【IoT畢業(yè)設(shè)計】STM32開發(fā)板+機(jī)智云IoT+實現(xiàn)智能鴿籠控制

摘要:在賽鴿養(yǎng)殖中,飼養(yǎng)者因為工作生活繁忙等原因?qū)o法按時喂養(yǎng)鴿子,同時賽鴿的養(yǎng)殖往往需要直接接觸鴿子羽毛排泄物等,衛(wèi)生問題尤為突出,選育優(yōu)秀乳鴿的賽鴿計時設(shè)備價格高昂。為了解決上述問題,讓人員可以及時了解鴿舍的情況,提出了一種利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飼養(yǎng)選育賽鴿的方法。

基于機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺的互聯(lián)鴿籠控制系統(tǒng),采用STM32L476RG為主控芯片,esp8266WiFi模塊與云端的通信,將采集到的溫濕度、歸巢時間、告警信號等發(fā)送到手機(jī)App端,同時在鴿子歸巢時通過撥打人員電話,在斷網(wǎng)的情況下可以進(jìn)行按鍵操作。實驗表明,通過物聯(lián)網(wǎng)控制的方式能夠?qū)慀澾M(jìn)行有效的飼養(yǎng)選育。

引言

隨著賽鴿競技運(yùn)動的不斷發(fā)展,越來越多的普通家庭開始飼養(yǎng)賽鴿,由于很多業(yè)余賽鴿愛好者平常無法及時飼養(yǎng)賽鴿導(dǎo)致賽鴿大量死亡,在喂養(yǎng)賽鴿時需要進(jìn)入鴿籠中與鴿子的糞便和羽毛等直接接觸,衛(wèi)生問題令人堪憂。在優(yōu)秀乳鴿的選擇上,通常采用給鴿子佩戴高昂的賽鴿計時裝置。此外,鴿舍內(nèi)的溫濕度直接影響著賽鴿的健康,需要及時對鴿舍內(nèi)的溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

研究可知,采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和STM32實現(xiàn)設(shè)備的智能化管理成為目前學(xué)界的一個熱點方向[1-2]?；诖?本文提出了一種利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對鴿舍內(nèi)的裝置進(jìn)行控制的方法,該系統(tǒng)以STM32L476RG為主控芯片,利用機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸交換,設(shè)計了專為賽鴿進(jìn)籠檢測的裝置,將WiFi模塊與SIM800C通信模塊相結(jié)合達(dá)到賽鴿歸巢時間的計時與通知,采用DHT11模塊和風(fēng)扇模塊組成溫濕度的調(diào)節(jié)系統(tǒng),在手機(jī)App端可以實時查看溫濕度變動和控制設(shè)備狀態(tài),同時還能在按鍵模塊上對設(shè)備進(jìn)行操作,在電腦端可以登錄機(jī)智云官網(wǎng)查看數(shù)據(jù)點歷史記錄。

1總體方案設(shè)計

本文設(shè)計了一種基于機(jī)智云Aiot開發(fā)平臺的多功能鴿籠控制系統(tǒng),系統(tǒng)主要由溫濕度傳感器、步進(jìn)電機(jī)、光電傳感器模塊、WiFi模塊、控制器、繼電器模塊、風(fēng)扇構(gòu)成。用戶通過手機(jī)App軟件控制鴿籠門的開關(guān),手動和自動地喂食、喂水,同時通過溫濕度傳感器模塊監(jiān)控鴿舍內(nèi)的溫濕度的情況,將鴿籠內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至機(jī)智云平臺。當(dāng)溫濕度超過設(shè)定值時,App頁面端會產(chǎn)生告警標(biāo)志。

如果用戶需要對鴿子進(jìn)行訓(xùn)飛計時,文中為此專門研發(fā)了一種可安放的進(jìn)籠檢測裝置,當(dāng)進(jìn)行單鴿訓(xùn)飛時,只要將鴿籠門打開將裝置擺放在鴿籠門口就可以進(jìn)行歸巢時間的檢測,將鴿子歸巢的時間傳至手機(jī)App端,并且通過GSM模塊給訓(xùn)飛人員撥打電話。為了防止斷網(wǎng)導(dǎo)致鴿籠設(shè)備無法正常工作,訓(xùn)飛人員可以通過機(jī)智云網(wǎng)站方便地查看鴿舍內(nèi)部的歷史數(shù)據(jù)。此外,本文中還設(shè)計了按鍵模塊,可以對開關(guān)鴿籠門和喂水、喂食進(jìn)行按鍵操作。綜上可得互聯(lián)鴿籠的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1互聯(lián)鴿籠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1喂食喂水系統(tǒng)

喂食喂水系統(tǒng)采用手動和定時自動、遠(yuǎn)程和近程的方式相結(jié)合,可以通過手機(jī)App遠(yuǎn)程控制定時喂食和手動喂食的方式。為了防止斷網(wǎng)而使喂食喂水系統(tǒng)受到波及,在μC/OS-ΙΙ操作系統(tǒng)按鍵模塊中分為開關(guān)糧食、開關(guān)水閥、開關(guān)鴿籠門五個,可以在無網(wǎng)的情況下有效保證近距離飼養(yǎng)鴿子的基本條件。對此可做研究分述如下。

2.1.1喂食系統(tǒng)

喂食系統(tǒng)的食物出口采用了蝴蝶閥狀開關(guān)加上5V步進(jìn)電機(jī)的控制方式。由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動蝴蝶閥門轉(zhuǎn)動一定的角度使得糧食從儲糧盒中落入食槽,存儲盒采用漏斗形狀,方便與糧食出口控制裝置相結(jié)合。喂食系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2喂食系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該裝置采用型號為24BYJ485V驅(qū)動的步進(jìn)電機(jī),單組脈沖產(chǎn)生的步進(jìn)角ω有如下的關(guān)系:

控制糧食蝴蝶閥需要轉(zhuǎn)動的角度為90°,故而需要的脈沖個數(shù)N為:

自動喂食則是通過STM32RTC實時時鐘中斷完成,根據(jù)實際情況每天喂兩次,將實時時鐘中斷設(shè)定為12h中斷一次,進(jìn)行一次蝴蝶閥的開關(guān)動作。

2.1.2喂水系統(tǒng)

喂水系統(tǒng)由5V繼電器和12V的電磁閥構(gòu)成。電磁閥連接塑料水管上端續(xù)接到一個小型水箱,下端放置喝水水槽,繼電器的控制端口連接至控制器的PA2口。電磁閥的供電電源采用220VAC轉(zhuǎn)12VDC的電源電路,由微控制器控制電源電路輸出線路的通斷來調(diào)控整個喂水系統(tǒng)。

2.2溫濕度檢測調(diào)節(jié)系統(tǒng)

高溫高濕影響鴿子的熱調(diào)節(jié),加劇了高溫的不良反應(yīng),破壞鴿子的熱平衡。高溫的時候,鴿子體內(nèi)靠蒸發(fā)散熱,而蒸發(fā)散熱正比于鴿子體內(nèi)蒸發(fā)面皮膚和呼吸道水汽壓與空氣水汽壓之差,舍內(nèi)空氣濕度大,空氣水汽壓升高,鴿子蒸發(fā)面水汽壓與空氣水汽壓之差變小,不利于鴿子的蒸發(fā)散熱,加重集體熱調(diào)節(jié)負(fù)擔(dān),熱反應(yīng)更加嚴(yán)重;高溫高濕,鴿子體內(nèi)的抵抗力下降,有利于傳染病的發(fā)生。良好的鴿舍溫濕度應(yīng)該為溫度≤40℃,濕度≤70%。

本此研究中采用了DHT11溫濕度檢測模塊,DHT11模塊包含一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件,可同時對溫度和濕度進(jìn)行測量,溫度測量范圍為0℃～50℃,濕度測量范圍為20%RH～90%RH,采用IIC通信方式能很好地與微控制器進(jìn)行通信,滿足系統(tǒng)對溫濕度檢測的設(shè)計要求[2]。溫濕度的調(diào)節(jié)采用排風(fēng)風(fēng)扇的方式,排風(fēng)扇運(yùn)用5V電壓驅(qū)動控制端接入PA2,當(dāng)溫濕度超過設(shè)定的值時,PA2口輸出高電平,排風(fēng)扇開啟;當(dāng)溫濕度小于設(shè)定值時,輸出低電平,排風(fēng)扇關(guān)閉。同時在手機(jī)App端就可以實時查看當(dāng)前的溫濕度的情況。

2.3通信模塊

通信模塊的設(shè)計主要采用ATK-ESP8266WiFi模塊和SIM800CGSM模塊,初始化STM32L476的2個串口UART1和UART2,分別連接2個模塊。ATK-ESP8266WiFi模塊是一款高性能的UART-WiFi模塊,串口兼容3.3V和5V單片機(jī),串口通過簡單的配置就可以進(jìn)行WiFi數(shù)據(jù)的傳輸,采用WiFi模塊將數(shù)據(jù)傳送到云端的同時,并與WiFi模塊中下載的機(jī)智云GAgent通信協(xié)議發(fā)生交互,可進(jìn)行云端的數(shù)據(jù)交換和設(shè)備的控制[3-4]。

SIM800CGSM模塊是一款高性能的工業(yè)級GSM/GPRS模塊,可以低功耗實現(xiàn)語音、短信、彩信、藍(lán)牙傳輸?shù)裙δ?支持5～24V的超寬工作范圍,可以很方便地與單片機(jī)相連接。在進(jìn)行單鴿的訓(xùn)飛計時的過程中,鴿子通過時間檢測裝置時,微控制器將通過AT指令與模塊通過撥打人員的電話,及時告知鴿子已經(jīng)飛回鴿舍。

2.4進(jìn)籠檢測裝置

進(jìn)籠檢測裝置主要用于檢測單鴿歸巢時間。裝置是前后相通、上方插入活絡(luò)門的盒型裝置,旁邊安放有光電傳感模塊,當(dāng)要對鴿子進(jìn)行歸巢時間計時的時候,通過手機(jī)App或者按鍵將由步進(jìn)電機(jī)控制的鴿籠小門開啟,同時將檢測裝置放置在鴿子的進(jìn)出門口,由于進(jìn)籠檢測裝置采用活絡(luò)門的方式,光電感應(yīng)模塊放置在活絡(luò)門的前方,有效防止鴿舍內(nèi)的鴿子對進(jìn)籠檢測裝置的干擾。

當(dāng)鴿子進(jìn)入檢測裝置時,光電傳感模塊將向微控制器發(fā)送一個低電平,微控制器就將此時的RTC實時時鐘數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)App端,同時通過AT指令撥打人員電話。如圖3所示,光電感應(yīng)模塊放置在活絡(luò)門擋桿的前面,系統(tǒng)設(shè)計的活絡(luò)門結(jié)構(gòu)使得鴿子進(jìn)去之后就無法再出來,防止其它鴿子對檢測裝置產(chǎn)生干擾。這里,即給出了光電感應(yīng)模塊電路設(shè)計如圖4所示。

圖3進(jìn)籠檢測裝置

圖4光電感應(yīng)模塊電路

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1軟件設(shè)計方法

本文設(shè)計的基于云平臺的互聯(lián)鴿籠控制系統(tǒng)要完成的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)的傳輸?shù)墓δ?選用了機(jī)智云AIoT開發(fā)平臺。首先需要在機(jī)智云平臺的開發(fā)中心建立項目,同時在項目中心添加數(shù)據(jù)點,數(shù)據(jù)點的作用是對系統(tǒng)的某種功能進(jìn)行抽象化,采用不同的數(shù)據(jù)類型表示,例如簡單的設(shè)備的“開關(guān)”,其功能為開啟和關(guān)閉,將這個功能抽象為布爾類型性的數(shù)據(jù)點,0表示關(guān)閉,1表示開啟[5-7]。

數(shù)據(jù)點是機(jī)智云中重要的屬性,通過機(jī)智云與設(shè)備相聯(lián)系的第一步就是需要將整個系統(tǒng)的功能進(jìn)行完整的羅列,并通過機(jī)智云平臺將所描述的功能通過數(shù)據(jù)點的方式進(jìn)行表示。后續(xù)通過機(jī)智云平臺會根據(jù)創(chuàng)建好的數(shù)據(jù)點生成用于開發(fā)的MCU協(xié)議,在生成的協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行μC/OS-ΙΙ操作系統(tǒng)下的程序設(shè)計開發(fā)。

3.2數(shù)據(jù)點的建立

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求,在機(jī)智云端建立好數(shù)據(jù)點,在手機(jī)App端可供操作的功能具體為:開關(guān)籠門、開關(guān)水閥、開關(guān)糧食、自動喂食、開關(guān)燈、溫濕度的顯示與告警和飛回時間的顯示。因此按照上述的功能進(jìn)行云端的數(shù)據(jù)點的設(shè)置,詳見表1。

表1數(shù)據(jù)點設(shè)置

由表1可知,對于籠門開關(guān)、糧食開關(guān)、水閥開關(guān)、燈開關(guān)類型的數(shù)據(jù)點為布爾類型,對于溫濕度、飛回時間的顯示采用數(shù)值類型數(shù)據(jù)點,溫濕度告警采用告警類型數(shù)據(jù)點。

在機(jī)智云平臺對相應(yīng)的數(shù)據(jù)點做出設(shè)置,就可在機(jī)智云端生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)點的端口定義文件,將生成的端口定義文件添加到所創(chuàng)建的程序中,即可完成云端數(shù)據(jù)點與手機(jī)App端的聯(lián)系。在機(jī)智云端下載完畢的文件中有與App端相聯(lián)系的數(shù)據(jù)點信息,當(dāng)與機(jī)智云端有數(shù)據(jù)交換時,機(jī)智云協(xié)議文件中的相應(yīng)的標(biāo)志變量隨即將發(fā)生改變,如通過自動喂食開關(guān)量由0x00到0x01的變化,并利用判定語句完成對RTC實時時鐘中斷標(biāo)志位的設(shè)置。

3.3μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的移植

本系統(tǒng)的程序包括多項任務(wù)操作,諸如:溫濕度檢測與上傳、按鍵模塊的掃描、手機(jī)App端的控制、光電模塊信號的檢測,AT指令的傳輸?shù)取?a href="http://srfitnesspt.com/soft/data/21-22/" target="_blank">嵌入式操作系統(tǒng)具有高實時性,并且支持多任務(wù)的管理,對程序的開發(fā)也更加便捷,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。UC/OS操作系統(tǒng)免費,且可以很方便地移植到STM32。移植過的要點是需要將UC/OS操作系統(tǒng)的所有文件添加到Keil5工程中,同時修改os＿cpu.h、os＿cpu＿a.asm、os＿cpu＿c.c三個程序文件[8]。

其中,os＿cpu.h文件包括了數(shù)據(jù)類型的定義以及與處理器相關(guān)的代碼和函數(shù)原型的**,需要修改數(shù)據(jù)代碼的類型,使得編譯器和處理器以及編譯器數(shù)據(jù)類型做到了相互通用;os＿cpu＿a.asm需要使用匯編語言將文件中的部分函數(shù)進(jìn)行編寫,主要是進(jìn)行任務(wù)間的切換;os＿cpu＿c.c定義了用戶的鉤子函數(shù),同時需要把文件中的相關(guān)系統(tǒng)時鐘中斷函數(shù)的部分注釋掉,因為系統(tǒng)時鐘在主程序中已經(jīng)給出了定義。

3.4μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)下的任務(wù)建立

本系統(tǒng)分為6個任務(wù),分別是:溫濕度檢測上傳任務(wù)、按鍵掃描任務(wù)、光電信號檢測任務(wù)、App開關(guān)判定任務(wù)、歸巢時間上傳任務(wù)、撥打電話任務(wù),任務(wù)的設(shè)計功能可表述如下:

(1)溫濕度檢測任務(wù):將讀取到的DHT11模塊的溫濕度數(shù)值上傳到機(jī)智云端,當(dāng)溫濕度超過設(shè)定值時在手機(jī)App端將會呈現(xiàn)告警標(biāo)志,同時通過消息郵箱的方式將溫濕度數(shù)據(jù)傳送給風(fēng)扇控制程序,優(yōu)先級定義為5。

(2)按鍵掃描任務(wù):系統(tǒng)將籠門、糧食和水閥這6個開關(guān)接入到微控制器的6個I/O口,從而保證在斷網(wǎng)的情況下也能提供鴿舍內(nèi)的正常控制,優(yōu)先級定義為4。

(3)光電信號檢測任務(wù):進(jìn)行單鴿訓(xùn)飛計時時,鴿子進(jìn)入檢測裝置后,光電信號模塊向微控制器發(fā)送一個低電平,任務(wù)會通過信號量的方式將低電平消息傳回、再撥打電話給任務(wù)巢,因此任務(wù)優(yōu)先級定義為3。

(4)App開關(guān)執(zhí)行任務(wù):手機(jī)App端有多個開關(guān),此任務(wù)將通過判定機(jī)智云通信協(xié)議中的標(biāo)志變量是0或者1,執(zhí)行相應(yīng)的動作,優(yōu)先級定義為6。

(5)撥打電話任務(wù):等待光電信號檢測任務(wù)傳遞的低電平消息后,通過AT指令與SIM800C通信撥打人員電話,優(yōu)先級定義為7。

(6)風(fēng)扇控制任務(wù):接收溫濕度檢測單元傳來的溫濕度數(shù)據(jù),判定溫濕度是否超過設(shè)定值,用于控制風(fēng)扇的關(guān)停,優(yōu)先級定義為9。系統(tǒng)的軟件整體流程如圖5所示。

圖5軟件整體工作模式

4系統(tǒng)測試

由于本文所討論的是對鴿舍內(nèi)各個設(shè)備進(jìn)行控制,故而鴿籠的大小對于系統(tǒng)的控制并沒有影響,為了模擬鴿舍控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果,對實際鴿舍進(jìn)行縮微化設(shè)計,具體如圖6所示。

對縮小型的鴿舍進(jìn)行控制,圖6中鴿籠大門可從右邊全部打開從事清掃等工作,平常對鴿子的放飛只采用鴿籠小門,利用步進(jìn)電機(jī)控制籠門的上揚(yáng)下降,并且小門可放置進(jìn)籠檢測裝置,溫濕度采用模擬加濕加熱的方式。

第一次上電連接時,選用機(jī)智云協(xié)議中的airlink連接方式,同時手機(jī)App端啟動WiFi搜索,將會搜到最近的可連接的設(shè)備[9]。機(jī)智云協(xié)議自帶有WiFi通信方式和GPRS通信方式,手機(jī)端可以選擇連接WiFi和GPRS,方便人員進(jìn)行遠(yuǎn)程操控,通過微控制器的復(fù)位鍵可以將App數(shù)據(jù)清零。圖7顯示了鴿籠飛到時間的顯示為6月5日12時。圖8又展現(xiàn)了手機(jī)App發(fā)送的溫濕度的告警情況。

圖6 鴿舍模擬實物圖

圖7 手機(jī)APP的鴿子歸巢時間顯示

圖8手機(jī)APP端溫濕度告警

同時,用戶還可以通過電腦登錄機(jī)智云官網(wǎng)的設(shè)備日志中查看各個數(shù)據(jù)點的歷史值。

5 結(jié)束語

本文研究和設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的互聯(lián)鴿籠控制系統(tǒng),可以通過手機(jī)App與近距離的按鍵方式對鴿籠內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行控制,同時采用SIM800C模塊與WiFi模塊相結(jié)合的方式,對單鴿的歸巢時間進(jìn)行計時和通知,手機(jī)App端可以實時地看到鴿舍內(nèi)的溫濕度情況與發(fā)出警報,本系統(tǒng)解決了長期以來喂養(yǎng)賽鴿需要頻繁與鴿子直接接觸所帶來的衛(wèi)生問題,同時采用物聯(lián)網(wǎng)的方式飼養(yǎng)賽鴿實現(xiàn)遠(yuǎn)程飼養(yǎng),減少了人力,避免了更多愛好者無暇飼養(yǎng)鴿子所面對的困擾。

雖然市場上有專門的賽鴿計時器,但是其功能單一且市值不菲,互聯(lián)鴿籠控制系統(tǒng)采用光電模塊代替了專用賽鴿計時器,價格低廉、且效果較好。在物聯(lián)網(wǎng)平臺的選擇上采用了機(jī)智云平臺,機(jī)智云平臺對數(shù)據(jù)點歷史記錄進(jìn)行了云端的存儲,用戶只要登錄電腦就可查看。

經(jīng)過實驗測試,該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠。然而,本系統(tǒng)的實驗環(huán)境只是采用模型化模擬的方式,雖然運(yùn)用于實際環(huán)境中具有相同功能,但是與實際的鴿舍運(yùn)用還是存在一定的差別,亟需后續(xù)的改進(jìn)與進(jìn)一步完善。例如,在實際的規(guī)?；馁慀濔B(yǎng)殖中,單鴿的計時上傳遠(yuǎn)不能滿足要求,需要采用模式識別等的方式對多只賽鴿歸巢的時間進(jìn)行上傳,所以本系統(tǒng)只是適用于在小型家庭化的賽鴿養(yǎng)殖中使用。