基于物联网的奶牛养殖环境监测系统研制_冯栋栋.pdf

第 46 卷第 1 期2023 年 1 月河 北 农 业 大 学 学 报JOURNAL OF HEBEI AGRICULTURAL UNIVERSITYVol.46 No.1Jan.2 0 2 3基于物联网的奶牛养殖环境监测系统研制冯栋栋，王 娟，朱佳骏，胡长增，李东明，邵利敏（河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001）摘要：为了推动奶牛养殖信息化的发展，更加便捷地对奶牛养殖场进行环境监测和远程控制，本文研发了 1 种基于物联网的奶牛养殖环境监测系统，完成了对多个环境因子的远程采集和数据存储，实现了参数预警和远程控制。系统利用 STM32F103 单片机和传感器终端实时采集环境信息，利用 EMQ 搭建 1 个 MQTT 服务器，通过 WiFi 实现数据汇总并用 MQTT 协议远距离传输至服务器，通过 Node-Red 进行数据的可视化，将上传到MQTT 服务器的数据在网页端进行显示查看和控制，并将其存储到数据库中，通过微信小程序在移动应用端进行信息的实时查看和控制。试验结果表明：该系统可实时获取养殖环境的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、氨气浓度、硫化氢浓度等参数信息，数据传输平均丢包率为 0.12%，系统控制反应时间在 100 500 ms 范围内，系统整体运行稳定、可靠，能够满足实际生产需要，为其它信息化养殖和环境监测提供支持和参考。关 键 词：奶牛养殖；环境监测；物联网；Node-Red；微信小程序中图分类号：TP273；S815.2 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：文献标志码：ADevelopment of environmental monitoring system of dairy cow breeding based on internet of thingsFENGDongdong,WANGJuan,ZHUJiajun,HUChangzeng,LIDongming,SHAOLimin(College of Mechanical and Electrical Engineering,Hebei Agricultural University,Baoding 071001,China)Abstract:In order to promote the development of informatization of dairy farming and more convenient for environmental monitoring and remote control of dairy farms,a dairy farming environmental monitoring system based on the Internet of Things was developed,which completed the remote collection and data of multiple environmental factors,realize parameter warning and remote control.The system uses STM32F103 single-chip microcomputer and sensor terminal to collect environmental information in real time,uses EMQ to build an MQTT server,realizes data aggregation through WiFi to transmit it to the server remotely using MQTT protocol,and visualizes the data through Node-Red,and uploads the data to the MQTT server in the Web page performing display viewing and control,and stores it in the database,and uses the WeChat applet to view and control the information in real time on the mobile application.The test results showed that the system can obtain the temperature and humidity,light intensity,carbon dioxide concentration,ammonia concentration and hydrogen sulfide concentration in the breeding environment in real time.The data transmission packet loss average rate was 0.12%,and the system control response time was within the range of 100-500 ms.The operation was stable and reliable,which can meet the actual production needs,and provide support and reference for other information-based breeding and environmental monitoring.文章编号：1000-1573(2023)01-0103-07DOI：10.13320/ki.jauh.2023.0015收稿日期：2021-03-10基金项目：河北农业大学精准畜牧学科群建设项目（1090064）；河北省重点研发计划项目（19227213D）.第一作者：冯栋栋（1997），男，浙江宁波人，硕士研究生，从事智能检测与控制技术研究.E-mail:通信作者：邵利敏（1979），男，河北平山人，教授，从事智能检测与自动控制技术研究.E-mail:本刊网址：http:/104第 46 卷河 北 农 业 大 学 学 报农业物联网技术可以有效优化农业生产过程，提高农业生产效率1-2，而实现农业设备信息互联互通是构建农业物联网的前提条件3-4。通过应用最新的物联网技术，可实现无线监控奶牛养殖的各个环节。近年来，研究人员开展了对畜禽养殖环境监测及平台搭建的相关研究。Chin-Shan Chen 等基于无线通信网络完成了奶牛场和养猪场的自动监测系统5。Williams 等研制了有害气体检测系统，有效降低鸡舍可吸入粉尘和氨气浓度6。王斌等以PLC 为核心控制器，采用多传感器自适应加权平均融合算法，实现了猪舍生态环境监测系统的设计7。宦娟等基于 NB-IoT 和电信云平台，开发了对养殖塘水质的监测系统8。万雪芬等采用 Lora 和蓝牙技术，依托于服务层 APP 和应用层 APP 的开发，研发了 1种智慧农业物联网终端节点9。以上环境监测系统各具特点，都在一定程度上能够促进养殖业的发展，但随着物联网的普及，对特定环境开发 1 套特定的监控系统显得尤为重要。本文选择对 Lora、WiFi 和私有云的开发，来实现对奶牛养殖的环境监测，可以更加个性化地显示和完成应有的效果。1 系统总体结构本文设计的奶牛养殖环境监测系统由感知层、网络层和应用层组成，主要完成数据采集、无线传输、存储管理和远程监控等功能。系统架构图如图1所示。第一层为感知层，主要包括单片机（MCU）、电源模块、传感器模块、Lora 模块和 ESP8266 WiFi模块，进行环境因子的数据采集和执行器的控制，再通过 WiFi 模块将数据传输到网络层。第二层为网络层，主要包括路由器和服务器，感知层硬件先通过路由器进行入网，再将传感器数据无线传输到 MQTT 服务器，感知层的数据通过基于 TCP 的MQTT 协议上传到 1 个 PubTopic，并通过订阅下行命令 SubTopic 以接收下行命令，进行执行器的控制。第三层为应用层，主要包括 Web 端和移动端的数据显示、存储、管理和控制，在 Web 端通过 Node-Red 进行数据的远程监控，实时显示获取的环境参数信息和历史参数曲线，并通过 SQL 的编写将数据存储到数据库中，在移动端可以通过微信小程序实时监测环境数据，并获取当地的天气数据作为参照，也可以向感知层下发下行命令，控制风扇等设备的启动和关闭。图 1 奶牛养殖环境监测系统架构图Fig.1 Architecture diagram of dairy farming environment monitoring system低成本和高性价比为目标，实现养殖环境下远距离连续稳定长时间监测工作。2.1.1 采集节点设计 采集节点通过温湿度传感器DHT22、光照强度传感器 BH1750、二氧化碳传感器SPG30、空气质量传感器 MQ135 分别获取养殖场内的温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度、氨气浓度以及硫化氢浓度，实现环境因子的采集，其设计框图如图 2 所示。控制器选择 STM32F103RCT6，2 系统设计2.1 感知层设计感知层是奶牛养殖环境监测系统的第一层，利用传感器采集环境数据，经通信模块将数据传输到下一层，并接收下发命令进行执行器的控制。该层主要分为 4 个部分：采集节点设计、主控板设计、通信模块设计以及电源设计，整体设计上以低功耗、Keywords:dairy cow breeding;environmental monitoring;Internet of Things;Node-Red;WeChat applet105第 1 期冯栋栋，等：基于物联网的奶牛养殖环境监测系统研制主要用于环境因子的采集和处理，并通过 Lora 传输到主控板中。各传感器共有 3 组，等间隔地布置在牛场内的 3 个柱子上，最后的环境数据为所测数据的平均值。图 2 采集节点设计框图Fig.2 Design block diagram of collection mode2.1.2主控板设计主控电路通过 Lora 模块获取到节点采集板中的环境数据，进行 JSON 数据包的打包，将处理好的数据放到存储模块，再通过ESP8266 WiFi 模块将数据发送到指定对象，整个过程中使用定时器控制，每隔 10 s 发送 1 次，并刷新液晶显示屏的数据，且自动监控环境数据是否到达设定的阈值，若超过或低于设定的阈值，直接进行声光报警，并进行执行器的相应控制。整个主控采集终端包括单片机、传感器模块和 ESP8266 通信模块。温湿度传感器通过单总线的方式经 I/O 采集到温湿度，光照强度传感器和二氧化碳传感器经过 IIC通信方式采集牛场中的光照强度和二氧化碳浓度，空气质量传感器采集到的模拟信号经 A/D 转换后再经曲线公式计算得到氨气浓度和硫化氢浓度的数字信号，通过串口发送给 ESP8266。系统工作参数的设定可通过 AT 指令来完成，如 AT+CWMODE=1 指令是将 ESP8266 设置为 STA 模式，AT+CIPSTART指令是设置目标 TCP 服务器，AT+CIPSTATUS 指令是用来查询ESP8266和EMQ服务器的连接状态等。2.1.3 通信模块设计 WiFi 模块对采集到的传感器数据进行接收与转发，通过单片机的编程实现对其控制，将监测到的数据编码后以 JSON 码的形式通过该模块发送出去，完成上报监测数据，接收上位机的下发命令，进行风扇和喷雾器的控制。WiFi 相对于其他通信方式，其传输速率可以达到 11 Mbps，且适用范围不受局限，在局域网内可相互之间任意传输数据10。本设计采用安信可的 ESP8266 WiFi无线通信模块实现上报数据和接收下发命令，该通信模块无线传输速率最高可达 11 Mbps，工作频率范围为 2.412 2.484