【IoT毕设.2】STM32F407单片机+机智云AIoT+猪舍监测与系统总体方案设计

第一篇内容：绪论，研究的意义和内容

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第二篇内容：系统总体方案设计

系统总体方案设计包括系统需求分析、方案设计、微处理器选型、通信方式选型以及云平台选型。其中，正确的分析系统需求是系统开发中非常重要的步骤[29]。进一步从需求出发，才能设计出贴合实际的系统方案。

 

2.1 系统需求分析

需求分析主要针对猪舍环境、猪只本身、饲养员工作强度、安全因素等方面进行考虑，分为环境因素、猪只个体因素以及其他因素。

 

2.1.1  环境因素

适宜、稳定的猪舍环境是猪只生长的重要条件，也是提高养殖效益的重要保障。影响猪只生长的环境因素主要包括猪舍内部的小环境和猪舍所处不同地域及季节形成的大环境[30]，在本文中主要针对猪舍小环境进行讨论。小环境通常包括环境温度、相对湿度、光照强度、空气中的有害气体等，这些环境因素对猪只生长起着至关重要的作用。

 

1、温度因素

温度是影响猪只生长的重要因素之一。猪只是体温恒定的哺乳动物，它通过皮肤感受温度变化，通过神经-内分泌系统调节产热和散热[31]。当环境温度较高时，猪只会加快呼吸频率、增加出汗、减少采食来增加散热，导致体重增长缓慢。当环境低于猪只体温时，猪只为增加产热，主要表现为进食量增大。但是为了维持体温，部分饲料会被转化为热量，从而导致体重增长缓慢。

综上所述，维持猪舍小环境的温度稳定对于猪只的生长发育至关重要，温度监测和调节功能必不可少。

 

2、湿度因素

猪舍内湿度变化对于猪只生长影响是建立在温度基础上的，与温度协同作用，主要表现为影响猪只散热。当环境高温时，高湿度将增加体感温度，会导致环境中病原微生物的繁殖，增加猪只患病风险；当环境低温时，高湿度会导致体感温度降低，维持体温需要大量热量，导致饲料利用率低[32]，造成猪只生长缓慢，经济效益低下。

研究表明，猪只适宜的生长温度为23℃左右，仔猪生长温度为29℃左右，湿度在55%-70%[33]。由此可见，对湿度的监测和调节对猪只的生长发育也很重要。

 

3、光照因素

光照对猪只健康生长起促进作用。适宜的光照能够促进猪只进食和消化，促进蛋白质和脂肪转化，还能促进维生素合成，有利于猪只的生长发育[34]。研究表明，猪只增长同样的体重，每天光照16小时比每天光照8小时要快的多。其原因是长时间的光照促进了猪只进食，增加了脂肪的累积，加速了猪只出栏的速度，所以增加光照时间能显著提高猪只的生长性能。同时适当的光照也有利于猪舍湿气的挥发，红外光能够提高猪只皮肤表面的温度，紫外光能够有效灭杀细菌。

 

我国各地区所处纬度不同，光照时长不一致；随着时间、天气、季节等变化，光照强度也受到很大的影响。因此，设计监测环境光照强度并自动开灯的功能很有必要。

 

4、空气质量因素

猪舍内的空气质量不仅严重影响猪只健康生长，还会对长期活动在猪舍的饲养员造成一定伤害。在猪舍内若是有未及时清理的饲料以及粪便等就会产生一些有害气体，如氨气、硫化氢、甲烷等。其中氨气是危害最大的一个因素，该气体具有强烈的刺激性气味，对呼吸道、眼睛粘膜都会造成一定的伤害[35]。若能有效监测猪舍内氨气浓度，并及时通知饲养员进行处理，可以有效提高猪只健康率，因此监测猪舍内氨气浓度极为重要。

 

2.1.2  猪只个体因素

猪只的行动轨迹、异常行为等信息对猪只生长分析有积极作用，例如长时间的站立、长时间的卧倒等情况都能帮助饲养员及时发现猪只情况。目前，猪只数量、行动轨迹、体重信息以及异常行为等都需要饲养员观察并且手动记录，如果能实现猪只检测与跟踪，并且将信息反馈给饲养员，就可以大大减轻其工作量。

 

2.1.3  其他因素

除了以上分析的情况，猪舍安全也是需要考虑的问题。在猪舍无人值守时，遇到下雨、明火以及有人靠近的情况，需要提醒饲养员进行处理；考虑到饲养员不在现场但是需要了解猪舍环境、猪只信息参数并且需要手动控制电气化设备的情况，需要结合Android客户端来完成相关功能。

 

2.2 系统方案设计

确立系统需求之后，进一步设计系统总体方案，需要考虑三个问题，分别是：

1、需要监测哪些指标

针对猪舍环境，需要监测温度、湿度、氨气浓度、光照强度；另外为方便管理还需监测是否下雨、是否发生火灾、是否有行人靠近。针对猪只检测，需要得到猪只数量、猪舍内猪只所占像素点比重。因此，系统通过传感器技术监测7种环境指标，温度、湿度、光照强度、氨气浓度为数值型指标，其余三种为布尔型指标，如图2.1所示的感知控制层中最底部；通过猪只检测算法得到两种数值型指标，如图2.1所示的算法层。

 

2、用户需要控制哪些电气化设备

针对问题1中的环境指标，需设计几种电气化设备，分别是：照明灯、保温灯、换气扇、喷水泵、电动卷帘以及用于报警装置（蜂鸣器），如图2.1中感知控制层的顶部。其中照明灯用于猪舍内的辅助照明；保温灯用于提高猪舍内的温度；换气扇用于猪舍内外空气交换，降低温度；喷水泵用来增大猪舍内湿度，强效降低猪舍内温度；电动卷帘用于控制卷帘开闭；报警装置（蜂鸣器）用于报警。

 

3、选择搭建何种系统架构

根据前述的需求分析，提出“四端”结合的架构，即：服务器端、微处理器端、云端、手机APP端。其中服务器端用于猪只检测算法运行，属于算法层；微处理器端用于接收服务器端以及云端数据、监测环境要素、根据环境指标自动控制或者云端指令手动控制猪舍内电气化设备，属于感知控制层；云端作为手机端和微处理器端的通信桥梁，用于转发数据，属于服务层；手机APP端可实时查看猪舍内各数据，并发送控制指令，属于用户层。

 

本系统将计算机视觉技术、传感器技术、物联网技术、云平台技术以及手机APP相结合。通过本系统，饲养员不在现场也能通过手机APP观察猪舍内的各项参数情况，电气化设备可以根据环境参数自动控制也可通过手机APP手动控制。经过总结，设计的系统功能如表2.1所示。

 

2.3微处理器选型      

微处理器作为感知控制层的核心器件，选择一款合适的微处理器尤为重要。目前市场上主流的微处理器有：STC系列（51类单片机）、ARM系列（STM32单片机）、MSP430单片机以及arduino单片机。在选型时通过多个维度比较5个型号单片机的性能，从而选出本系统所用单片机。

上表比较了5种款式的微处理器，基于本设计，由以下五个方面确定最终选型：

(1) 资源丰富与否？资源丰富有利于功能开发与验证。

(2) 扩展性是否强？拓展性强有利于拓展更多外设资源。

(3) 开源资料多寡？开源资料多有利于缩短开发周期。

(4) 每片成本几何？低成本有利于后期的销售推广。

(5) 稳定性如何？稳定性强能够降低故障率。

 

经过多方面比较，本设计选用资源丰富、扩展性强、开源资料较多、市场评价较好的ST公司生产的STM32F407系列单片机，该单片机片上资源丰富，能够为后续的功能设计提供丰富的片上资源与外设接口。

 

本设计所选STM32F407系列单片机，CPU最高速度达到168Mhz，该产品有1MB的Flash、集成度高、可靠性强、功耗低[36]。在处理运算速度和浮点复杂运算方面性能明显优于MSP430、STC52单片机。之所以选择STM32F4系列而不是STM32F1系列，是因为前者具有更丰富的片上资源，接口丰富。一旦需求增加、功能扩展，要求接入更多的传感器或控制器件，STM32F407单片机都能轻松应对，并且向下兼容。

 

2.4 通信方式选型

物联网设备接入方式是物联网系统中设备端接入的通信桥梁，在整个系统中承担着至关重要的作用[37]，设备端接入方式主要分为有线接入以及无线接入方式。其中，有线接入方式主要应用在一些对网络环境稳定性要求较高的场所，而无线接入方式在生活场景中非常常见，例如智能家居、智能穿戴设备、监控等。两种方式各有优势，但是无线接入方式的布局更加灵活，对周围的环境要求小，不受限制，所以无线接入方式更加适合本系统。常见的无线通信方式主要包括蓝牙通信、Zigbee通信、NB-IOT以及WIFI通信。

 

蓝牙是一种短距离无线通信技术，使用频段为2.4-2.458GHZ的ISM波段[38]。它在汽车领域、工业生产以及医药领域都得到了广泛应用，还可以连接多设备并进行信息交换。其优势在于通信免费、使用方便，但是传输距离一般在10m内，安全性也有待提高。ZigBee是一种低功耗、低速率的能实现双向通信的无线通信技术[39]。它的优势在于网络时延短、工作安全可靠，但是其芯片成本高、开发周期长，而且它也是一种适用于近距离的无线通信技术。

NB-IOT的组网形式是蜂窝[40]，它适用于较远距离的户外场所以及大面积的传感器应用，传输速度在100kbps左右，但是它的网络时延处于5s-9s之间。

 

WIFI是所有IEEE802.11标准WLAN（WirelessLocalAreaNetwork，无线局域网）的名称，它的工作频段通常在2.4GHz和5GHzISM[41]。2019年，WIFI6的出现使其最高速率达到11Gbps，而且网络时延小于1S，系统实时性能得到极大保障。而且外界环境对它影响较小，空旷场景或者复杂的封闭场景都可以正常使用。

 

结合系统工作特性和研发成本考虑，使用WIFI可以使设备快速接入而且能够保证系统实时性，还能极大的节省系统的开发成本以及后期的使用费用。

 

2.5 云平台选型

云平台是本系统中至关重要的一个部分，它作为设备层以及用户层之间的通信桥梁，承担了计算、网络以及存储的功能[42]，在云平台中可以清楚的看到各设备的运行状态以及相关指令。

 

选择云平台的首要因素是稳定性，稳定的云平台才能为系统提供更大的帮助；其次是扩展性和灵活性，更多的扩展功能可以有效减少系统开发的工作量；最后是安全性，数据的安全性才能保证用户能安心使用。在物联网的大环境下，国内涌现了很多优秀的物联网云服务平台，其中机智云物联网平台、百度云、中移物联网云平台oneNET等都受到了广泛的应用。

 

在这些云平台中，每个都有自己的优势。结合本系统需求，专注于物联网自主开发的机智云平台更符合要求。它主要提供物联网设备、为智能硬件打造物联网开发以及提供运维服务。它的优势主要有：①提供多种软件开发方式，帮助开发者设计个性APP，②降低软件开发难度；提供多种开放的API，帮助开发者将设备迅速接入云端；③提供一站式服务，在没有真实设备以及自己开发的APP情况下，可以使用平台提供的虚拟设备以及调试APP进行模拟，让开发者快速体验到设计开发的乐趣。④集成了第三方推送平台，并且提供一定的免费次数，可以更大程度的帮助开发者进行多途径的推送设置。

 

它不仅为初学者提供简单、容易上手的教程，还为专业的技术开发者提供第三方技术支持。在使用过程中遇到困难时，该平台还提供大量技术文档以及活跃的技术论坛，从而帮助开发者快速、顺利的开发自己的物联网系统。综合使用成本和开发复杂度等方面，选择了机智云物联网平台作为本系统的云平台。

 

本篇从三个方面介绍了系统的需求分析，基于需求分析进一步提出了系统方案设计。本设计选择了以“四端”为中心的技术方案，即：服务器端-微处理器端-云端-手机APP端。经过选型，微处理器选择STM32F407，通信方式选择WIFI，云平台选择机智云物联网平台。

 

未完待续，下一篇内容：

STM32F407单片机+机智云AIoT+猪舍监测系统与系统硬件设计