基于機(jī)智云AIoT開發(fā)平臺(tái)多功能鴿籠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要

本智能鴿籠控制系統(tǒng)由貴州大學(xué)電氣工程專業(yè)的劉磊、王民慧設(shè)計(jì)開發(fā)完成，基于STM32+機(jī)智云AIoT云平臺(tái)設(shè)計(jì)專為賽鴿進(jìn)籠檢測的裝置，利用機(jī)智云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸交換，通過 WiFi 模塊與云端的通信，將采集到的溫濕度、歸巢時(shí)間、告警信號(hào)等發(fā)送到手機(jī) APP 端，同時(shí)在鴿子歸巢時(shí)通過撥打人員電話，在斷網(wǎng)的情況下可以進(jìn)行按鍵操作，最終以物聯(lián)網(wǎng)控制的方式能夠?qū)慀澾M(jìn)行有效的飼養(yǎng)選育。

正文內(nèi)容

在賽鴿養(yǎng)殖中，飼養(yǎng)者因?yàn)楣ぷ魃罘泵Φ仍驅(qū)o法按時(shí)喂養(yǎng)鴿子，同時(shí)賽鴿的養(yǎng)殖往往需要直接接觸鴿子羽毛排泄物等，衛(wèi)生問題尤為突出。在優(yōu)秀乳鴿的選擇上，通常采用給鴿子佩戴高昂的賽鴿計(jì)時(shí)裝置，此外鴿舍內(nèi)的溫濕度直接影響著賽鴿的健康，需要及時(shí)對(duì)鴿舍內(nèi)的溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。為此，本設(shè)計(jì)提出了一種利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)鴿舍內(nèi)的裝置進(jìn)行控制的方法，該系統(tǒng)以STM32L476RG為主控芯片，利用機(jī)智云AIoT平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸交換，設(shè)計(jì)了專為賽鴿進(jìn)籠檢測的裝置，將WiFi模塊與SIM800C通信模塊相結(jié)合達(dá)到賽鴿歸巢時(shí)間的計(jì)時(shí)與通知。采用DHT11模塊和風(fēng)扇模塊組成溫濕度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在手機(jī)App端可以實(shí)時(shí)查看溫濕度變動(dòng)和控制設(shè)備狀態(tài)，同時(shí)還能在按鍵模塊上對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，在電腦端可以登錄機(jī)智云官網(wǎng)查看數(shù)據(jù)點(diǎn)歷史記錄。

系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)智云AIoT開發(fā)平臺(tái)的多功能鴿籠控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由溫濕度傳感器、步進(jìn)電機(jī)、光電傳感器模塊、WiFi模塊、控制器、繼電器模塊及排風(fēng)風(fēng)扇構(gòu)成。用戶通過手機(jī)APP端控制鴿籠門的開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)地喂食、喂水，同時(shí)通過溫濕度傳感器模塊監(jiān)控鴿舍內(nèi)的溫濕度的情況，將鴿籠內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至機(jī)智云平臺(tái)。當(dāng)溫濕度超過設(shè)定值時(shí)，APP頁面端會(huì)產(chǎn)生告警標(biāo)志。

考慮用戶需要對(duì)鴿子進(jìn)行訓(xùn)飛計(jì)時(shí)，為此專門研發(fā)了一種可安放的進(jìn)籠檢測裝置。當(dāng)進(jìn)行單鴿訓(xùn)飛時(shí)，只要將鴿籠門打開將裝置擺放在鴿籠門口就可以進(jìn)行歸巢時(shí)間的檢測，將鴿子歸巢的時(shí)間傳至手機(jī)APP端，并且通過GSM模塊給訓(xùn)飛人員撥打電話。為了防止斷網(wǎng)導(dǎo)致鴿籠設(shè)備無法正常工作，訓(xùn)飛人員可以通過機(jī)智云網(wǎng)站方便地查看鴿舍內(nèi)部的歷史數(shù)據(jù)。此外本文中還設(shè)計(jì)了按鍵模塊，可以對(duì)開關(guān)鴿籠門和喂水、喂食進(jìn)行按鍵操作?；ヂ?lián)鴿籠的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鴿籠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

喂食喂水系統(tǒng)鴿籠喂食喂水系統(tǒng)采用手動(dòng)和定時(shí)自動(dòng)、遠(yuǎn)程和近程控制的方式相結(jié)合，通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制定時(shí)喂食和手動(dòng)喂食的兩種飼養(yǎng)方式。為了防止斷網(wǎng)而使喂食喂水系統(tǒng)受到波及，在操作系統(tǒng)按鍵模塊中分為開關(guān)糧食、開關(guān)水閥、五個(gè)開關(guān)鴿籠門，可以在無網(wǎng)的情況下有效保證近距離飼養(yǎng)鴿子的基本條件。對(duì)此可做研究分述如下。

喂食系統(tǒng)

喂食系統(tǒng)的食物出口采用了蝴蝶閥狀開關(guān)加上5V步進(jìn)電機(jī)的控制方式。由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝴蝶閥門轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度使得糧食從儲(chǔ)糧盒中落入食槽，存儲(chǔ)盒采用漏斗形狀，方便與糧食出口控制裝置相結(jié)合。喂食系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 喂食系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖該裝置采用型號(hào)為24BYJ485V驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，自動(dòng)喂食則是通過STM32RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷完成，根據(jù)實(shí)際情況每天喂兩次，將實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷設(shè)定為12h中斷一次，進(jìn)行一次蝴蝶閥的開關(guān)動(dòng)作。

喂水系統(tǒng)

喂水系統(tǒng)由5V繼電器和12V的電磁閥構(gòu)成。電磁閥連接塑料水管上端續(xù)接到一個(gè)小型水箱，下端放置喝水水槽，繼電器的控制端口連接至控制器的PA2口。電磁閥的供電電源采用220VAC轉(zhuǎn)12VDC的電源電路，由微控制器控制電源電路輸出線路的通斷來調(diào)控整個(gè)喂水系統(tǒng)。

溫濕度檢測調(diào)節(jié)系統(tǒng)高溫高濕影響鴿子的熱調(diào)節(jié)，加劇了高溫的不良反應(yīng)，破壞鴿子的熱平衡。高溫的時(shí)候，鴿子體內(nèi)靠蒸發(fā)散熱，而蒸發(fā)散熱正比于鴿子體內(nèi)蒸發(fā)面皮膚和呼吸道水汽壓與空氣水汽壓之差，舍內(nèi)空氣濕度大，空氣水汽壓升高，鴿子蒸發(fā)面水汽壓與空氣水汽壓之差變小，不利于鴿子的蒸發(fā)散熱，從而加重集體熱調(diào)節(jié)負(fù)擔(dān)，熱反應(yīng)更加嚴(yán)重。高溫高濕，鴿子體內(nèi)的抵抗力下降，容易導(dǎo)出傳染病的發(fā)生。良好的鴿舍溫濕度應(yīng)該為溫度≤40℃、濕度≤70%。本設(shè)計(jì)采用了DHT11溫濕度檢測模塊，同時(shí)對(duì)溫度和濕度進(jìn)行測量。溫度測量范圍為0℃～50℃，濕度測量范圍為20%RH～90%RH，采用IIC通信方式能很好地與微控制器進(jìn)行通信，滿足系統(tǒng)對(duì)溫濕度檢測的設(shè)計(jì)要求。溫濕度的調(diào)節(jié)采用排風(fēng)風(fēng)扇的方式，排風(fēng)扇運(yùn)用5V電壓驅(qū)動(dòng)控制端接入PA2，當(dāng)溫濕度超過設(shè)定的值時(shí)，PA2口輸出高電平，排風(fēng)扇開啟；當(dāng)溫濕度小于設(shè)定值時(shí)，輸出低電平，排風(fēng)扇關(guān)閉。同時(shí)在手機(jī)APP端就可以實(shí)時(shí)查看當(dāng)前的溫濕度的情況。

通信模塊通信模塊的設(shè)計(jì)主要采用ATK-ESP8266WiFi模塊和SIM800CGSM模塊。ATK-ESP8266WiFi模塊是一款高性能的UART-WiFi模塊，采用WiFi模塊將數(shù)據(jù)傳送到云端的同時(shí)，并與WiFi模塊中下載的機(jī)智云GAgent通信協(xié)議發(fā)生交互，可進(jìn)行云端的數(shù)據(jù)交換和設(shè)備的控制。

SIM800CGSM模塊是一款高性能的工業(yè)級(jí)GSM/GPRS模塊。在進(jìn)行單鴿的訓(xùn)飛計(jì)時(shí)的過程中，鴿子通過時(shí)間檢測裝置時(shí)，微控制器將通過AT指令與模塊通過撥打人員的電話，及時(shí)告知鴿子已經(jīng)飛回鴿舍。

進(jìn)籠檢測裝置進(jìn)籠檢測裝置主要用于檢測單鴿歸巢時(shí)間。裝置是前后相通、上方插入活絡(luò)門的盒型裝置，旁邊安放有光電傳感模塊。當(dāng)要對(duì)鴿子進(jìn)行歸巢時(shí)間計(jì)時(shí)的時(shí)候，通過手機(jī)APP或者按鍵將由步進(jìn)電機(jī)控制的鴿籠小門開啟，同時(shí)將檢測裝置放置在鴿子的進(jìn)出門口。由于進(jìn)籠檢測裝置采用活絡(luò)門的方式，光電感應(yīng)模塊放置在活絡(luò)門的前方，有效防止鴿舍內(nèi)的鴿子對(duì)進(jìn)籠檢測裝置的干擾。當(dāng)鴿子進(jìn)入檢測裝置時(shí)，光電傳感模塊將向微控制器發(fā)送一個(gè)低電平，微控制器就將此時(shí)的RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)APP端，同時(shí)通過AT指令撥打人員電話。

圖3 進(jìn)籠檢測裝置如圖3所示，光電感應(yīng)模塊放置在活絡(luò)門擋桿的前面，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的活絡(luò)門結(jié)構(gòu)使得鴿子進(jìn)去之后就無法再出來，防止其它鴿子對(duì)檢測裝置產(chǎn)生干擾。光電感應(yīng)模塊電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 光電感應(yīng)模塊電路

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)方法基于云平臺(tái)的互聯(lián)鴿籠控制系統(tǒng)要完成的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)的傳輸?shù)墓δ?，選用了機(jī)智云AIoT開發(fā)平臺(tái)。首先需要在機(jī)智云平臺(tái)的開發(fā)中心建立項(xiàng)目，同時(shí)在項(xiàng)目中心添加數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)的作用是對(duì)系統(tǒng)的某種功能進(jìn)行抽象化，采用不同的數(shù)據(jù)類型表示。例如簡單的設(shè)備的“開關(guān)”，其功能為開啟和關(guān)閉，將這個(gè)功能抽象為布爾類型性的數(shù)據(jù)點(diǎn)，0表示關(guān)閉，1表示開啟。

數(shù)據(jù)點(diǎn)是機(jī)智云中重要的屬性通，過機(jī)智云與設(shè)備相聯(lián)系的第一步就是需要將整個(gè)系統(tǒng)的功能進(jìn)行完整的羅列，并通過機(jī)智云平臺(tái)將所描述的功能通過數(shù)據(jù)點(diǎn)的方式進(jìn)行表示。后續(xù)通過機(jī)智云平臺(tái)會(huì)根據(jù)創(chuàng)建好的數(shù)據(jù)點(diǎn)生成用于開發(fā)的MCU協(xié)議，在生成的協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行操作系統(tǒng)下的程序設(shè)計(jì)開發(fā)。

數(shù)據(jù)點(diǎn)的建立根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，在機(jī)智云端建立好數(shù)據(jù)點(diǎn)，在手機(jī)App端可供操作的功能具體為：開關(guān)籠門、開關(guān)水閥、開關(guān)糧食、自動(dòng)喂食、開關(guān)燈、溫濕度的顯示與告警和飛回時(shí)間的顯示。因此按照上述的功能進(jìn)行云端的數(shù)據(jù)點(diǎn)的設(shè)置，詳見表1。

表1 數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)置由表1可知，對(duì)于籠門開關(guān)、糧食開關(guān)、水閥開關(guān)、燈開關(guān)類型的數(shù)據(jù)點(diǎn)為布爾類型，對(duì)于溫濕度、飛回時(shí)間的顯示采用數(shù)值類型數(shù)據(jù)點(diǎn)，溫濕度告警采用告警類型數(shù)據(jù)點(diǎn)。在機(jī)智云平臺(tái)對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)完成設(shè)置，就可在機(jī)智云端生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)的端口定義文件，將生成的端口定義文件添加到所創(chuàng)建的程序中，即可完成云端數(shù)據(jù)點(diǎn)與手機(jī)APP端的聯(lián)系。在機(jī)智云端下載完畢的文件中有與APP端相聯(lián)系的數(shù)據(jù)點(diǎn)信息，當(dāng)與機(jī)智云端有數(shù)據(jù)交換時(shí)，機(jī)智云協(xié)議文件中的相應(yīng)的標(biāo)志變量隨即將發(fā)生改變，如通過自動(dòng)喂食開關(guān)量由0x00到0x01的變化，并利用判定語句完成對(duì)RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷標(biāo)志位的設(shè)置。

操作系統(tǒng)的移植本系統(tǒng)的程序包括多項(xiàng)任務(wù)操作，包括溫濕度檢測與上傳、按鍵模塊的掃描、手機(jī)App端的控制、光電模塊信號(hào)的檢測，AT指令的傳輸?shù)取?a href="http://www.ttokpm.com/soft/data/21-22/" target="_blank">嵌入式操作系統(tǒng)具有高實(shí)時(shí)性，并且支持多任務(wù)的管理，對(duì)程序的開發(fā)也更加便捷，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。UC/OS操作系統(tǒng)免費(fèi)，且可以很方便地移植到STM32。移植過的要點(diǎn)是需要將操作系統(tǒng)的所有文件添加到Keil5工程中，同時(shí)修改os＿cpu.h、os＿cpu＿a.asm、os＿cpu＿c.c三個(gè)程序文件。

其中os＿cpu.h文件包括了數(shù)據(jù)類型的定義以及與處理器相關(guān)的代碼和函數(shù)原型的聲明，需要修改數(shù)據(jù)代碼的類型，使得編譯器和處理器以及編譯器數(shù)據(jù)類型做到了相互通用；os＿cpu＿a.asm需要使用匯編語言將文件中的部分函數(shù)進(jìn)行編寫，主要是進(jìn)行任務(wù)間的切換；os＿cpu＿c.c定義了用戶的鉤子函數(shù)，同時(shí)需要把文件中的相關(guān)系統(tǒng)時(shí)鐘中斷函數(shù)的部分注釋掉，因?yàn)橄到y(tǒng)時(shí)鐘在主程序中已經(jīng)給出了定義。

操作系統(tǒng)下的任務(wù)建立

本系統(tǒng)分為6個(gè)任務(wù)，分別是溫濕度檢測上傳任務(wù)、按鍵掃描任務(wù)、光電信號(hào)檢測任務(wù)、App開關(guān)判定任務(wù)、歸巢時(shí)間上傳任務(wù)及撥打電話任務(wù)，任務(wù)的設(shè)計(jì)功能可表述如下：

（1）溫濕度檢測任務(wù)：將讀取到的DHT11模塊的溫濕度數(shù)值上傳到機(jī)智云端，當(dāng)溫濕度超過設(shè)定值時(shí)在手機(jī)App端將會(huì)呈現(xiàn)告警標(biāo)志，同時(shí)通過消息郵箱的方式將溫濕度數(shù)據(jù)傳送給風(fēng)扇控制程序，優(yōu)先級(jí)定義為5。

（2）按鍵掃描任務(wù)：系統(tǒng)將籠門、糧食和水閥這6個(gè)開關(guān)接入到微控制器的6個(gè)I/O口，從而保證在斷網(wǎng)的情況下也能提供鴿舍內(nèi)的正常控制，優(yōu)先級(jí)定義為4。

（3）光電信號(hào)檢測任務(wù)：進(jìn)行單鴿訓(xùn)飛計(jì)時(shí)時(shí)，鴿子進(jìn)入檢測裝置后，光電信號(hào)模塊向微控制器發(fā)送一個(gè)低電平，任務(wù)會(huì)通過信號(hào)量的方式將低電平消息傳回、再撥打電話給任務(wù)巢，因此任務(wù)優(yōu)先級(jí)定義為3。

（4）App開關(guān)執(zhí)行任務(wù)：手機(jī)App端有多個(gè)開關(guān)，此任務(wù)將通過判定機(jī)智云通信協(xié)議中的標(biāo)志變量是0或者1，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，優(yōu)先級(jí)定義為6。

（5）撥打電話任務(wù)：等待光電信號(hào)檢測任務(wù)傳遞的低電平消息后，通過AT指令與SIM800C通信撥打人員電話，優(yōu)先級(jí)定義為7。

（6）風(fēng)扇控制任務(wù)：接收溫濕度檢測單元傳來的溫濕度數(shù)據(jù)，判定溫濕度是否超過設(shè)定值，用于控制風(fēng)扇的關(guān)停，優(yōu)先級(jí)定義為9。系統(tǒng)的軟件整體流程如圖5所示。

圖5軟件整體工作模式

系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)鴿舍內(nèi)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制，為了模擬鴿舍控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果，對(duì)實(shí)際鴿舍進(jìn)行縮微化設(shè)計(jì)，具體如圖6所示。

圖6 鴿舍模擬實(shí)物圖對(duì)縮小型的鴿舍進(jìn)行控制，圖6中鴿籠大門可從右邊全部打開從事清掃等工作，平常對(duì)鴿子的放飛只采用鴿籠小門，利用步進(jìn)電機(jī)控制籠門的上揚(yáng)下降，并且小門可放置進(jìn)籠檢測裝置，溫濕度采用模擬加濕加熱的方式。第一次上電連接時(shí)，選用機(jī)智云協(xié)議中的Airlink連接方式，同時(shí)手機(jī)App端啟動(dòng)WiFi搜索，將會(huì)搜到最近的可連接的設(shè)備。機(jī)智云協(xié)議自帶有WiFi通信方式和GPRS通信方式，手機(jī)端可以選擇連接WiFi和GPRS，方便人員進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，通過微控制器的復(fù)位鍵可以將App數(shù)據(jù)清零。

圖7 手機(jī)APP的鴿子歸巢時(shí)間顯示

圖8手機(jī)APP端溫濕度告警同時(shí)用戶還可以通過電腦登錄機(jī)智云官網(wǎng)的設(shè)備日志中查看各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的歷史值。

系統(tǒng)總結(jié)

基于機(jī)智云AIoT云平臺(tái)的互聯(lián)鴿籠控制系統(tǒng)，可通過手機(jī)APP與近距離的按鍵方式對(duì)鴿籠內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行控制，同時(shí)采用SIM800C模塊與WiFi模塊相結(jié)合的方式，對(duì)單鴿的歸巢時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)和通知，手機(jī)APP端可以實(shí)時(shí)地看到鴿舍內(nèi)的溫濕度情況與發(fā)出警報(bào)。有效解決了長期以來喂養(yǎng)賽鴿需要頻繁與鴿子直接接觸所帶來的衛(wèi)生問題，同時(shí)采用物聯(lián)網(wǎng)的方式飼養(yǎng)賽鴿實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程飼養(yǎng)，減少了人力，避免了更多愛好者無暇飼養(yǎng)鴿子所面對(duì)的困擾。

互聯(lián)鴿籠控制系統(tǒng)采用光電模塊代替了專用賽鴿計(jì)時(shí)器，價(jià)格低廉、且效果較好。在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的選擇上采用了機(jī)智云平臺(tái)，云平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)歷史記錄進(jìn)行了云端的存儲(chǔ)，用戶只要登錄電腦就可查看。