【IoT畢設(shè).2】STM32F407單片機(jī)+機(jī)智云AIoT+豬舍監(jiān)測(cè)與系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

第一篇內(nèi)容：緒論，研究的意義和內(nèi)容

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第二篇內(nèi)容：系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)需求分析、方案設(shè)計(jì)、微處理器選型、通信方式選型以及云平臺(tái)選型。其中，正確的分析系統(tǒng)需求是系統(tǒng)開發(fā)中非常重要的步驟[29]。進(jìn)一步從需求出發(fā)，才能設(shè)計(jì)出貼合實(shí)際的系統(tǒng)方案。

2.1 系統(tǒng)需求分析

需求分析主要針對(duì)豬舍環(huán)境、豬只本身、飼養(yǎng)員工作強(qiáng)度、安全因素等方面進(jìn)行考慮，分為環(huán)境因素、豬只個(gè)體因素以及其他因素。

2.1.1環(huán)境因素

適宜、穩(wěn)定的豬舍環(huán)境是豬只生長(zhǎng)的重要條件，也是提高養(yǎng)殖效益的重要保障。影響豬只生長(zhǎng)的環(huán)境因素主要包括豬舍內(nèi)部的小環(huán)境和豬舍所處不同地域及季節(jié)形成的大環(huán)境[30]，在本文中主要針對(duì)豬舍小環(huán)境進(jìn)行討論。小環(huán)境通常包括環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、光照強(qiáng)度、空氣中的有害氣體等，這些環(huán)境因素對(duì)豬只生長(zhǎng)起著至關(guān)重要的作用。

1、溫度因素

溫度是影響豬只生長(zhǎng)的重要因素之一。豬只是體溫恒定的哺乳動(dòng)物，它通過皮膚感受溫度變化，通過神經(jīng)-內(nèi)分泌系統(tǒng)調(diào)節(jié)產(chǎn)熱和散熱[31]。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，豬只會(huì)加快呼吸頻率、增加出汗、減少采食來增加散熱，導(dǎo)致體重增長(zhǎng)緩慢。當(dāng)環(huán)境低于豬只體溫時(shí)，豬只為增加產(chǎn)熱，主要表現(xiàn)為進(jìn)食量增大。但是為了維持體溫，部分飼料會(huì)被轉(zhuǎn)化為熱量，從而導(dǎo)致體重增長(zhǎng)緩慢。

綜上所述，維持豬舍小環(huán)境的溫度穩(wěn)定對(duì)于豬只的生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要，溫度監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)功能必不可少。

2、濕度因素

豬舍內(nèi)濕度變化對(duì)于豬只生長(zhǎng)影響是建立在溫度基礎(chǔ)上的，與溫度協(xié)同作用，主要表現(xiàn)為影響豬只散熱。當(dāng)環(huán)境高溫時(shí)，高濕度將增加體感溫度，會(huì)導(dǎo)致環(huán)境中病原微生物的繁殖，增加豬只患病風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)環(huán)境低溫時(shí)，高濕度會(huì)導(dǎo)致體感溫度降低，維持體溫需要大量熱量，導(dǎo)致飼料利用率低[32]，造成豬只生長(zhǎng)緩慢，經(jīng)濟(jì)效益低下。

研究表明，豬只適宜的生長(zhǎng)溫度為23℃左右，仔豬生長(zhǎng)溫度為29℃左右，濕度在55%-70%[33]。由此可見，對(duì)濕度的監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)對(duì)豬只的生長(zhǎng)發(fā)育也很重要。

3、光照因素

光照對(duì)豬只健康生長(zhǎng)起促進(jìn)作用。適宜的光照能夠促進(jìn)豬只進(jìn)食和消化，促進(jìn)蛋白質(zhì)和脂肪轉(zhuǎn)化，還能促進(jìn)維生素合成，有利于豬只的生長(zhǎng)發(fā)育[34]。研究表明，豬只增長(zhǎng)同樣的體重，每天光照16小時(shí)比每天光照8小時(shí)要快的多。其原因是長(zhǎng)時(shí)間的光照促進(jìn)了豬只進(jìn)食，增加了脂肪的累積，加速了豬只出欄的速度，所以增加光照時(shí)間能顯著提高豬只的生長(zhǎng)性能。同時(shí)適當(dāng)?shù)墓庹找灿欣谪i舍濕氣的揮發(fā)，紅外光能夠提高豬只皮膚表面的溫度，紫外光能夠有效滅殺細(xì)菌。

我國(guó)各地區(qū)所處緯度不同，光照時(shí)長(zhǎng)不一致；隨著時(shí)間、天氣、季節(jié)等變化，光照強(qiáng)度也受到很大的影響。因此，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)環(huán)境光照強(qiáng)度并自動(dòng)開燈的功能很有必要。

4、空氣質(zhì)量因素

豬舍內(nèi)的空氣質(zhì)量不僅嚴(yán)重影響豬只健康生長(zhǎng)，還會(huì)對(duì)長(zhǎng)期活動(dòng)在豬舍的飼養(yǎng)員造成一定傷害。在豬舍內(nèi)若是有未及時(shí)清理的飼料以及糞便等就會(huì)產(chǎn)生一些有害氣體，如氨氣、硫化氫、甲烷等。其中氨氣是危害最大的一個(gè)因素，該氣體具有強(qiáng)烈的刺激性氣味，對(duì)呼吸道、眼睛粘膜都會(huì)造成一定的傷害[35]。若能有效監(jiān)測(cè)豬舍內(nèi)氨氣濃度，并及時(shí)通知飼養(yǎng)員進(jìn)行處理，可以有效提高豬只健康率，因此監(jiān)測(cè)豬舍內(nèi)氨氣濃度極為重要。

2.1.2豬只個(gè)體因素

豬只的行動(dòng)軌跡、異常行為等信息對(duì)豬只生長(zhǎng)分析有積極作用，例如長(zhǎng)時(shí)間的站立、長(zhǎng)時(shí)間的臥倒等情況都能幫助飼養(yǎng)員及時(shí)發(fā)現(xiàn)豬只情況。目前，豬只數(shù)量、行動(dòng)軌跡、體重信息以及異常行為等都需要飼養(yǎng)員觀察并且手動(dòng)記錄，如果能實(shí)現(xiàn)豬只檢測(cè)與跟蹤，并且將信息反饋給飼養(yǎng)員，就可以大大減輕其工作量。

2.1.3其他因素

除了以上分析的情況，豬舍安全也是需要考慮的問題。在豬舍無人值守時(shí)，遇到下雨、明火以及有人靠近的情況，需要提醒飼養(yǎng)員進(jìn)行處理；考慮到飼養(yǎng)員不在現(xiàn)場(chǎng)但是需要了解豬舍環(huán)境、豬只信息參數(shù)并且需要手動(dòng)控制電氣化設(shè)備的情況，需要結(jié)合Android客戶端來完成相關(guān)功能。

2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

確立系統(tǒng)需求之后，進(jìn)一步設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案，需要考慮三個(gè)問題，分別是：

1、需要監(jiān)測(cè)哪些指標(biāo)

針對(duì)豬舍環(huán)境，需要監(jiān)測(cè)溫度、濕度、氨氣濃度、光照強(qiáng)度；另外為方便管理還需監(jiān)測(cè)是否下雨、是否發(fā)生火災(zāi)、是否有行人靠近。針對(duì)豬只檢測(cè)，需要得到豬只數(shù)量、豬舍內(nèi)豬只所占像素點(diǎn)比重。因此，系統(tǒng)通過傳感器技術(shù)監(jiān)測(cè)7種環(huán)境指標(biāo)，溫度、濕度、光照強(qiáng)度、氨氣濃度為數(shù)值型指標(biāo)，其余三種為布爾型指標(biāo)，如圖2.1所示的感知控制層中最底部；通過豬只檢測(cè)算法得到兩種數(shù)值型指標(biāo)，如圖2.1所示的算法層。

2、用戶需要控制哪些電氣化設(shè)備

針對(duì)問題1中的環(huán)境指標(biāo)，需設(shè)計(jì)幾種電氣化設(shè)備，分別是：照明燈、保溫?zé)?、換氣扇、噴水泵、電動(dòng)卷簾以及用于報(bào)警裝置（蜂鳴器），如圖2.1中感知控制層的頂部。其中照明燈用于豬舍內(nèi)的輔助照明；保溫?zé)粲糜谔岣哓i舍內(nèi)的溫度；換氣扇用于豬舍內(nèi)外空氣交換，降低溫度；噴水泵用來增大豬舍內(nèi)濕度，強(qiáng)效降低豬舍內(nèi)溫度；電動(dòng)卷簾用于控制卷簾開閉；報(bào)警裝置（蜂鳴器）用于報(bào)警。

3、選擇搭建何種系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)前述的需求分析，提出“四端”結(jié)合的架構(gòu)，即：服務(wù)器端、微處理器端、云端、手機(jī)APP端。其中服務(wù)器端用于豬只檢測(cè)算法運(yùn)行，屬于算法層；微處理器端用于接收服務(wù)器端以及云端數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)環(huán)境要素、根據(jù)環(huán)境指標(biāo)自動(dòng)控制或者云端指令手動(dòng)控制豬舍內(nèi)電氣化設(shè)備，屬于感知控制層；云端作為手機(jī)端和微處理器端的通信橋梁，用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，屬于服務(wù)層；手機(jī)APP端可實(shí)時(shí)查看豬舍內(nèi)各數(shù)據(jù)，并發(fā)送控制指令，屬于用戶層。

本系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云平臺(tái)技術(shù)以及手機(jī)APP相結(jié)合。通過本系統(tǒng)，飼養(yǎng)員不在現(xiàn)場(chǎng)也能通過手機(jī)APP觀察豬舍內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)情況，電氣化設(shè)備可以根據(jù)環(huán)境參數(shù)自動(dòng)控制也可通過手機(jī)APP手動(dòng)控制。經(jīng)過總結(jié)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能如表2.1所示。

2.3微處理器選型

微處理器作為感知控制層的核心器件，選擇一款合適的微處理器尤為重要。目前市場(chǎng)上主流的微處理器有：STC系列（51類單片機(jī)）、ARM系列（STM32單片機(jī)）、MSP430單片機(jī)以及arduino單片機(jī)。在選型時(shí)通過多個(gè)維度比較5個(gè)型號(hào)單片機(jī)的性能，從而選出本系統(tǒng)所用單片機(jī)。

上表比較了5種款式的微處理器，基于本設(shè)計(jì)，由以下五個(gè)方面確定最終選型：

(1) 資源豐富與否？資源豐富有利于功能開發(fā)與驗(yàn)證。

(2) 擴(kuò)展性是否強(qiáng)？拓展性強(qiáng)有利于拓展更多外設(shè)資源。

(3) 開源資料多寡？開源資料多有利于縮短開發(fā)周期。

(4) 每片成本幾何？低成本有利于后期的銷售推廣。

(5) 穩(wěn)定性如何？穩(wěn)定性強(qiáng)能夠降低故障率。

經(jīng)過多方面比較，本設(shè)計(jì)選用資源豐富、擴(kuò)展性強(qiáng)、開源資料較多、市場(chǎng)評(píng)價(jià)較好的ST公司生產(chǎn)的STM32F407系列單片機(jī)，該單片機(jī)片上資源豐富，能夠?yàn)楹罄m(xù)的功能設(shè)計(jì)提供豐富的片上資源與外設(shè)接口。

本設(shè)計(jì)所選STM32F407系列單片機(jī)，CPU最高速度達(dá)到168Mhz，該產(chǎn)品有1MB的Flash、集成度高、可靠性強(qiáng)、功耗低[36]。在處理運(yùn)算速度和浮點(diǎn)復(fù)雜運(yùn)算方面性能明顯優(yōu)于MSP430、STC52單片機(jī)。之所以選擇STM32F4系列而不是STM32F1系列，是因?yàn)榍罢呔哂懈S富的片上資源，接口豐富。一旦需求增加、功能擴(kuò)展，要求接入更多的傳感器或控制器件，STM32F407單片機(jī)都能輕松應(yīng)對(duì)，并且向下兼容。

2.4 通信方式選型

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入方式是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中設(shè)備端接入的通信橋梁，在整個(gè)系統(tǒng)中承擔(dān)著至關(guān)重要的作用[37]，設(shè)備端接入方式主要分為有線接入以及無線接入方式。其中，有線接入方式主要應(yīng)用在一些對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)所，而無線接入方式在生活場(chǎng)景中非常常見，例如智能家居、智能穿戴設(shè)備、監(jiān)控等。兩種方式各有優(yōu)勢(shì)，但是無線接入方式的布局更加靈活，對(duì)周圍的環(huán)境要求小，不受限制，所以無線接入方式更加適合本系統(tǒng)。常見的無線通信方式主要包括藍(lán)牙通信、Zigbee通信、NB-IOT以及WIFI通信。

藍(lán)牙是一種短距離無線通信技術(shù)，使用頻段為2.4-2.458GHZ的ISM波段[38]。它在汽車領(lǐng)域、工業(yè)生產(chǎn)以及醫(yī)藥領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，還可以連接多設(shè)備并進(jìn)行信息交換。其優(yōu)勢(shì)在于通信免費(fèi)、使用方便，但是傳輸距離一般在10m內(nèi)，安全性也有待提高。ZigBee是一種低功耗、低速率的能實(shí)現(xiàn)雙向通信的無線通信技術(shù)[39]。它的優(yōu)勢(shì)在于網(wǎng)絡(luò)時(shí)延短、工作安全可靠，但是其芯片成本高、開發(fā)周期長(zhǎng)，而且它也是一種適用于近距離的無線通信技術(shù)。

NB-IOT的組網(wǎng)形式是蜂窩[40]，它適用于較遠(yuǎn)距離的戶外場(chǎng)所以及大面積的傳感器應(yīng)用，傳輸速度在100kbps左右，但是它的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延處于5s-9s之間。

WIFI是所有IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)WLAN（WirelessLocalAreaNetwork，無線局域網(wǎng)）的名稱，它的工作頻段通常在2.4GHz和5GHzISM[41]。2019年，WIFI6的出現(xiàn)使其最高速率達(dá)到11Gbps，而且網(wǎng)絡(luò)時(shí)延小于1S，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能得到極大保障。而且外界環(huán)境對(duì)它影響較小，空曠場(chǎng)景或者復(fù)雜的封閉場(chǎng)景都可以正常使用。

結(jié)合系統(tǒng)工作特性和研發(fā)成本考慮，使用WIFI可以使設(shè)備快速接入而且能夠保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，還能極大的節(jié)省系統(tǒng)的開發(fā)成本以及后期的使用費(fèi)用。

2.5 云平臺(tái)選型

云平臺(tái)是本系統(tǒng)中至關(guān)重要的一個(gè)部分，它作為設(shè)備層以及用戶層之間的通信橋梁，承擔(dān)了計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)以及存儲(chǔ)的功能[42]，在云平臺(tái)中可以清楚的看到各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及相關(guān)指令。

選擇云平臺(tái)的首要因素是穩(wěn)定性，穩(wěn)定的云平臺(tái)才能為系統(tǒng)提供更大的幫助；其次是擴(kuò)展性和靈活性，更多的擴(kuò)展功能可以有效減少系統(tǒng)開發(fā)的工作量；最后是安全性，數(shù)據(jù)的安全性才能保證用戶能安心使用。在物聯(lián)網(wǎng)的大環(huán)境下，國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)了很多優(yōu)秀的物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)，其中機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、百度云、中移物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)oneNET等都受到了廣泛的應(yīng)用。

在這些云平臺(tái)中，每個(gè)都有自己的優(yōu)勢(shì)。結(jié)合本系統(tǒng)需求，專注于物聯(lián)網(wǎng)自主開發(fā)的機(jī)智云平臺(tái)更符合要求。它主要提供物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、為智能硬件打造物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)以及提供運(yùn)維服務(wù)。它的優(yōu)勢(shì)主要有：①提供多種軟件開發(fā)方式，幫助開發(fā)者設(shè)計(jì)個(gè)性APP，②降低軟件開發(fā)難度；提供多種開放的API，幫助開發(fā)者將設(shè)備迅速接入云端；③提供一站式服務(wù)，在沒有真實(shí)設(shè)備以及自己開發(fā)的APP情況下，可以使用平臺(tái)提供的虛擬設(shè)備以及調(diào)試APP進(jìn)行模擬，讓開發(fā)者快速體驗(yàn)到設(shè)計(jì)開發(fā)的樂趣。④集成了第三方推送平臺(tái)，并且提供一定的免費(fèi)次數(shù)，可以更大程度的幫助開發(fā)者進(jìn)行多途徑的推送設(shè)置。

它不僅為初學(xué)者提供簡(jiǎn)單、容易上手的教程，還為專業(yè)的技術(shù)開發(fā)者提供第三方技術(shù)支持。在使用過程中遇到困難時(shí)，該平臺(tái)還提供大量技術(shù)文檔以及活躍的技術(shù)論壇，從而幫助開發(fā)者快速、順利的開發(fā)自己的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。綜合使用成本和開發(fā)復(fù)雜度等方面，選擇了機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為本系統(tǒng)的云平臺(tái)。

本篇從三個(gè)方面介紹了系統(tǒng)的需求分析，基于需求分析進(jìn)一步提出了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)選擇了以“四端”為中心的技術(shù)方案，即：服務(wù)器端-微處理器端-云端-手機(jī)APP端。經(jīng)過選型，微處理器選擇STM32F407，通信方式選擇WIFI，云平臺(tái)選擇機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

未完待續(xù)，下一篇內(nèi)容：

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