郭恒川

（洛阳理工学院计算机与信息工程学院，河南 洛阳 471023）

畜牧业是关系着国民日常生活需求的重要产业，也是实现乡村振兴的重要举措之一，在乡村振兴战略中扮演着非常重要的角色。传统的畜牧饲养模式已经成为畜牧业发展的最大短板，因此畜牧业的高质量发展将势不可挡，突破畜牧业“质”的瓶颈需要依靠科技创新[1]。

随着新的产业理念普及，畜牧业在不断加快现代化与信息化的进程，告别了粗放经营的低水平模式，不断的向规模化集中，提高生产与管理效率。规模化畜牧养殖中，在不增加人力成本的前提下，对某个体牲畜很难做到精准化的跟踪管理。现如今，物联网技术的发展可谓日新月异，各种利用物联网技术进行远程监控的智能产品已经进入千家万户，这为解决规模化畜牧养殖下的牲畜个体精准化监控提供了基础。以STM32 为主控芯片设计一种能够提供牲畜定位、运动步数、体温、环境情况数据的终端设备，并将其虚拟仿真显示在软件端的监控系统就是在这个背景下产生的新型畜牧养殖监控方案。

1 系统设计方案

在牲畜养殖过程中，牲畜所处的环境主要分为棚内环境和棚外环境两部分。棚内用于集中圈养，因此适合在棚内设计并安装棚内环境数据监测的终端设备，主要监测对牲畜生长影响较大的棚内温度、湿度、氨气浓度等有害气体数据。对于大型牲畜而言，还要有棚外草场环境来进行放风和运动，在此场景下就适合对每头牲畜设计安装监测体温、运动步数以及进行位置定位的终端设备。

根据对两种场景的分析，系统的硬件部分应由一个棚内环境监测终端和若干个棚外使用的体数据监测终端共同构成，如图1 所示。两类硬件终端均使用STM32 单片机作为主控芯片，连接所需的各类传感器和功能模块来采集监控信息，经过WIFI 通信模块，通过HTTP 协议上传数据到OneNet云平台。系统的软件部分即虚拟仿真监控平台，从OneNet 云平台获取数据并在仿真平台上形成模拟的牲畜状态和环境数据进行显示。控制方面，对于平台上显示的实际棚内环境数值超过合理范围的情况，可在监控平台进行对应的功能操作，远程操纵继电器来开启棚内换气、调温、调湿装置进行环境的改善作业。通过整个系统对牲畜养殖环境及牲畜个体的全天候实时监控，能够给养殖场的管理人员提供准确的参考信息，为牲畜提供适宜的环境和健康保障。

图1 系统总体设计图

2 系统硬件的设计

按照系统硬件部分要实现的功能，并考虑成本和推广因素，结合各种元器件的价格、稳定性以及功耗等参数，系统的主控芯片选用STM32F103C8T6 单片机，温度采集使用DS18B20 温度传感器，GPS 位置定位使用UBLOX NEO-6M模块，计步使用ADXL345 加速度传感器，以及其他各类环境监测传感器和继电器。通过主控芯片内部RTC 时钟实现实时时钟读取，并通过OLED 显示屏实时显示当前的各项数据，最终硬件设备通过WIFI-ESP8266 模块将数据传输到云平台供软件平台调用。

2.1 STM32 最小系统设计

STM32F103C8T6 芯片是一款基于Cortex 内核的32 位微控制器，可以外接4-16MHz 外部晶体振荡器，最高频率可达72MHz。它需要和其他功能电路组合成最小系统才能实现硬件系统的主要控制功能，系统由STM32F103C8T6 主控芯片作为核心与电源电路、复位电路、时钟电路、接口调试电路，共5 部分组合而成。

电源电路使用LDO 低压差线性稳压器将+5V 电压转换为STM32 主控芯片与其他电路模块工作所需的+3.3V 电压。时钟电路由1 个8MHz 的晶振和2 个22P 的电容组成晶振电路为主控芯片和其他外设提供系统时钟。复位电路由电容、电阻和微动开关组成，利用电容充放电的作用，在STM32启动时由低电平变高使得芯片复位。接口调试电路使用支持引脚少的SWD 仿真模式来下载hex 或bin 文件。

2.2 各模块设计

显示模块使用轻巧方便、功耗低的0.96 寸IIC 接口的OLED 显示屏。该模块共有4 个引脚：GND、VCC、SCL、SDA，使用2 根数据线即可驱动显示的IIC 接口方式。模块的SCL与SDA 引脚分别连接STM32 的PB6、PB5 引脚，VCC 连接+3.3V 电源供电。

加速度传感器使用ADXL345 芯片来实现个体数据监测终端的计步功能，它是是集三轴角度测量和三轴加速度为一体的传感器。ADXL345 共有8 个引脚，电源接+5V，使用SDA 和SCL 两个引脚连接STM32 的PB10、PB11 引脚来实现与STM32 的串行两线通信。芯片工作时由G-Cell 传感器感知X、Y、Z 三个正相交方向上的加速度值，G-Cell 内部经过容压变换器、滤波器、增益放大器和温度补偿计算后以电压方式输出，然后内部芯片读取模拟量，最后在数字接口输出的实际数据被STM32 单片机获取，并在其内部经过数据分析和数据算法转换为测量牲畜的步数信息。

运动定位功能采用UBLOX NEO-6M 模块实现，该模块具备全方位功能，性能优越、体积小、高性能和低功耗。该模块共有5 个引脚，使用TXD、RXD 引脚进行串口数据收发，PPS 引脚输出可调节的脉冲信号。模块通过串口及USB 接口向单片机系统输出GPS 定位信息，NEO-6M 模块接收到的数据则保存在EEPROM 中。

个体数据监测终端的温度测量使用DS18B20 温度传感器，共有3 个引脚，以“单总线”的方式驱动，即DATA 引脚既作为输出也作为输入，与STM32 的PA7 脚连接。棚内环境监测终端的温湿度监测使用SHT21 传感器，其配有电容式相对湿度传感器、能隙温度传感器、放大器、A/D 转换器、OTP内存和数字处理单元。共有6 个引脚，主要使用SDA 引脚与STM32 的PA8 引脚连接进行双向串行数据收发，SCL 连接串行时钟用来进行通信同步。

WIFI 通信功能使用ESP2866 模块，是一款低功耗的UART-WIFI 透传模块，具有TCP 连接功能，可将系统终端设备连接到WIFI 无线网络上进行通信，从而实现联网功能[2]。ESP8266 共有8 个引脚，其中CH_PD 引脚高电平为工作模式，此引脚接阻值为10KΩ 的上拉电阻至+3.3V 电源，数据发送引脚TXD 与接收引脚RXD 分别连接至STM32 单片机的PA3、PA2 引脚进行数据收发。

2.3 终端设备设计

个体数据监测终端样例如图2 所示，以STM32 单片机最小系统为核心，连接温度传感器DS18B20、加速度传感器ADXL345、GPS 定位模块UBLOX NEO-6M、OLED 显示屏组成。将终端安放于牲畜脖颈处，用于监测该牲畜的体温、当天运动步数，记录其在牧场的运动轨迹和位置。终端根据设备ID 识别判断不同的牲畜个体，将其体温和步数信息发送到仿真软件端并显示在软件中模拟的牲畜运动场景里。系统管理员根据体温数值、单位时间内的步数和运动轨迹来判断牲畜的健康状况并进行相应的干预。个体数据监测终端作为牲畜的健康状况监测设备实现了对牲畜的精准化管理，保障了牲畜的个体健康。

图2 个体数据监测终端

棚内环境监测终端用于牲畜集中饲养棚内的环境检测，主要由STM32 单片机最小系统、温湿度传感器SHT21、各类气体检测传感器和继电器组成。终端安置于现实场景的饲养棚内墙壁上，监测棚内的温度、湿度和各类气体浓度数值并通过WIFI 传送至云平台最终模拟显示在软件端。由于温度、湿度和有害气体浓度的高低均会影响牲畜的健康和产肉效率，当终端监测的各种环境数据值超过系统预设的合理范围，将控制与其相连的继电器进行相应的开闭操作。继电器又与升降温设备、加湿设备、换气设备的电源部分相连用于开启或者关闭这些设备，达到调节棚内牲畜生长环境的目的。

2.4 终端系统运行流程

两类终端的工作逻辑均依靠其上的STM32 控制芯片进行控制，STM32 片内内的控制程序采用移植性高且易读的C语言编写。为实现终端的功能需求，个体数据监测终端的系统运行流程如图3 所示，与棚内环境监测终端的系统运行流程相近。

图3 个体数据监测终端系统流程图

首先进行系统初始化，然后进入主程序循环。其中系统初始化工作包括FLASH 模拟EEPROM 数据读取、加速度传感器ADXL345 初始化、RTC 时钟初始化、OLED 屏初始化配置、串口初始化配置。主程序循环系统中主要读取RTC 实时时钟，监测温度传感器DS18B20 和GPS 定位的数据。加速度传感器实现数据的读取及算法计步，并保存步数到FLASH中。同时键盘子程序进行实时扫描，检测到切换键按下时，屏幕会切换显示，且在主界面下将按键同时按下会触发清除步数操作。通过内部定时器定时，当设置的5 秒定时到后，通过WIFI 模块发送一次数据到云平台。在RTC 实时时钟的作用下，当时间达到凌晨时，会自动清零步数并重新开始新一天的计步。

3 虚拟仿真系统的设计

为了更加直观的展现和模拟饲养棚内的环境，生动的模拟牲畜个体和其监测状态，利用3DS MAX 和VRP 设计虚拟牧场作为牲畜智能远程监测系统的软件端。将虚拟现实和物联网技术应用在牧场的数字化建设，实现牧场的三维可视化监测，使用户“置身其中”的访问牧场，并“沉浸式”直观的了解牧场的布局、环境数据和牲畜的实时样态[3]。

虚拟场景的创建主要有牧场远景、棚内场景和户外场景三部分，根据牧场的地理信息、建筑、道路、植被等素材进行三维建模。建模后进行烘焙，并利用3DS MAX-VRP 插件导入VRP 内进行设计与数据处理。[4]监测数据获取方面，根据云平台提供开放的API 接口，通过调用和处理转换后，根据系统的个性化需求搭建上层应用，将数据展现在几个虚拟场景内并进行交互操作。

牧场远景可通过鼠标、键盘自由的对三维场景进行360°的浏览，了解牧场的周边地形、自然环境和内部大体布局、建筑分布。棚内场景通过旋转浏览可查看棚内模拟牲畜个体和数量，以及棚内侧壁显示的实时温湿度和各种气体浓度，并通过虚拟按键开启棚内的各类温湿度、气体浓度调节设备进行远程控制。户外场景可用来选择观测某个牲畜的位置、运动情况和体温，具体如图4 所示。通过虚拟仿真技术在模拟牧场户外的场景中显示某奶牛正在通过通道入棚，在左侧可以看到其体温、运动步数、GPS 信号强弱，以及右下角显示在地图中的定位位置。

图4 虚拟仿真界面

4 结论

综上所述，本文将物联网技术与虚拟仿真技术相结合，设计了一套以STM32 单片机为控制核心的智能牲畜状态监控系统。以提高养殖企业收益，保障牲畜健康为目的，为企业提供了更加便利的管理方式[5]。该系统具有安全可靠、功耗低、灵活性强的特点，有效减少了牲畜饲喂管理过程中的人力消耗，促进了畜牧企业的信息化建设。