原標題：智能畜牧業養殖監控預警系統設計方案

基于STM32微處理器+環境監測傳感器的智能畜牧業養殖監控預警系統設計方案

一、系統設計背景與目標

隨著現代農業技術的快速發展，智能化管理在畜牧業養殖中扮演著越來越重要的角色。環境參數（如溫度、濕度、光照強度、氨氣濃度等）直接影響動物的生長狀態、健康水平及養殖效率。傳統養殖方式依賴人工巡檢，存在響應滯后、數據不準確等問題，難以滿足現代化養殖需求。

系統目標：

1. 實時監測：通過多傳感器融合技術，實時采集養殖環境關鍵參數。

2. 自動調控：根據預設閾值自動啟動通風、加濕、照明等設備，維持環境穩定。

3. 遠程管理：支持手機APP和Web端遠程監控與參數配置。

4. 異常預警：通過蜂鳴器、短信或平臺推送實現環境異常報警。

5. 低功耗與可靠性：采用成熟元器件和冗余設計，確保系統長期穩定運行。

二、系統硬件架構設計

系統硬件架構分為數據采集層、主控處理層、執行控制層和通信層，具體組成如下：

1. 主控芯片：STM32F407VET6

器件作用：作為核心控制器，負責傳感器數據采集、邏輯運算、設備控制及通信協議處理。
選擇理由：

• 高性能：基于ARM Cortex-M4內核，主頻168MHz，支持浮點運算，滿足多任務處理需求。

• 豐富外設：集成I2C、SPI、UART、ADC、PWM等接口，簡化硬件設計。

• 低功耗：支持多種低功耗模式，延長設備續航。

• 生態完善：提供HAL庫和CubeMX圖形化配置工具，開發效率高。

2. 環境監測傳感器選型

(1) 溫濕度傳感器：DHT22（AM2302）

器件作用：實時監測養殖環境溫度和濕度。
選擇理由：

• 高精度：溫度精度±0.5℃，濕度精度±2%RH，滿足畜牧業需求。

• 寬量程：溫度范圍-40℃~80℃，濕度范圍0%~100%RH。

• 單總線接口：簡化與STM32的連接，降低硬件復雜度。

(2) 光照傳感器：BH1750FVI

器件作用：檢測光照強度，控制照明設備啟停。
選擇理由：

• 高精度：測量范圍0~65535 lx，分辨率1 lx。

• I2C接口：直接與STM32通信，支持16位數據輸出。

• 低功耗：待機電流僅0.1 μA，適合長期運行。

(3) 氨氣傳感器：MQ-137

器件作用：監測氨氣濃度，預防呼吸道疾病。
選擇理由：

• 高靈敏度：對氨氣響應迅速，濃度范圍5~500 ppm。

• 成本低：模塊化設計，易于集成。

• 抗干擾強：內置濾波電路，減少誤報。

(4) 二氧化碳傳感器：MH-Z19B

器件作用：檢測CO?濃度，優化通風策略。
選擇理由：

• 高精度：測量范圍0~5000 ppm，精度±50 ppm。

• UART/PWM輸出：兼容STM32多種通信方式。

• 自動校準：內置溫度補償，長期穩定性好。

3. 執行機構與驅動模塊

(1) 通風風扇：5V直流小風扇 + SRD-05VDC-SL-C繼電器

器件作用：當濕度或氨氣超標時啟動通風。
選擇理由：

• 低功耗：5V供電，電流僅100 mA。

• 繼電器驅動：STM32 GPIO通過繼電器控制風扇通斷，隔離高壓電路。

(2) 加濕器：超聲波加濕模塊 + S8050三極管驅動

器件作用：當濕度低于閾值時啟動加濕。
選擇理由：

• 高效加濕：霧化量300 mL/h，適用于中小型養殖場。

• 三極管驅動：STM32 PWM輸出控制加濕器功率，實現濕度精準調節。

(3) 照明系統：LED燈帶 + MOSFET驅動

器件作用：當光照不足時補充光源。
選擇理由：

• 節能高效：LED燈帶功耗低，壽命長。

• MOSFET驅動：IRF540N MOSFET控制大電流負載，響應速度快。

4. 通信模塊選型

(1) Wi-Fi模塊：ESP8266-01S

器件作用：通過MQTT協議與華為云IoT平臺通信。
選擇理由：

• 低成本：模塊價格低，適合大規模部署。

• 協議支持：內置TCP/IP協議棧，支持MQTT輕量級通信。

• 低功耗：深度睡眠電流僅10 μA。

(2) 4G模塊：SIM800C

器件作用：作為備用通信通道，確保網絡中斷時數據本地存儲。
選擇理由：

• 全網通：支持移動、聯通、電信4G網絡。

• AT指令控制：通過UART與STM32通信，開發簡單。

5. 電源管理模塊

(1) 降壓芯片：MP1584EN

器件作用：將12V電源降壓至5V，為系統供電。
選擇理由：

• 高效率：轉換效率達95%，減少發熱。

• 寬輸入范圍：支持4.5V~28V輸入，兼容多種電源。

(2) 鋰電池充電芯片：TP4056

器件作用：為備用鋰電池充電，保障斷電時系統運行。
選擇理由：

• 恒流/恒壓充電：充電電流1A，支持涓流充電。

• 保護功能：內置過充、過放、短路保護。

6. 顯示與報警模塊

(1) OLED顯示屏：SSD1306 0.96寸I2C接口

器件作用：本地顯示環境參數和系統狀態。
選擇理由：

• 高分辨率：128×64像素，顯示清晰。

• 低功耗：待機電流僅0.01 mA。

(2) 蜂鳴器：有源蜂鳴器 + S8050三極管驅動

器件作用：環境異常時發出警報。
選擇理由：

• 高響度：85 dB聲壓級，穿透力強。

• 簡單驅動：STM32 GPIO通過三極管控制通斷。

三、系統電路框圖設計

系統電路框圖如下：

+-------------------+       +-------------------+       +-------------------+

|                   |       |                   |       |                   |

|   STM32F407VET6   |<----->|   DHT22溫濕度     |<----->|   BH1750光照      |

|                   |       |                   |       |                   |

+-------------------+       +-------------------+       +-------------------+

|                           |                           |

| I2C/UART                  | I2C                       | PWM

v                           v                           v

+-------------------+       +-------------------+       +-------------------+

|                   |       |                   |       |                   |

|   MQ-137氨氣      |<----->|   MH-Z19B CO?     |<----->|   ESP8266 Wi-Fi   |

|                   |       |                   |       |                   |

+-------------------+       +-------------------+       +-------------------+

|                           |                           |

| ADC                        | UART                      | UART

v                           v                           v

+-------------------+       +-------------------+       +-------------------+

|                   |       |                   |       |                   |

|   SRD-05VDC繼電器 |<----->|   IRF540N MOSFET  |<----->|   SIM800C 4G      |

|                   |       |                   |       |                   |

+-------------------+       +-------------------+       +-------------------+

|                           |                           |

| 風扇/加濕器                | LED照明                   | 云平臺

v                           v                           v

+-------------------+       +-------------------+       +-------------------+

|                   |       |                   |       |                   |

|   OLED顯示屏      |<----->|   蜂鳴器          |<----->|   鋰電池+TP4056    |

|                   |       |                   |       |                   |

+-------------------+       +-------------------+       +-------------------+

四、系統軟件設計

1. 主程序流程

1. 初始化：配置GPIO、ADC、I2C、UART、PWM、定時器等外設。

2. 數據采集：定時讀取DHT22、BH1750、MQ-137、MH-Z19B數據。

3. 邏輯判斷：比較采集值與預設閾值，決定是否啟動執行機構。

4. 數據上傳：通過ESP8266將數據發送至華為云IoT平臺。

5. 本地顯示：在OLED上實時顯示環境參數和設備狀態。

6. 異常報警：當參數超限時，觸發蜂鳴器并推送報警信息。

2. 關鍵代碼示例

(1) DHT22溫濕度采集

#include "stm32f4xx_hal.h"  

#include "dht22.h"  



void DHT22_Read(float *temp, float *humi) {

uint8_t data[5];

DHT22_Start();

if (DHT22_CheckResponse()) {

for (int i = 0; i < 5; i++) {

data[i] = DHT22_ReadByte();

}

*humi = (float)((data[0] << 8) | data[1]) * 0.1;

*temp = (float)((data[2] & 0x7F) << 8 | data[3]) * 0.1;

if (data[2] & 0x80) *temp *= -1;

}

}

(2) MQTT協議實現

#include "MQTTClient.h"  



void MQTT_Init(void) {

Network network;

MQTTClient client;

NewNetwork(&network);

ConnectNetwork(&network, "SSID", "PASSWORD");

MQTTClientInit(&client, &network, 1000, sendbuf, sizeof(sendbuf), readbuf, 
sizeof(readbuf));

MQTTPacket_connectData data = MQTTPacket_connectData_initializer;

data.clientID.cstring = "STM32_Farm";

MQTTConnect(&client, &data);

}



void MQTT_Publish(char *topic, char *payload) {

MQTTPacket_connectData data = MQTTPacket_connectData_initializer;

MQTTMessage message;

message.qos = QOS1;

message.retained = 0;

message.payload = (void *)payload;

message.payloadlen = strlen(payload);

MQTTPublish(&client, topic, &message);

}

(3) 執行機構控制

void Fan_Control(uint8_t state) {

HAL_GPIO_WritePin(FAN_RELAY_GPIO_Port, FAN_RELAY_Pin, state ? GPIO_PIN_SET : 
GPIO_PIN_RESET);

}



void Humidifier_Control(uint8_t pwm_duty) {

__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, pwm_duty);

}

五、系統測試與優化

1. 測試方法

1. 功能測試：驗證傳感器數據采集、執行機構動作、通信功能是否正常。

2. 穩定性測試：連續運行72小時，記錄系統重啟次數和異常報警。

3. 環境適應性測試：在高溫、高濕、低電壓等條件下測試系統可靠性。

2. 優化方向

1. 低功耗優化：

• 采用STM32的Stop模式，在空閑時關閉外設時鐘。

• 降低OLED刷新頻率，減少屏幕功耗。

2. 數據準確性優化：

• 對傳感器數據進行卡爾曼濾波，減少噪聲干擾。

• 定期校準傳感器，避免漂移。

3. 通信穩定性優化：

• 實現MQTT斷線重連機制，確保網絡波動時數據不丟失。

• 增加本地SD卡存儲，作為通信中斷時的數據備份。

六、系統應用場景與效益分析

1. 應用場景

1. 生豬養殖：監測氨氣濃度，預防呼吸道疾病。

2. 蛋雞養殖：控制光照強度，提高產蛋率。

3. 水產養殖：監測溶解氧和溫度，優化水質。

2. 效益分析

1. 經濟效益：

• 減少人工巡檢成本，降低人力成本30%以上。

• 精準控制環境參數，提高飼料轉化率5%~10%。

2. 社會效益：

• 改善動物福利，減少抗生素使用。

• 降低養殖污染，助力碳中和目標。

七、總結與展望

本文設計了一種基于STM32微處理器和環境監測傳感器的智能畜牧業養殖監控預警系統，通過多傳感器融合、自動調控和遠程管理技術，實現了養殖環境的智能化管理。系統具有高精度、低功耗、易擴展等優點，可廣泛應用于規模化養殖場。

未來優化方向：

1. AI算法引入：通過機器學習預測環境變化趨勢，提前調控設備。

2. 多節點擴展：支持LoRa或ZigBee無線組網，實現分布式監測。

3. 區塊鏈應用：將養殖數據上鏈，保障食品安全可追溯。

通過持續技術創新，智能畜牧業將進一步提升生產效率，推動農業現代化進程。