)境的溫度和濕度進行監(jiān)測，當環(huán)境溫濕度超出設(shè)定范圍值，會向養(yǎng)殖戶推送相應(yīng)的警告信息，并且進行自動化操作，例如溫度過高會觸發(fā)風扇開關(guān)進行降溫；有害氣體傳感器包括氨氣傳感器和硫化氫傳感器，當兔子糞便堆積到一定程度時會產(chǎn)生氨氣和硫化氫氣體，對兔子的生長造成危害，此時會觸發(fā)風扇和清糞器開關(guān)進行通風和糞便的處理；稱重傳感器是通過監(jiān)測當前兔糧盆中兔糧的重量，當?shù)陀谠O(shè)定值時，會觸發(fā)投喂器的開關(guān)，自動進行飼料的投喂；利用光照傳感器上傳的數(shù)據(jù)可以幫助養(yǎng)殖戶分析是否對兔子進行適當?shù)姆硼B(yǎng)；監(jiān)控攝像頭可以幫助養(yǎng)殖戶實時查看產(chǎn)箱內(nèi)的情況。

2.1? 主控芯片

Arduino具有開放源碼的硬件平臺，可以使用C語言進行環(huán)境開發(fā)，并且Arduino能夠通過數(shù)字引腳和模擬引腳來讀取各類傳感器的信號，也能通過其來對其他設(shè)備進行操控。在眾多Arduino中選擇了UNO，是因為它采用了ATMega8U2單片機替代了原有的USB轉(zhuǎn)串口芯片F(xiàn)T232RL，使得下載速度更快更穩(wěn)定，并且具有14個數(shù)字雙向IO和6個模擬引腳。而且UNO所使用的芯片功耗低，性能強，可以在單個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行功能強大的指令[5]。表1為主控芯片與傳感器的引腳接線表。

2.2? 傳感器硬件參數(shù)

針對此次系統(tǒng)設(shè)計，選擇溫濕度傳感器不僅尺寸要小，而且性能相對穩(wěn)定，測量誤差不會太大，經(jīng)過對比，最終選擇了DHT11溫濕度傳感器。它體積靈巧、能耗低、電壓低、穩(wěn)定性較強，性能可靠并且相對穩(wěn)定。它的溫度測量范圍在-20～60 ℃之間，誤差±2 ℃；濕度測量范圍在5%RH至95%RH之間，誤差±5%RH[6]。

MQ136氣體傳感器能夠有效地檢測出當前空氣中的硫化氫氣體，能夠檢測1×10-6到200×10-6的濃度，對其他含硫氣體的檢測也很理想，適用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，并且該傳感器使用功耗低、壽命長、費用低以及控制電路簡單的優(yōu)點。

MQ137氣體傳感器能夠有效地檢測出當前空氣中的氨氣氣體，能夠檢測5×10-6到500×10-6的氨氣濃度，它也非常適合監(jiān)測其他有機胺。同時該傳感器對其他含硫氣體的檢測也很理想，是一種非常實用的經(jīng)濟型傳感器[7]。

家兔產(chǎn)箱由于體積大小，所以要選用使用年限長，成本低，精度較高的光照傳感器，經(jīng)過篩選對比，最終選擇了GY-30光照傳感器。它采用的是BH1750FVI芯片，對光照亮度能夠精度確定，它的檢測范圍從1勒克斯至655 351勒克斯，滿足系統(tǒng)設(shè)計的需求。

針對兔糧盆的大小，經(jīng)過篩選，最終選擇了基于HX711芯片的稱重傳感器。HX711能夠?qū)D信號轉(zhuǎn)換成重量數(shù)據(jù)，將電壓調(diào)節(jié)器、片上時鐘振蕩器等集合起來，具有集成度高、響應(yīng)時間快、抗干擾能力強以及測量精度高等優(yōu)點。降低了稱重傳感器的綜合成本，提高了整機的性能和可靠性。

2.3? 通信傳輸硬件

當前常見的物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸方式有Wi-Fi、藍牙、ZigBee、NFC等，信號范圍通常都為短距離，現(xiàn)在大多數(shù)中小型農(nóng)戶兔舍都會裝有無線局域網(wǎng)，考慮到實用性，本項目選擇了通過Wi-Fi進行數(shù)據(jù)的無線傳輸，最終使用了ESP8266-01S作為本次系統(tǒng)設(shè)計的Wi-Fi通信模塊，該模塊具有即插即用，不用焊接，功耗低的優(yōu)點[8]。

2.4? 產(chǎn)箱監(jiān)控硬件

監(jiān)控模塊為了能和主控芯片適配，選擇了可以與Arduino連接的攝像頭OV7620。OV7620模塊是Arduino中常用的攝像模塊，通過使用indrekluuk庫文件，在Arduino IDE中編寫的一個連接程序，然后由模塊OV7620獲取圖像，再進行圖像處理，最后將圖像傳輸?shù)絾纹瑱C。模塊也支持如曝光控制、放大、白平衡等基礎(chǔ)操作。支持各種圖像編碼選項（YUV，各種類型的RGB），數(shù)據(jù)傳輸使用SCCB協(xié)議進行。

2.5? 自動化設(shè)計

為了可以提供合適的環(huán)境，添加了風扇、燈泡以及舵機等設(shè)備，當產(chǎn)兔箱周圍環(huán)境指標超過一定范圍內(nèi)，可通過一些自動化設(shè)計來方便養(yǎng)殖人員的管理。根據(jù)產(chǎn)兔箱大小，選擇適當?shù)娘L機對產(chǎn)箱進行通風，通過繼電器控制，編寫代碼進行自動化操控。并在產(chǎn)箱上方安裝燈泡，通過遠程控制可以在夜晚對產(chǎn)箱內(nèi)情況進行查看。系統(tǒng)中的投喂裝置利用L298N電機驅(qū)動模塊和舵機對飼料孔進行開關(guān)控制，自動清糞裝置由L298N電機驅(qū)動模塊控制，當達到一定時間將會自動把托糞板上的兔子糞便利用舵機擋板進行掃除。

3? 家兔產(chǎn)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1? 硬件部分程序設(shè)計

DHT11溫濕度模塊使用的是單總線雙向串行通信協(xié)議，首先在使用DHT11模塊之前，需要對其進行初始化，其次將DATA引腳接入單片機，接上VCC和GND通電即可對溫濕度進行測量，最后通過單片機把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為溫濕度數(shù)據(jù)。程序流程圖如圖3所示。

HX711重力傳感器模塊的上下表面有一個應(yīng)變片，每個應(yīng)變計中有兩個壓力電阻。這使得總共有4個壓力電阻器，構(gòu)成一個完整的電橋電路。稱重傳感器通過檢測壓力變化，輸出壓電信號，經(jīng)電壓放大、低通濾波調(diào)節(jié)電路放大、解耦后，送入采集模塊，由單片機控制數(shù)據(jù)的采集和顯示。HX711程序流程圖如圖4所示。

攝像頭模塊OV7620通過I2C總線進行設(shè)置，當幀寫入FIFO時，微控制器根據(jù)定時要求在FIFO腳上產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖，圖像數(shù)據(jù)可以從FIFO讀出，并以一定的格式存儲在存儲器中進行進一步處理。OV7620程序流程圖如圖5所示。

氨氣傳感器和硫化氫傳感器，連接單片機之前，不能直接反映出當前空氣的ppm值，因為傳感器電壓和氣體濃度有一個轉(zhuǎn)換關(guān)系，所以在測量前，先對傳感器進行24小時預(yù)熱，預(yù)熱之后經(jīng)過氣體校準測出負載電阻RL的值，然后根據(jù)說明書里的R0值，根據(jù)公式：

Rs = （Vc / VRL - 1）×RL? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

再通過對應(yīng)的氣體濃度轉(zhuǎn)換函數(shù)：

ppm = 613.9f×pow （Rs / R0，-2.074f ）? ? ? （2）

進行計算得出當前氣體的濃度值，其中ppm為可燃氣體的濃度；VRL為電壓輸出值；Rs為器件在不同氣體，不同濃度下的電阻值；R0為器件在潔凈空氣中的電阻值；RL為負載電阻阻值。

GY-30是基于BH1750F的光照傳感器，它通過I2C總線協(xié)議與主控芯片進行通信，將BH1750寄存器中的光照數(shù)據(jù)利用時鐘線和數(shù)據(jù)線進行輸出。其步驟為：首先經(jīng)過電信號傳送，接著傳輸測量指令，待測量完成后將數(shù)據(jù)存儲并得出相應(yīng)的結(jié)果。

3.2? 接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺的設(shè)計

現(xiàn)在國內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)云平臺有中國移動OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺、阿里云平臺、華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺等，本次系統(tǒng)設(shè)計選擇了中國移動OneNET云平臺，OneNET云平臺在網(wǎng)絡(luò)連接通道方面非常具有優(yōu)勢，能夠更好地為智能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)作支撐[9]。

本系統(tǒng)設(shè)計就是在OneNET云平臺上搭建產(chǎn)品設(shè)備，將本地家兔產(chǎn)箱的環(huán)境數(shù)據(jù)與云端連接起來。搭建步驟如下：首先在云平臺上注冊賬號，進行實名認證，可以創(chuàng)建多個產(chǎn)品，方便以后的調(diào)試，然后進入控制臺，選擇接入物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的方式，我們此次系統(tǒng)選擇了泛協(xié)議接入，然后進行產(chǎn)品的創(chuàng)建，添加設(shè)備，然后再在設(shè)備中配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)流和觸發(fā)器，最后再應(yīng)用中設(shè)計遠程環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的界面。

3.3? 無線通信模塊與OneNET連接設(shè)計

首先將ESP8266-01S模塊與Arduino連接，連接完成之后對ESP8266-01S模塊進行測試，根據(jù)其說明文檔，使用AT命令測試模塊是否正常工作，再對模塊的工作模式進行配置，模塊共有三種工作模式：客戶端模式、接入點模式和兩種模式共存，在此我們選擇客戶端模式（即Station模式），指令返回OK后輸入A+CWJAP=，接到設(shè)定的Wi-Fi，然后根據(jù)平臺的提供的地址和端口號，將模塊與云平臺進行連接。此系統(tǒng)設(shè)計中，我們使用的是MQTT協(xié)議，要在OneNET上選擇對應(yīng)中心平臺IP地址183.230.40.39及其端口6002。然后設(shè)置函數(shù)set_ESP8266（），由AT命令使Wi-Fi連接路由器和OneNET云平臺[10]。

設(shè)備完成連接鑒權(quán)之后，獲取傳感器數(shù)據(jù)的值，按照協(xié)議文檔中的固定格式打包，再與服務(wù)器進行通信傳輸數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)布到系統(tǒng)的Topic上，最后再將采集到的數(shù)據(jù)在用戶建立的產(chǎn)品設(shè)備數(shù)據(jù)流中顯示。

3.4? 遠程終端界面的設(shè)計

當采集到的數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺時，可以創(chuàng)建相應(yīng)的應(yīng)用，對于不同的傳感器數(shù)據(jù)選擇不同的表現(xiàn)形式，如儀表盤和折線圖，相對于溫濕度和光照強度來說，使用儀表盤會讓數(shù)據(jù)看起來更為直觀，相對于兔糧數(shù)據(jù)，則使用折線圖則會能清楚顯示兔糧在一定時間內(nèi)的變化，從而得出家兔的飼料用量，當兔糧低于一定值時，則會觸發(fā)自動加糧功能。對于氨氣傳感器數(shù)據(jù)和硫化氫傳感器數(shù)據(jù)，使用折線圖也會更能清楚得到養(yǎng)殖戶想要的信息。

首先登錄OneNET云平臺，進入控制臺，打開數(shù)據(jù)可視化View，其次，新建可視化項目“智能家兔產(chǎn)箱”，接著在項目內(nèi)創(chuàng)建電腦端頁面和移動端頁面，最后，設(shè)定相應(yīng)的取值范圍和警報閾值。因為OneNET的應(yīng)用編輯經(jīng)過改版升級為View數(shù)據(jù)可視化設(shè)計，所以在接入設(shè)備數(shù)據(jù)的方式也有所變化，需要先設(shè)定數(shù)據(jù)源以及數(shù)據(jù)模型。設(shè)定數(shù)據(jù)模型的關(guān)鍵步驟是填寫正確的產(chǎn)品ID和鑒權(quán)信息，把相應(yīng)的設(shè)備以及數(shù)據(jù)流進行匹配。這樣顯示出來的才會是對應(yīng)傳感器設(shè)備的值。

設(shè)定完數(shù)據(jù)源模板即可快捷方便的新增數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)源按照溫濕度、氣體濃度、光照強度和兔糧重量進行設(shè)置，最后在圖表上選擇對應(yīng)的數(shù)據(jù)源，設(shè)定數(shù)據(jù)源的時候，需要對設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)進行過濾，否則容易造成數(shù)據(jù)丟失。在數(shù)據(jù)界面新建私有過濾器，在過濾器中編寫對應(yīng)的代碼對重量傳感器的數(shù)據(jù)進行迭代處理。圖6是電腦終端界面的設(shè)計，圖7為移動端頁面的設(shè)計。

圖6? View可視化設(shè)計—電腦端

圖7? View可視化設(shè)計—移動端

4? 系統(tǒng)測試

通過對基于Arduino的智能家兔產(chǎn)箱系統(tǒng)的整體測試，通過傳感器可以將家兔產(chǎn)箱環(huán)境數(shù)據(jù)通過通信模塊上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺，產(chǎn)箱內(nèi)的溫濕度、光照強度、氨氣氣體含量、硫化氫氣體含量以及兔糧重量等數(shù)據(jù)都可以在遠程監(jiān)控界面上顯示。當檢測到環(huán)境數(shù)據(jù)超過設(shè)定的數(shù)值時，可以迅速地收到警告信息。自動化設(shè)備如風機也可以在某一環(huán)境數(shù)值超過指定范圍時進行啟動，簡易的進行通風的工作。同樣可以通過云平臺控制臺對歷史數(shù)據(jù)進行查看，通過對數(shù)據(jù)進行分析，來制定合適的養(yǎng)殖計劃。通過對基于Arduino的智能家兔產(chǎn)箱系統(tǒng)的整體測試結(jié)果為：所有模塊可正常工作，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計的需求。

5? 結(jié)? 論

此次基于Arduino的智能家兔產(chǎn)箱系統(tǒng)的設(shè)計具有成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單，易于操作等特點，可以將家兔產(chǎn)箱內(nèi)的環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)進行收集，通過通信模塊上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺服務(wù)器，在網(wǎng)頁端的監(jiān)控界面可以清晰明了地的對當前環(huán)境數(shù)據(jù)進行顯示，當環(huán)境數(shù)據(jù)超過既定閾值時，可以觸發(fā)警報和自動化設(shè)備的啟動，進行相應(yīng)的通風換氣以及自動化照明。

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作者簡介：楊夢迪（1998—），男，漢族，河南許昌人，本科在讀，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程。

收稿日期：2023-02-18

基金項目：2021年度河南省高等教育教學改革研究與實踐項目（2021SJGLX393）