宗振海，王雅萍，陳智慧

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京 210031）

基于STM32的仔豬智能恒溫保育箱的設(shè)計(jì)

宗振海，王雅萍，陳智慧

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京 210031）

通過對(duì)仔豬保育期內(nèi)溫度數(shù)據(jù)的分析，采用理論分析和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)出一套恒溫保育箱控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32為主控芯片，根據(jù)溫度傳感器采集的信息，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，實(shí)現(xiàn)溫度恒溫控制，同時(shí)可在上位機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示溫度變化曲線，便于對(duì)溫度的監(jiān)控和分析。

恒溫控制；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；STM32；仔豬

早在19世紀(jì)，人們就提出了動(dòng)物福利的概念。國(guó)外一直都比較重視在動(dòng)物福利方面的資金技術(shù)投入和相關(guān)立法［1］。美國(guó)的養(yǎng)豬場(chǎng)絕大部分采用集約化管理，豬舍的小環(huán)境如溫度，相對(duì)濕度，氣體含量等由計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，大大地改善了豬舍的環(huán)境，促進(jìn)了豬的生長(zhǎng)［2］。

我國(guó)是一個(gè)生豬養(yǎng)殖大國(guó)。有關(guān)資料表明，全國(guó)一年出欄生豬在5億頭左右，占全世界的1／2。但因?yàn)橐卟〉仍蛩劳雎蕝s高達(dá)15%左右［3］。溫度不適宜是導(dǎo)致仔豬死亡的直接或間接原因，給我國(guó)的生豬養(yǎng)殖業(yè)帶來(lái)了巨大的損失。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)普遍使用仔豬保溫箱加熱系統(tǒng)來(lái)為哺乳期仔豬營(yíng)造適宜的小氣候，保證其成活率，然而大多數(shù)豬場(chǎng)的仔豬保溫箱加熱系統(tǒng)尚未實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)控或者調(diào)控程度很低，溫度可控性差，加熱能耗高，不能夠完全滿足仔豬生理需求［4-8］。

本項(xiàng)目以監(jiān)控溫度作為研究出發(fā)點(diǎn)，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制，克服人工方法進(jìn)行溫度的控制，提高溫度控制的速度和精度。將目前應(yīng)用廣泛的傳感器、單片機(jī)以及計(jì)算機(jī)等技術(shù)應(yīng)用到生豬養(yǎng)殖行業(yè)，設(shè)計(jì)研制仔豬智能恒溫保溫箱，以加快科技農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)2部分（圖1）。下位機(jī)以STM32處理器為核心，連接3組溫度傳感器以提高測(cè)量精度，顯示屏用來(lái)顯示采集的溫度、期望溫度和當(dāng)前時(shí)間，當(dāng)溫差較大時(shí)可發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，驅(qū)動(dòng)繼電器控制加熱板和風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)溫度恒溫控制。下位機(jī)與上位機(jī)之間通過無(wú)線傳輸連接，上位機(jī)軟件能夠設(shè)置期望溫度，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示溫度變化曲線。

圖1 仔豬智能恒溫保溫箱總體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 微處理器

采用ARM公司的高性能Cortex?M3內(nèi)核的STM32控制器。STM32系列是專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的。STM32F103增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72 MHz，是同類產(chǎn)品中性能最好的產(chǎn)品。

2.2 傳感器模塊

恒溫箱內(nèi)部溫度檢測(cè)，采用的是美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以一線總線的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。測(cè)量溫度范圍為-55～125℃，在-10～85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃。產(chǎn)品適用的電壓為3～5.5 V，完全能滿足箱體內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)的需要［9］。

2.3 繼電器模塊

作為控制芯片控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的中間環(huán)節(jié)，共設(shè)計(jì)了3個(gè)繼電器模塊，分別用來(lái)驅(qū)動(dòng)功率大、電壓高的風(fēng)扇和加熱板，電路圖如圖2所示。

圖2 仔豬智能恒溫保溫箱繼電器模塊的電路

圖3 仔豬智能恒溫保溫箱上位機(jī)軟件的界面

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

恒溫箱控制系統(tǒng)采用PID算法進(jìn)行恒溫控制，通過對(duì)溫度偏差的比例、積分、微分的加權(quán)進(jìn)行恒溫控制。但是傳統(tǒng)的PID算法在此系統(tǒng)中有著很大的缺陷，系統(tǒng)溫度的遲滯特別大，若是通過經(jīng)驗(yàn)法手工調(diào)節(jié)出理想的參數(shù)，將耗費(fèi)大量的時(shí)間。另外，本系統(tǒng)使用加熱板升溫，風(fēng)扇降溫，系統(tǒng)本身的非線性度相對(duì)較高，故而靜態(tài)的PID參數(shù)很可能達(dá)不到理想的調(diào)節(jié)效果。因此，引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)傳統(tǒng)的PID進(jìn)行改進(jìn)，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能特性對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)訓(xùn)練，動(dòng)態(tài)改變PID參數(shù)，從而使系統(tǒng)溫度的超調(diào)量和上升時(shí)間都在一個(gè)可控的范圍內(nèi)，以達(dá)到理想的性能控制。

3.2 上位機(jī)

上位機(jī)軟件以WPF作為用戶界面，軟件本身所用的編程語(yǔ)言為C＃語(yǔ)言。界面分為5個(gè)區(qū)域（圖3）：串口選項(xiàng)，調(diào)節(jié)選項(xiàng)，波形選項(xiàng)，溫度區(qū)域，波形區(qū)域。能夠控制下位機(jī)，顯示當(dāng)前溫度以及根據(jù)波形選項(xiàng)顯示動(dòng)態(tài)的溫度曲線。

3.3 工作流程

系統(tǒng)在初始化階段設(shè)置期望溫度，初始化完畢通過溫度傳感器對(duì)箱內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)控并采集實(shí)時(shí)信息，判斷采集到的溫度值與預(yù)期的差值，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行處理，控制電磁閥的工作狀態(tài)，同時(shí)將采集的信息傳送到上位機(jī)并動(dòng)態(tài)顯示溫度曲線，上位機(jī)能夠設(shè)定目標(biāo)溫度，顯示實(shí)時(shí)溫度。工作流程如圖4。

圖4 仔豬智能恒溫保溫箱系統(tǒng)的流程

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)豬舍環(huán)境的特點(diǎn)，制作了一個(gè)模擬保育環(huán)境的試驗(yàn)箱，試驗(yàn)箱由亞克力板搭建而成，箱內(nèi)側(cè)壁安裝硅膠加熱板可進(jìn)行加熱，兩端設(shè)置排氣扇可進(jìn)行降溫，DS18B20溫度傳感器均勻分布在箱體內(nèi)，對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

試驗(yàn)在2013年5月30日12時(shí)開始，初始條件箱內(nèi)溫度和室內(nèi)溫度均為28℃，設(shè)置期望溫度為31℃，自動(dòng)運(yùn)行，通過上位機(jī)軟件觀察溫度變化曲線，結(jié)果如圖5所示，從圖5中可看出在自動(dòng)模式下最終溫度在期望溫度附近波動(dòng)，誤差在可接受范圍之內(nèi)。

圖5 仔豬智能恒溫保溫箱溫度的變化

5 小結(jié)

設(shè)計(jì)研制的仔豬智能恒溫保溫箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，成本低，實(shí)用性強(qiáng)，可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制實(shí)時(shí)采集和調(diào)整，上位機(jī)可將歷史數(shù)據(jù)保存，并以曲線的形式繪出實(shí)時(shí)溫度的變化。系統(tǒng)在試驗(yàn)過程中運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法后系統(tǒng)最終的控制精度達(dá)到0.5℃，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、穩(wěn)定的恒溫控制。智能化的恒溫系統(tǒng)適合社會(huì)需求，有助于提高養(yǎng)殖行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 季月清，吳豪杰.動(dòng)物福利對(duì)我國(guó)的動(dòng)物產(chǎn)品的出口的影響［J］.市場(chǎng)周刊，2005（1）：42-44.

［2］ 姜鴻，張藝影.動(dòng)物福利壁壘對(duì)我國(guó)動(dòng)物產(chǎn)品出口的影響及啟示［J］.國(guó)際經(jīng)貿(mào)，2010（28）：42-43.

［3］ 肖雨賢.哺乳仔豬舍溫濕度環(huán)境自動(dòng)控制裝置的試驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，2003.

［4］ 劉芳，吳中紅，王美芝，等.仔豬保溫箱溫度調(diào)控設(shè)備應(yīng)用效果研究［J］.黑龍江畜牧獸醫(yī)，2009（1）：27-29.

［5］ 陶鼎來(lái).中國(guó)農(nóng)業(yè)工程［M］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2002：167-177.

［6］ 白林，李學(xué)偉，喬紹權(quán).四川規(guī)?；i廠豬舍空氣環(huán)境管理現(xiàn)狀調(diào)查［J］.西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2003（13）：99-104.

［7］ 白林.仔豬采暖和保溫的方法［J］.黑龍江畜牧獸醫(yī)，2002（2）：10-11.

［8］ Xin H，Zhou H，Bundy D S.Comparsion ofenergy use and pig let performance between conventional and energy?efficient heat lamps［J］.Applied Engineering in Agriculture，1997，13（1）：95-99.

［9］ 劉瑞新.單片機(jī)原理及應(yīng)用工程［M］.北京：機(jī)械工程出版社，2005：228-229.

（責(zé)任編輯：張才德）

S 812.9 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

B

0528?9017（2014）01?0128?03

文獻(xiàn)著錄格式：宗振海，王雅萍，陳智慧.基于STM32的仔豬智能恒溫保育箱的設(shè)計(jì)［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（1）：128-130.

2013?11?15

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)校級(jí)立項(xiàng)（1230B14）

宗振海（1990-），主要研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。E?mail：p firdfitx＠126.com。