奶牛牛棚環(huán)境遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)設(shè)計

II模也變得越來越大。2022年\t"/en/Detail/index/GARJ2021_3/_blank"deOliveiraEuclidesReuter在《OrganicAgriculture》[16]中研究了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的奶牛養(yǎng)殖精細(xì)化管理方案，通過對奶牛棚內(nèi)環(huán)境的實時監(jiān)測和調(diào)控，以及對奶牛行為的數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對奶牛健康狀況和生產(chǎn)情況的智能化管理和精準(zhǔn)化評估。該研究在推動奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和智能化升級方面具有一定的借鑒和指導(dǎo)作用。艾瓦利奧蒂斯（AivaliotisP.）等人的論文題為“物理模型中降解曲線的集成：工業(yè)機(jī)器人預(yù)測性維護(hù)的實現(xiàn)”，于2021年在《機(jī)器人和計算機(jī)集成制造》[17]雜志上發(fā)表。論文主要研究如何在基于物理的模型中集成降解曲線，以實現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的預(yù)測性維護(hù)。傳統(tǒng)的維護(hù)方法基于經(jīng)驗，容易出現(xiàn)過度維護(hù)或未能及時維護(hù)的情況，而基于物理的模型可以更準(zhǔn)確地預(yù)測設(shè)備的壽命，為預(yù)防性維護(hù)提供支持。論文提出一種新方法，通過將降解曲線與機(jī)器人運動學(xué)和動力學(xué)方程相結(jié)合，來預(yù)測機(jī)器人各個部件的剩余壽命，從而更準(zhǔn)確地實現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)。該論文所提供的方法可為設(shè)備的預(yù)測性維護(hù)提供新思路，減少維護(hù)成本，提高設(shè)備的可靠性和效率，并為基于物理模型的算法的發(fā)展提供參考。論文成果對工業(yè)界實現(xiàn)低成本高效的工業(yè)管理也有重要意義。2022年\t"/en/Detail/index/GARJ2021_3/_blank"ThakurDevesh等人在《\t"/en/Detail/index/GARJ2021_3/_blank"WorldVolume3》[18]提出ASCI贊助的技能發(fā)展培訓(xùn)對奶牛養(yǎng)殖實踐的影響。該研究提出利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算和人工智能等技術(shù)，并結(jié)合生物傳感器和智能終端設(shè)備，實現(xiàn)對奶牛養(yǎng)殖環(huán)境和奶牛產(chǎn)出情況的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，從而提高奶牛養(yǎng)殖的效益和可持續(xù)發(fā)展性。1.3主要研究內(nèi)容通過軟硬件集成手段，將牛棚強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采集系統(tǒng)與生產(chǎn)物資生產(chǎn)處理部分的系統(tǒng)進(jìn)行集成，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)上報，制作數(shù)據(jù)分析模型，并通過模型的預(yù)測分析實現(xiàn)精準(zhǔn)飼養(yǎng)。遠(yuǎn)程管理技術(shù)。將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與GPS技術(shù)相結(jié)合，在智能可觸屏移動終端上實現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和監(jiān)測，讓管理員能夠在任何時候、任何地點實現(xiàn)對牛棚環(huán)境和奶牛的監(jiān)控，并進(jìn)行相關(guān)操作?；趯@些數(shù)據(jù)的分析，及時的向牛棚管理員反應(yīng)奶牛生活環(huán)境的狀態(tài)，并對其做出有效的調(diào)整，提高奶牛的產(chǎn)奶量，促進(jìn)奶牛的有效生長。在對系統(tǒng)功能做出了一些了解和分析后，設(shè)計了本文描述的奶牛牛棚環(huán)境智能控制器。第2章系統(tǒng)整體設(shè)計2.1整體設(shè)計本次設(shè)計主要分為六個模塊，分別為主控芯片電路、繼電器控制電路、顯示電路、傳感器模塊、定位模塊以及通信模塊，依據(jù)這六個模塊來進(jìn)行整體的設(shè)計。采用STM32單片機(jī)作為主控芯片，將光照傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊等連接到單片機(jī)上。繼電器控制電路通過單片機(jī)IO連接，控制繼電器有序運轉(zhuǎn)，以調(diào)整牛棚內(nèi)的環(huán)境。軟件部分需要構(gòu)建整體的框架，想好具體設(shè)計的流程，然后利用工具（C語言，keil5）對STM32單片機(jī)進(jìn)行編程，將兩部分完成結(jié)合同時調(diào)試，最后得到所需要的功能。軟件部分使用的編譯平臺是Androidstudios，設(shè)計一款手機(jī)APP做到實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析、控制繼電器運行等。通過顯示電路采集到的數(shù)據(jù)通過4G模塊連接到云端系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，使牧場主能夠了解牛棚環(huán)境的情況，以便及時調(diào)整管理。各種傳感器采集數(shù)據(jù)是奶牛牛棚遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)的重要組成部分，通過采集奶牛牛棚中的溫度、濕度等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對牛的居住環(huán)境的實時監(jiān)測和調(diào)整。傳感器采集的數(shù)據(jù)可以實時反映牛舍內(nèi)部的環(huán)境狀況，為管理人員提供精細(xì)化的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而更好地掌握奶牛養(yǎng)殖的情況。同時，傳感器采集的數(shù)據(jù)也是控制系統(tǒng)進(jìn)行智能調(diào)控的基礎(chǔ)，可以幫助管理人員對牛棚進(jìn)行更準(zhǔn)確、更及時的調(diào)控。實時顯示采集到的數(shù)據(jù)，包括光照強(qiáng)度、溫濕度和氣體濃度以及繼電器控制狀態(tài)。圖2.1系統(tǒng)整體設(shè)計框圖2.2整體功能概述本論文主要設(shè)計的是奶牛牛棚智能控制系統(tǒng)，利用STM32、傳感器、繼電器、4G通信模塊以及OLED屏等硬件實時監(jiān)控奶牛牛棚的環(huán)境，并對奶牛的生存環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。該系統(tǒng)主要的功能是檢測環(huán)境中的有害氣體、溫濕度的高低以及實現(xiàn)自動光照和自動排氣降溫等。經(jīng)過對奶牛的生活環(huán)境調(diào)查研究以及硬件設(shè)計完成后，開始設(shè)計軟件程序的編程。程序開始首先對傳感器進(jìn)行初始化與校準(zhǔn)，然后采集各種氣體與溫濕度的數(shù)據(jù)，單片機(jī)進(jìn)行量化編碼，然后傳遞到OLED屏幕上，并利用4G通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，?dāng)某項數(shù)據(jù)指標(biāo)超過規(guī)定值時，單片機(jī)控制繼電器運行，直到該項數(shù)據(jù)到達(dá)一個合適的范圍時，繼電器停止運行。該智能控制系統(tǒng)的整體功能是為奶牛提供一個更為合適的生存環(huán)境，同時也方便管理人員進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)整，包括以下幾個方面：1.環(huán)境參數(shù)監(jiān)測：利用傳感器模塊對牛棚內(nèi)的溫度、濕度、等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，以確保奶牛在一個適宜的環(huán)境中生存，并保證生產(chǎn)效率。2.遠(yuǎn)程控制：從控制中心可以實現(xiàn)對繼電器運行的遠(yuǎn)程控制，通過對牛棚環(huán)境的實時監(jiān)測和調(diào)整，能夠為奶牛創(chuàng)造更加舒適的生存環(huán)境，從而提高養(yǎng)殖效益。3.實時數(shù)據(jù)顯示：系統(tǒng)中還配備了顯示電路，可以對采集到的溫度濕度光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示，在各個環(huán)節(jié)給管理人員提供更加準(zhǔn)確的信息。4.云端數(shù)據(jù)存儲和分析：通過互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，將數(shù)據(jù)上傳到云端系統(tǒng)中，方便管理人員查看和分析，從而實現(xiàn)更加精細(xì)化的管理。具體的程序設(shè)計流程圖如圖所示。圖2.2系統(tǒng)整體程序設(shè)計流程圖2.3光照傳感器模塊光照傳感器模塊是采用BH1750數(shù)字光照傳感器，本傳感器是用兩線串行總線接口的數(shù)字式光強(qiáng)度傳感器，擁有接近視覺靈敏度光譜靈敏度特性，以數(shù)字信號輸出數(shù)據(jù)，可以直接傳輸給單片機(jī)和微控制器進(jìn)行處理。而且無需其他外部部件，最小誤差的變動僅僅在±20%。它采用了I2C和數(shù)據(jù)輸出格式為16位二進(jìn)制數(shù)的協(xié)議通信方式，具有快速響應(yīng)、高靈敏度和低功耗等特點。光照傳感器管腳連接：LDR連接到光敏電阻上；AO連接到模擬輸入端口上，接收經(jīng)過電壓分壓后的光敏電阻電壓信號；DO連接到數(shù)字輸出端口上，會輸出基于預(yù)先設(shè)定的比較閾值的數(shù)字信號，可以用于外部控制其他設(shè)備的開關(guān)、自動調(diào)節(jié)等。使用函數(shù)解析數(shù)據(jù)u8GetRevDat(u8buf[],u8N,u8*RevStr)。具體的流程圖如圖所示。圖2.3光照量采集程序流程圖2.4溫濕度傳感器模塊本模塊的溫濕度傳感器模塊采用DHT11溫濕度傳感器采集溫濕度的數(shù)據(jù)。DHT11溫濕度傳感器包含一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并且和一個高性能的8位單片機(jī)相連接，而且還應(yīng)用了專業(yè)數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有高精度、低耗能、抗干擾能力強(qiáng)、性價比極高、易于使用等優(yōu)點，溫度測量精度為±2℃，濕度測量精度為±5%RH，能夠滿足大部分應(yīng)用需求，完全符合牛棚所需。管腳連接PE1，對溫濕度傳感器初始化之后需要控制數(shù)據(jù)的輸入輸出，使用voidDHT11_IO_IN(void)和voidDHT11_IO_OUT(void)控制。流程圖如圖所示。圖2.4溫濕度采集程序流程圖2.5繼電器控制模塊設(shè)計繼電器模塊的主要原因是當(dāng)牛棚中的有害氣體濃度超標(biāo)且無人監(jiān)管時，繼電器控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，可以快速的給牛棚換氣，防止有害氣體影響奶牛的生長與產(chǎn)奶，并且當(dāng)溫度或者濕度超標(biāo)時，打開風(fēng)扇也可以給牛棚降溫降濕。繼電器連接芯片管腳PB6-9，首先對繼電器進(jìn)行初始化voidMoto_Init(void)，然后根據(jù)不同的反應(yīng)，使用不同的處理函數(shù)JDQ1(FSfg);控制風(fēng)扇，JDQ2(JRfg);控制加熱，JDQ3(JSfg);控制加濕，JDQ4(Dfg);控制燈。2.6顯示模塊顯示模塊可以用于顯示牛棚環(huán)境的溫度、濕度、光照等數(shù)據(jù)，形成直觀的數(shù)據(jù)圖表，供管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和決策參考。同時，顯示模塊也可以用于顯示設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)、工作情況，方便管理和維護(hù)。顯示模塊使用了0.96OLED顯示屏，目的是將光照傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊和氣體傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)實時顯示，以便工作人員在現(xiàn)場工作時，可以實時的了解奶牛牛棚中的環(huán)境信息，從而提前預(yù)防一些危險情況的發(fā)生。對于顯示模塊OLED需要連接IIC接口，當(dāng)打開OLED顯示之后需要對顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使用voidOLED_ShowChar(u8x,u8y,u8chr,u8Char_Size)進(jìn)行配置。2.7通信模塊通信模塊使用了有人公司最新版本的4G透傳模塊：WH-LTE-7S4V2，這是一款插針式4G模塊，性價比高，兼容性好，高速率低延遲。它支持5模13頻和注冊包/心跳包機(jī)制，操作簡單而且內(nèi)置SIM卡槽，擁有硬件看門狗保護(hù)，可以實現(xiàn)2條網(wǎng)絡(luò)鏈接功能，向不同的服務(wù)器發(fā)送不同的數(shù)據(jù)，還支持短信收發(fā)和短信配置等功能。利用串口設(shè)備將采集的數(shù)據(jù)通過WH-LTE-7S4V2發(fā)送到指定服務(wù)器當(dāng)中，WH-LTE-7S4V2也可以接收服務(wù)器的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)到串口設(shè)備當(dāng)中。以下是4G網(wǎng)絡(luò)通信連接的基本原理：1.建立通信鏈路。當(dāng)設(shè)備需要連接到4G網(wǎng)絡(luò)時，首先需要建立通信鏈路。這個過程通常由移動網(wǎng)絡(luò)運營商的基站負(fù)責(zé)實現(xiàn)，通過無線信號傳輸將設(shè)備與基站連接起來。2.資源分配。建立通信鏈路后，移動網(wǎng)絡(luò)運營商會為設(shè)備分配一定的資源，包括頻段、帶寬等。這些資源將用于支持設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和通信。3.數(shù)據(jù)傳輸。一旦資源分配完成，設(shè)備就可以通過4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信，包括數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、處理等。4.斷開連接。當(dāng)設(shè)備不再需要使用4G網(wǎng)絡(luò)時，需要斷開與基站的連接，以釋放資源并保護(hù)設(shè)備的安全性。對于4G模塊與單片機(jī)連接使用的是PA2、PA3管腳，4G模塊與單片機(jī)建立連接使用LinkInitSet();此函數(shù)使用一次就行，目的是設(shè)置與平臺通信的域名、端口、序列號。然后開啟端口接收數(shù)據(jù)上傳，使用AT24CXX_Write()函數(shù)。圖2.5通信模塊運行過程圖2.8GPS定位技術(shù)GPS定位技術(shù)是美國國防部研制的一種全球衛(wèi)星導(dǎo)航的系統(tǒng)，它由一組分布在空間軌道上的24顆GPS衛(wèi)星和地面的GPS接收機(jī)組成。GPS衛(wèi)星會不斷地向地球發(fā)送射頻信號，地面接收機(jī)通過接收到這些信號，可以計算自己距離其中多顆衛(wèi)星的距離，從而確定自己的位置。GPS（全球定位系統(tǒng)）定位技術(shù)可以對奶牛牛棚產(chǎn)生以下作用：1.精確定位奶牛牛棚：GPS可以在全球范圍內(nèi)提供非常精確的位置信息，因此可以很容易地精確定位奶牛牛棚的位置，包括經(jīng)緯度、海拔高度等信息。2.監(jiān)控奶牛的活動軌跡：通過在奶牛身上搭載GPS追蹤器，可以實時監(jiān)控奶牛的活動軌跡，并對奶牛的實時位置、運動狀態(tài)等信息進(jìn)行記錄和分析。這可以幫助農(nóng)民更好地管理和照顧牛群，及時發(fā)現(xiàn)有問題的奶牛并進(jìn)行妥善處理。3.確定奶牛的活動范圍：通過對奶牛在牛棚內(nèi)外的運動軌跡進(jìn)行記錄和分析，可以精確確定奶牛的活動范圍，管理者可以據(jù)此進(jìn)行合理布局，避免過度擁擠或產(chǎn)生資源浪費。GPS衛(wèi)星系統(tǒng)基于三個原理：測量信號發(fā)射和接收的時間差、測量衛(wèi)星與接收器之間的距離、基于空間三角測量法計算位置。在使用GPS進(jìn)行定位時，需要在目標(biāo)設(shè)備（如手機(jī)、汽車導(dǎo)航、無人機(jī)等）上安裝能夠接收和解碼GPS信號的接收器，通過與衛(wèi)星之間的交互，確定位置信息。對于GPS代碼編寫：需要連接URART，首先對串口進(jìn)行初始化。再使用函數(shù)voidNMEA_GPRMC_Analysis(nmea_msg*gpsx,u8*buf)對GPS的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。對于衛(wèi)星定位采用不同得協(xié)議還需要有不同的處理。還需要使用函數(shù)u8Ublox_Cfg_Cfg_Save(void)對解析得到的數(shù)據(jù)存儲再輸出。第3章硬件模塊設(shè)計3.1系統(tǒng)硬件總體設(shè)計本論文主要設(shè)計的是奶牛牛棚智能控制系統(tǒng)，利用STM32、傳感器、繼電器、4G通信模塊以及OLED屏等硬件實時監(jiān)控奶牛牛棚的環(huán)境，并對奶牛的生存環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。該系統(tǒng)主要的功能是檢測環(huán)境中的有害氣體、溫濕度的高低以及實現(xiàn)自動光照和自動排氣降溫等。經(jīng)過對奶牛的生活環(huán)境調(diào)查研究以及硬件設(shè)計完成后，開始設(shè)計軟件程序的編程。程序開始首先對傳感器進(jìn)行初始化與校準(zhǔn)，然后采集各種氣體與溫濕度的數(shù)據(jù)，單片機(jī)進(jìn)行量化編碼，然后傳遞到OLED屏幕上，并利用4G通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，?dāng)某項數(shù)據(jù)指標(biāo)超過規(guī)定值時，單片機(jī)控制繼電器運行，直到該項數(shù)據(jù)到達(dá)一個合適的范圍時，繼電器停止運行。流程圖如下圖所示。圖3.1系統(tǒng)硬件總體運行過程圖3.2主控模塊使用STM32C8T6芯片作為主控芯片，其中主要包括供電模塊、穩(wěn)壓電路、復(fù)位電路、晶振電路、下載口等。使用12V電源給系統(tǒng)供電。采用LM2596穩(wěn)壓器設(shè)計降壓電路會將12V電壓降為5V來給傳感器供電；采用AMS1117穩(wěn)壓器設(shè)計降壓電路會將5V電壓降為3.3V給STM32C8T6芯片供電；設(shè)計的穩(wěn)晶振電路采用兩個不同的外部晶振，會分別連接兩個電容進(jìn)行濾波，目的是給主控芯片提供穩(wěn)定的外部時鐘信號；復(fù)位電路則通過按鍵使電容放電，令復(fù)位引腳接收到高電平，單片機(jī)系統(tǒng)自動復(fù)位。3.2.1STM32C8T6芯片本設(shè)計采用STM32C8T6芯片，STM32C8T6芯片是基于ARMCortex-M3架構(gòu)的微控制器，集成有高性能32位處理器、閃存、SRAM和外設(shè)接口，大量的IO口可以接入很多的外部設(shè)備；還有單獨的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和內(nèi)部晶振，該芯片具有運算速度較快，低功耗、高穩(wěn)定性和易于開發(fā)等特點，比16位單片機(jī)性能好，又比其他32位的單片機(jī)成本低功耗低，具有極高的性價比，目前已經(jīng)成為了民用單片機(jī)使用最頻繁的一款。STM32C8T6芯片的廣泛應(yīng)用也推動了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。而且該芯片具有獨立編程的flash方便人們進(jìn)行電路的簡化，是眾多控制器的首選芯片。芯片模塊如下圖所示。圖3.2主控芯片模塊實物圖3.2.2供電電路本系統(tǒng)采用了12V的開關(guān)電源來給整個系統(tǒng)供電，剛好滿足繼電器與通信模塊的電壓需求，然后使用LM2596穩(wěn)壓器和AMS1117穩(wěn)壓器進(jìn)行降壓，從而滿足其他元件對電源的需求。采用這樣的電源方案，不僅能夠滿足各元件對電源的需求，還可以提高整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。AMS1117是一種固定輸出電壓穩(wěn)壓器。AMS1117可提供1A電流，額定輸入電壓為4.75V至12V，輸出電壓版本有3.3V、5V等不同選項。而且在最大電流輸出時，它的最小壓差保證不超過1V，并隨負(fù)載電流的減小降低，性能非常穩(wěn)定，價格也很低，是最契合STM32C8T6主控芯片的穩(wěn)壓器。Vin輸入電壓，連接至電源正極；GND地線，連接至電源負(fù)極；Vout輸出電壓，連接至負(fù)載正極。LM2596是一款集成式高效降壓開關(guān)穩(wěn)壓器芯片，可以將較高電壓降壓為較低電壓，同時可以調(diào)節(jié)輸出電壓，常用于電路板電源設(shè)計、航模供電等領(lǐng)域。具有較好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，輸出引腳的電感值和電容值相比其他的穩(wěn)壓器較小，可以使開關(guān)電源的體積更小，更方便我們的使用。Vout輸出電壓，連接至負(fù)載正極；Adjust調(diào)節(jié)管腳，一般接到一個電位器上，用于調(diào)節(jié)輸出電壓和穩(wěn)定器的電壓。3.3光照量采集程序設(shè)計BH1750是基于I2C通信協(xié)議的數(shù)字傳感器，因此可以很容易地與各種單片機(jī)和微控制器連接，其工作原理基于光敏電阻的變化，可以快速測量所接收的光源的亮度，測量結(jié)束之后，單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)，最后將讀取到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)計算成具體的光照量。程序的具體設(shè)計方法按照BH1750光照傳感器的通訊方式設(shè)計即可，需要注意的是在測量數(shù)據(jù)時要延遲200ms，接收到數(shù)據(jù)后要把結(jié)果傳送到OLED與云端設(shè)備中。圖3.3光照傳感器模塊實物圖3.4溫濕度采集程序設(shè)計3.4.1溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)DHT11溫濕度傳感器采用的是單總線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即采用1-Wire的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。該傳感器只需要一根數(shù)據(jù)線即可完成溫濕度數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)線可以直接連接到微控制器的GPIO引腳。傳輸?shù)脑硎窃趥鬏斍?，DHT11需要向主機(jī)發(fā)送起始信號，即將數(shù)據(jù)線拉低一段時間；主機(jī)接到起始信號后，發(fā)送讀取信號，DHT11就開始將溫濕度數(shù)據(jù)以串行方式發(fā)送；DHT11將溫濕度數(shù)據(jù)通過單總線依次發(fā)送到主機(jī)，每一位數(shù)據(jù)的發(fā)送都包括一個時序（高電平或低電平）和一個時間（短或長的脈沖信號）；主機(jī)在接受DHT11傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗，以保證數(shù)據(jù)的正確性。3.4.2溫濕度傳感器的通信方式DHT11通信協(xié)議的工作原理是通過主機(jī)（主控板）在數(shù)據(jù)總線上發(fā)出命令，控制DHT11傳輸溫濕度數(shù)據(jù)，主機(jī)需要對溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。DHT11溫濕度傳感器的信號傳輸格式是由一個40位數(shù)據(jù)序列組成的，其中包含40個bit，每個bit的傳輸周期為50us，即總線上高電平持續(xù)時間為26~28us，低電平持續(xù)時間為70us（0）和120us（1）。3.4.3溫濕度數(shù)據(jù)采集流程程序開始的第一步是需要主機(jī)（STM32單片機(jī)）發(fā)送開始信號，會通過配置IO口輸出低電平20ms，再輸出高電平30us，然后關(guān)閉端口即可。第二步主機(jī)接受傳感器的響應(yīng)信號，此時為我們需要配置所用的IO口為輸入模式，檢測電平時間，當(dāng)接收到先低電平40～50us，后高電平40～50us時，傳感器開始輸入數(shù)據(jù)。第三步主機(jī)接收DHT11發(fā)送的數(shù)據(jù)，由DHT11溫濕度的通信方式我們很好判斷，當(dāng)接收高電平超過30us時數(shù)據(jù)為1，沒有超過時數(shù)據(jù)為0，以此循環(huán)40次，循環(huán)結(jié)束后對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，最后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示屏與云端設(shè)備中。圖3.4溫濕度傳感器模塊實物圖3.5繼電器模塊介紹繼電器模塊是一種控制裝置，繼電器是電子元器件中常用的開關(guān)元件，其原理是利用電磁原理和機(jī)械運動原理將信號電流轉(zhuǎn)換成控制電路的開關(guān)信號。當(dāng)通電時，電磁鐵吸引開關(guān)，使其接通；當(dāng)斷電時，電磁鐵不再吸引開關(guān)，使其斷開。繼電器模塊一般有多個管腳，常用的管腳如下：VCC電源正極，一般連接5V的電源；GND連接電源負(fù)極，一般連接到地；IN控制輸入信號，一般連接到微控制器的數(shù)字輸出口；COM/NC：常開、常閉和公共端口，一般用于控制外部電路。COM是公共端口，NO是常開端口，NC是常閉端口，當(dāng)繼電器沒有被觸發(fā)時，COM和NC相連，當(dāng)繼電器被觸發(fā)時，COM和NO相連。實物圖如圖所示。圖3.5繼電器實物圖3.6舵機(jī)模塊舵機(jī)是一種位置角度的驅(qū)動器，適用于需要不同角度變化并保持的控制，在本設(shè)計中將用來模擬控制窗簾的打開和關(guān)閉。它是用直流繼電器、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成的一套自動控制系統(tǒng)。舵機(jī)的控制方式是采用PWM方式進(jìn)行控制的。在使用STM3對舵機(jī)進(jìn)行控制時就需要STM32的引腳輸出PWM信號，PWM信號可以通過定時器，delay\t"/CJH_12345_/article/details/_blank"延時函數(shù)等方式產(chǎn)生。使用Motorccw_angle函數(shù)控制舵機(jī)上的指針轉(zhuǎn)動方向。實物圖如下圖所示。圖3.6舵機(jī)模塊實物圖3.7LCD顯示屏介紹LCD（LiquidCrystalDisplay，液晶顯示器）顯示屏是當(dāng)前最常用的一種電子顯示屏，廣泛應(yīng)用于手持設(shè)備、電視、計算機(jī)顯示器等眾多場合。LCD顯示器是利用液晶分子的光學(xué)特性，在兩塊平行的玻璃板之間夾一層液晶粘合劑，靠加壓來控制液晶的方向，從而實現(xiàn)對各個像素點的控制。LCD顯示屏優(yōu)點：顯示效果優(yōu)越，能耗低，價格適中。LCD分為帶中文字庫和不帶中文字庫兩種有并行傳輸和串行傳輸兩種方式。通常并行傳輸速度稍微快一些，該模塊可以通過引腳連接到電源，從而完成電路的連接。圖3.7顯示模塊實物圖3.8通信模塊程序設(shè)計4G網(wǎng)絡(luò)通信指第四代移動通信技術(shù)。它是一種高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，能夠提供更高的帶寬和更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時也可以支持更多的移動設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。4G網(wǎng)絡(luò)通信采用OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)，具有高速率的特點，可以支持高速數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)更快的下載、上傳和視頻流媒體等應(yīng)用。MIMO（多輸入多輸出）和SmartAntenna（智能天線）技術(shù)，可以提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和信號質(zhì)量，使得移動終端可以在更廣闊的區(qū)域內(nèi)接收和發(fā)送信號。同時，4G網(wǎng)絡(luò)通信也采用了更先進(jìn)的加密技術(shù)，保障了數(shù)據(jù)的安全性。4G網(wǎng)絡(luò)通信是一種高速、高效和安全的移動通信技術(shù)，它可以為人們提供更好的移動互聯(lián)網(wǎng)體驗，并在各個領(lǐng)域和行業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。4G網(wǎng)絡(luò)通信和前幾代的移動通信技術(shù)（2G和3G）相比，有著更高的速率、更低的延遲和更好的信號覆蓋范圍。4G網(wǎng)絡(luò)采用OFDMA技術(shù)，能夠?qū)⒉煌挠脩艉蛻?yīng)用分配到不同的子載波，大幅提高了網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率和容量。同時，4G網(wǎng)絡(luò)還支持更多的應(yīng)用場景，如高清視頻通話、高速移動數(shù)據(jù)下載等。對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言，4G網(wǎng)絡(luò)也提供了更為穩(wěn)定和可靠的通信支持，能夠滿足大規(guī)模設(shè)備連接和大數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃枨?。因此，在智能物?lián)網(wǎng)領(lǐng)域，4G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。圖3.8通信模塊原理圖第4章上位機(jī)設(shè)計4.1上位機(jī)總體架構(gòu)上位機(jī)是指一個使用通過操作系統(tǒng)的計算機(jī)，用于控制和監(jiān)控其他設(shè)備，它通常是一種軟件程序或者集成開發(fā)環(huán)境，可以與設(shè)備或者系統(tǒng)通過各種通信方式進(jìn)行通信，比如串口、USB、WIFI、4G通信等。對于上位機(jī)手機(jī)APP的數(shù)據(jù)傳輸，通常情況下可以通過TCP、UDP協(xié)議進(jìn)行通訊，本次設(shè)計采用的基于TCP協(xié)議與芯片等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計上位機(jī)主要是使用代碼編寫了一個手機(jī)APP，手機(jī)APP通過芯片連接的4G通信模塊進(jìn)行連接，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)APP，通過手機(jī)APP可以顯示數(shù)據(jù)或者實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。上位機(jī)主要具備以下主要功能：參數(shù)監(jiān)測和實時反饋：上位機(jī)通過與傳感器網(wǎng)絡(luò)的連接，實時監(jiān)測牛棚室內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)，并將數(shù)據(jù)反饋給操作人員。操作人員可以隨時了解牛棚的環(huán)境狀態(tài)，及時作出調(diào)整。自動調(diào)節(jié)與控制：上位機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)范圍和養(yǎng)殖奶牛要求，通過控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器，自動調(diào)節(jié)牛棚內(nèi)的溫濕度、通風(fēng)設(shè)備、燈光等環(huán)境條件，以保持最佳的生長環(huán)境。例如，在溫度過高時，上位機(jī)可以自動啟動降溫設(shè)備，確保牛棚室內(nèi)的溫度在適宜范圍內(nèi)。報警和遠(yuǎn)程控制：上位機(jī)通過設(shè)置預(yù)警參數(shù)，當(dāng)環(huán)境參數(shù)超出預(yù)設(shè)范圍時，自動發(fā)出警報并提醒操作人員。此外，上位機(jī)還支持遠(yuǎn)程控制功能，允許操作人員通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)節(jié)牛棚環(huán)境，提高了系統(tǒng)的靈活性和便捷性。圖4.1上位機(jī)流程圖4.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計SQLite是一款嵌入式SQL數(shù)據(jù)庫引擎，特點是體積小、速度快、免費開源?？梢允褂肅語言編寫，不需要獨立的服務(wù)器進(jìn)程，數(shù)據(jù)保存在本地文件中。SQLite支持ANSISQL92標(biāo)準(zhǔn)，具有關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的基本功能，支持事務(wù)、聯(lián)合查詢、多表連接、觸發(fā)器等。SQLite支持跨多種操作系統(tǒng)平臺，包括Windows、Linux、MacOSX、Android、iOS等。SQLite輕量級、易用、有很好的性能，適合用于嵌入式系統(tǒng)、移動應(yīng)用等低資源消耗和有限存儲空間的應(yīng)用中。使用手機(jī)APP查看歷史記錄的數(shù)據(jù)庫描述會包含以下信息：1.打開相應(yīng)的手機(jī)APP：在手機(jī)上打開該APP，首先注冊登錄，可以查看用戶的個人信息，如：用戶名、聯(lián)系人姓名、電話號碼、郵箱等。2.查看數(shù)據(jù)頁面：在APP的主界面上可以查看當(dāng)前傳感器采集的數(shù)據(jù)，查找并點擊歷史數(shù)據(jù)按鈕或圖標(biāo)，進(jìn)入歷史記錄頁面，可以查看GPS定位歷史信息、溫濕度采集數(shù)據(jù)歷史信息、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)歷史信息。3.選擇日期和時間：在歷史記錄頁面上，可以選擇需要查詢數(shù)據(jù)的日期和時間范圍。4.查看歷史數(shù)據(jù)：根據(jù)選擇的日期和時間范圍，APP會顯示相應(yīng)日期和時間范圍內(nèi)所上傳的所有傳感器數(shù)據(jù)，可以查看各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析和處理。5.切換模式：在主頁面上可以直接選擇是否切換模式，可切換為自動模式或者手動模式，一般默認(rèn)為自動模式。6.查看地圖：可以直接查看當(dāng)前GPS定位信息。7.查看硬件狀態(tài)：點擊主頁面發(fā)現(xiàn)按鈕，進(jìn)入下一界面可以查看設(shè)備信息、云組態(tài)、設(shè)備視圖。8.控制模塊：可以直接控制繼電器模擬的加濕器、加溫器、通風(fēng)設(shè)備、燈光；可以控制舵機(jī)模擬的窗簾。圖4.2手機(jī)APP界面4.3其他部分程序設(shè)計在溫濕度數(shù)據(jù)和氣體數(shù)據(jù)采集之后，我們要將采集到的數(shù)據(jù)實時的顯示到OLED屏幕上，方便工作人員及時的了解到奶牛牛棚中的各種環(huán)境信息。程序首先需要復(fù)位OLED屏，并將其初始化，配置好數(shù)據(jù)與時鐘后，再將傳感器采集到的數(shù)據(jù)顯示。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超過我們設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)值后，就需要啟動繼電器，開始通風(fēng)排氣，繼電器啟動方式很簡單，只需要給晶體管一個高電平的信號即可，晶體管導(dǎo)通線圈通電，吸附刀片從常閉觸點變?yōu)槌ｉ_觸點，繼電器通電開始工作。第5章整體系統(tǒng)測試5.1系統(tǒng)性能測試對于奶牛牛棚環(huán)境遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)性能測試內(nèi)容包括以下方面：1.數(shù)據(jù)采集測試：測試各個傳感器模塊采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，包括溫度、濕度、氨氣濃度等參數(shù)的采集情況，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。2.控制電路測試：測試控制電路的功能和穩(wěn)定性，包括無線控制和手動控制等不同方式的控制測試，并驗證繼電器控制和顯示電路的正常運行。3.云端數(shù)據(jù)上傳測試：測試數(shù)據(jù)上傳的穩(wěn)定性和可靠性，驗證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蜏?zhǔn)確性，并在后臺管理系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和操作測試。本系統(tǒng)采用Jlink實時仿真，經(jīng)過仿真后得出，該控制器可以完成預(yù)期的任務(wù)，能夠快速的讀取數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確，實時響應(yīng)較好。在環(huán)境條件惡劣的情況下，也可以穩(wěn)定的輸出數(shù)據(jù)，表明穩(wěn)定性也良好，但是在工作時需要預(yù)熱一段時間，然后傳感器才開始穩(wěn)定工作。5.2系統(tǒng)運行性能分析在測試時，為了使測試環(huán)境更加真實，在測試現(xiàn)場使用了加濕器和電熱扇來分析溫濕度傳感器的靈敏度和準(zhǔn)確性；借用了化學(xué)實驗室中的氨氣、硫化氫和干冰來檢測氣體傳感器的精度和響應(yīng)速度；利用光源的距離與強(qiáng)度的關(guān)系來檢測光照傳感器的性能；最后將各種測試設(shè)備綜合起來，調(diào)整各項變量，從而檢測控制器的準(zhǔn)確性、快速性以及穩(wěn)定性。通過測試控制器發(fā)現(xiàn)，本控制器在通電一段時間后，會在云端設(shè)備和OLED屏幕上顯示穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。經(jīng)過在不同的環(huán)境進(jìn)行多次檢測后得出：本控制器顯示的數(shù)據(jù)與實際情況相比誤差較小，對環(huán)境的敏感程度較高，在正常工作后，響應(yīng)速度也良好，繼電器運行也非常的穩(wěn)定，說明該控制器完全達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。5.3系統(tǒng)實物圖圖5.1系統(tǒng)整體實物圖：下位機(jī)和上位機(jī)5.4測試總結(jié)5.4.1傳感器模塊溫濕度傳感器和光照傳感器能迅速的采集當(dāng)前環(huán)境的溫度、濕度、光照強(qiáng)度。對溫濕度傳感器吹口氣，將光源照射到光照傳感器上，查看數(shù)據(jù)對比，如下圖所所示。圖5.2傳感器數(shù)據(jù)對比5.4.2繼電器模塊當(dāng)采集的數(shù)據(jù)與閾值進(jìn)行對比之后，超過閾值就會及時做出反應(yīng)，溫度過低打開加溫器，濕度不夠打開加濕器，溫度過高打開通設(shè)備。如圖5.3繼電器測試圖。圖5.3繼電器測試圖5.4.3舵機(jī)模塊當(dāng)檢測光照強(qiáng)度過高會打開舵機(jī)模擬窗簾的打開和關(guān)閉。如圖5.4舵機(jī)測試圖。圖5.4舵機(jī)測試圖5.4.4顯示屏模塊當(dāng)數(shù)據(jù)通過傳感器采集之后通過函數(shù)傳輸?shù)斤@示屏進(jìn)行顯示。如圖5.5顯示器測試圖。圖5.5顯示器測試圖5.4.5上位機(jī)模塊通過4G通信技術(shù)將芯片和手機(jī)APP進(jìn)行連接，手機(jī)可以很好的顯示傳感器采集的數(shù)據(jù)。通過GPS可以查看當(dāng)前奶牛所在位置，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過手機(jī)APP顯示的按鍵可以修改切換模式，變?yōu)樽詣幽Ｊ交蛘呤謩幽Ｊ?，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。如圖5.6上位機(jī)測試圖。圖5.6上位機(jī)測試圖5.4.6通訊模塊通訊模塊測試:通過測試如下圖所示。ping加地址可以顯示數(shù)據(jù)，表示通訊4g模塊正常連接。如圖5.6通訊模塊測試圖圖5.7通訊模塊測試圖5.4.7整體效果當(dāng)下位機(jī)上電開始運行之后，傳感器正常準(zhǔn)確的采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示屏或者云平臺，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)，環(huán)境參數(shù)超過設(shè)定的閾值，繼電器和舵機(jī)可以快速的做出相應(yīng)的反應(yīng)，上位機(jī)可以迅速的接收到下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)，GPS技術(shù)可以實時定位奶牛當(dāng)前位置。如圖5.8實物圖圖5.8實物圖第6章總結(jié)6.1設(shè)計總結(jié)首先根據(jù)本文想要實現(xiàn)的功能進(jìn)行了硬件的電路設(shè)計，包括所需要的不同器件的選擇、原理圖和PCB圖的繪制以及所需連接電路的焊接。然后進(jìn)行了軟件的設(shè)計，其中最重要的就是傳感器數(shù)據(jù)的采集，只有獲得了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)才可以進(jìn)行后面的工作，最終經(jīng)過調(diào)試后，本控制器基本可以完成目標(biāo)的任務(wù)。奶牛牛棚環(huán)境智能遠(yuǎn)程控制器是一種基于現(xiàn)代通信技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的智能化設(shè)備，它可以實現(xiàn)對奶牛生產(chǎn)和養(yǎng)殖環(huán)境的實時監(jiān)控和調(diào)控，提高奶牛養(yǎng)殖的效益、質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展性。奶牛牛棚環(huán)境智能遠(yuǎn)程控制器的發(fā)展趨勢包括：應(yīng)用場景的不斷拓展、技術(shù)的不斷成熟與創(chuàng)新、多元化的功能要求和開放性的系統(tǒng)架構(gòu)。未來，隨著技術(shù)的不斷革新和應(yīng)用場景的拓展，奶牛牛棚環(huán)境智能遠(yuǎn)程控制器將在奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的智能化升級和可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮越來越重要的作用。6.2展望奶牛牛棚環(huán)境智能遠(yuǎn)程控制器作為奶牛養(yǎng)殖業(yè)智能化升級的重要手段，雖然取得了一些重要成果，但仍面臨一些問題和挑戰(zhàn)。未來奶牛牛棚環(huán)境智能遠(yuǎn)程控制器發(fā)展趨勢將呈現(xiàn)以下幾個方面：1.技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)逐步統(tǒng)一和規(guī)范化。相關(guān)部門將推動奶牛牛棚環(huán)境智能遠(yuǎn)程控制器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，形成統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。2.數(shù)據(jù)共享和整合技術(shù)逐步成熟。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷成熟，相關(guān)技術(shù)企業(yè)將加強(qiáng)數(shù)據(jù)共享和整合技術(shù)的研究，為奶牛牛棚環(huán)境智能遠(yuǎn)程控制器應(yīng)用提供更好的數(shù)據(jù)服務(wù)。3.成本逐步降低，應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷成熟和技術(shù)更新?lián)Q代的加速，奶牛牛棚環(huán)境智能遠(yuǎn)程控制器的成本將逐步降低，應(yīng)用范圍也將逐漸擴(kuò)大。參考文獻(xiàn)[1]周英昊,武震鋼,毛森,王亞男,馮曼,于濱,許翊冉,吳限,郭建軍,邱殿銳.冀北不同建筑類型奶牛舍冬季環(huán)境質(zhì)量比較[J].家畜生態(tài)學(xué)報,2021,42(02):50-55.[2]黃鳳英,江仁海,林建龍,馮俊國,李夢鶴,楊和融.分布式的智能遠(yuǎn)程林園檢測管理系統(tǒng)設(shè)計[J].數(shù)碼設(shè)計,2018,7(01):32-36．[3]程思寧,史舜文.室內(nèi)環(huán)境智能控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子世界,2021,(16):125-127.[4]程捷.基于多參數(shù)融合的豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)研究[D].湖北工業(yè)大學(xué),2021.[5]夏雪,侍嘯,柴秀娟.人工智能驅(qū)動智慧奶牛養(yǎng)殖的思考與實踐[J].中國乳業(yè),2020(8):5.[6]安潔,翟國印.奶牛養(yǎng)殖環(huán)境智能控制標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)研究[J].2021(2017-11):94-97.[7]王曦,周惠興,王舜等.基于邊緣計算的室內(nèi)測量設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].國外電子測量技術(shù),2022(008):041.[8]任月曉,米浩,王耀,蘭西柱.一種農(nóng)業(yè)病蟲害高清拍照系統(tǒng)[J].中國科技信息,2020,(06):78-79+81.[9]趙威.中國奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].畜禽業(yè),2018,29(2):1.[10]候子棟,祖新政,翁業(yè)斌,等.規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖場犢牛梭菌性腸炎的誘發(fā)因素和防制[J].草食家畜,2020(006):000.[11]杜松懷,鄒兵,施正香.奶牛環(huán)境信息及生物信息監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān):,CN110543199A[P].2019.[12]孫小琴,宋振華,周靜靜,等.奶牛溫?zé)岘h(huán)境評價指數(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展[J].動物營養(yǎng)學(xué)報,2021.[13]袁妙玲.智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].科技傳播,2018(11):2.[14]張寶雯,王春光,宗哲英等對日光溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控APP的設(shè)計與開發(fā)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2018,40(11):5.[15]鄭宇平.基于物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式技術(shù)的船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)[J].艦船科學(xué)技術(shù),2018(1X):3.[16]deOliveiraEuclidesReuter,MunizElaineBarbosa,SoaresJo?oPauloGuimar?es,deAraújoGabrielAndréaMaria,GandraJeffersonRodrigues,MenegatAlziraSalete,SilvaJanainaTayna,NevesNathalieFerreira,MarquesOrlandoFilipeCosta.Ecologicalandsocio-environmentalimpactsofconversiontoorganicdairyfar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