第一篇內容：緒論，研究的意義和內容

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第二篇內容：系統(tǒng)總體方案設計

系統(tǒng)總體方案設計包括系統(tǒng)需求分析、方案設計、微處理器選型、通信方式選型以及云平臺選型。其中，正確的分析系統(tǒng)需求是系統(tǒng)開發(fā)中非常重要的步驟[29]。進一步從需求出發(fā)，才能設計出貼合實際的系統(tǒng)方案。

2.1 系統(tǒng)需求分析

需求分析主要針對豬舍環(huán)境、豬只本身、飼養(yǎng)員工作強度、安全因素等方面進行考慮，分為環(huán)境因素、豬只個體因素以及其他因素。

2.1.1環(huán)境因素

適宜、穩(wěn)定的豬舍環(huán)境是豬只生長的重要條件，也是提高養(yǎng)殖效益的重要保障。影響豬只生長的環(huán)境因素主要包括豬舍內部的小環(huán)境和豬舍所處不同地域及季節(jié)形成的大環(huán)境[30]，在本文中主要針對豬舍小環(huán)境進行討論。小環(huán)境通常包括環(huán)境溫度、相對濕度、光照強度、空氣中的有害氣體等，這些環(huán)境因素對豬只生長起著至關重要的作用。

1、溫度因素

溫度是影響豬只生長的重要因素之一。豬只是體溫恒定的哺乳動物，它通過皮膚感受溫度變化，通過神經(jīng)-內分泌系統(tǒng)調節(jié)產(chǎn)熱和散熱[31]。當環(huán)境溫度較高時，豬只會加快呼吸頻率、增加出汗、減少采食來增加散熱，導致體重增長緩慢。當環(huán)境低于豬只體溫時，豬只為增加產(chǎn)熱，主要表現(xiàn)為進食量增大。但是為了維持體溫，部分飼料會被轉化為熱量，從而導致體重增長緩慢。

綜上所述，維持豬舍小環(huán)境的溫度穩(wěn)定對于豬只的生長發(fā)育至關重要，溫度監(jiān)測和調節(jié)功能必不可少。

2、濕度因素

豬舍內濕度變化對于豬只生長影響是建立在溫度基礎上的，與溫度協(xié)同作用，主要表現(xiàn)為影響豬只散熱。當環(huán)境高溫時，高濕度將增加體感溫度，會導致環(huán)境中病原微生物的繁殖，增加豬只患病風險；當環(huán)境低溫時，高濕度會導致體感溫度降低，維持體溫需要大量熱量，導致飼料利用率低[32]，造成豬只生長緩慢，經(jīng)濟效益低下。

研究表明，豬只適宜的生長溫度為23℃左右，仔豬生長溫度為29℃左右，濕度在55%-70%[33]。由此可見，對濕度的監(jiān)測和調節(jié)對豬只的生長發(fā)育也很重要。

3、光照因素

光照對豬只健康生長起促進作用。適宜的光照能夠促進豬只進食和消化，促進蛋白質和脂肪轉化，還能促進維生素合成，有利于豬只的生長發(fā)育[34]。研究表明，豬只增長同樣的體重，每天光照16小時比每天光照8小時要快的多。其原因是長時間的光照促進了豬只進食，增加了脂肪的累積，加速了豬只出欄的速度，所以增加光照時間能顯著提高豬只的生長性能。同時適當?shù)墓庹找灿欣谪i舍濕氣的揮發(fā)，紅外光能夠提高豬只皮膚表面的溫度，紫外光能夠有效滅殺細菌。

我國各地區(qū)所處緯度不同，光照時長不一致；隨著時間、天氣、季節(jié)等變化，光照強度也受到很大的影響。因此，設計監(jiān)測環(huán)境光照強度并自動開燈的功能很有必要。

4、空氣質量因素

豬舍內的空氣質量不僅嚴重影響豬只健康生長，還會對長期活動在豬舍的飼養(yǎng)員造成一定傷害。在豬舍內若是有未及時清理的飼料以及糞便等就會產(chǎn)生一些有害氣體，如氨氣、硫化氫、甲烷等。其中氨氣是危害最大的一個因素，該氣體具有強烈的刺激性氣味，對呼吸道、眼睛粘膜都會造成一定的傷害[35]。若能有效監(jiān)測豬舍內氨氣濃度，并及時通知飼養(yǎng)員進行處理，可以有效提高豬只健康率，因此監(jiān)測豬舍內氨氣濃度極為重要。

2.1.2豬只個體因素

豬只的行動軌跡、異常行為等信息對豬只生長分析有積極作用，例如長時間的站立、長時間的臥倒等情況都能幫助飼養(yǎng)員及時發(fā)現(xiàn)豬只情況。目前，豬只數(shù)量、行動軌跡、體重信息以及異常行為等都需要飼養(yǎng)員觀察并且手動記錄，如果能實現(xiàn)豬只檢測與跟蹤，并且將信息反饋給飼養(yǎng)員，就可以大大減輕其工作量。

2.1.3其他因素

除了以上分析的情況，豬舍安全也是需要考慮的問題。在豬舍無人值守時，遇到下雨、明火以及有人靠近的情況，需要提醒飼養(yǎng)員進行處理；考慮到飼養(yǎng)員不在現(xiàn)場但是需要了解豬舍環(huán)境、豬只信息參數(shù)并且需要手動控制電氣化設備的情況，需要結合Android客戶端來完成相關功能。

2.2 系統(tǒng)方案設計

確立系統(tǒng)需求之后，進一步設計系統(tǒng)總體方案，需要考慮三個問題，分別是：

1、需要監(jiān)測哪些指標

針對豬舍環(huán)境，需要監(jiān)測溫度、濕度、氨氣濃度、光照強度；另外為方便管理還需監(jiān)測是否下雨、是否發(fā)生火災、是否有行人靠近。針對豬只檢測，需要得到豬只數(shù)量、豬舍內豬只所占像素點比重。因此，系統(tǒng)通過傳感器技術監(jiān)測7種環(huán)境指標，溫度、濕度、光照強度、氨氣濃度為數(shù)值型指標，其余三種為布爾型指標，如圖2.1所示的感知控制層中最底部；通過豬只檢測算法得到兩種數(shù)值型指標，如圖2.1所示的算法層。

2、用戶需要控制哪些電氣化設備

針對問題1中的環(huán)境指標，需設計幾種電氣化設備，分別是：照明燈、保溫燈、換氣扇、噴水泵、電動卷簾以及用于報警裝置（蜂鳴器），如圖2.1中感知控制層的頂部。其中照明燈用于豬舍內的輔助照明；保溫燈用于提高豬舍內的溫度；換氣扇用于豬舍內外空氣交換，降低溫度；噴水泵用來增大豬舍內濕度，強效降低豬舍內溫度；電動卷簾用于控制卷簾開閉；報警裝置（蜂鳴器）用于報警。

3、選擇搭建何種系統(tǒng)架構

根據(jù)前述的需求分析，提出“四端”結合的架構，即：服務器端、微處理器端、云端、手機APP端。其中服務器端用于豬只檢測算法運行，屬于算法層；微處理器端用于接收服務器端以及云端數(shù)據(jù)、監(jiān)測環(huán)境要素、根據(jù)環(huán)境指標自動控制或者云端指令手動控制豬舍內電氣化設備，屬于感知控制層；云端作為手機端和微處理器端的通信橋梁，用于轉發(fā)數(shù)據(jù)，屬于服務層；手機APP端可實時查看豬舍內各數(shù)據(jù)，并發(fā)送控制指令，屬于用戶層。

本系統(tǒng)將計算機視覺技術、傳感器技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、云平臺技術以及手機APP相結合。通過本系統(tǒng)，飼養(yǎng)員不在現(xiàn)場也能通過手機APP觀察豬舍內的各項參數(shù)情況，電氣化設備可以根據(jù)環(huán)境參數(shù)自動控制也可通過手機APP手動控制。經(jīng)過總結，設計的系統(tǒng)功能如表2.1所示。

2.3微處理器選型

微處理器作為感知控制層的核心器件，選擇一款合適的微處理器尤為重要。目前市場上主流的微處理器有：STC系列（51類單片機）、ARM系列（STM32單片機）、MSP430單片機以及arduino單片機。在選型時通過多個維度比較5個型號單片機的性能，從而選出本系統(tǒng)所用單片機。

上表比較了5種款式的微處理器，基于本設計，由以下五個方面確定最終選型：

(1) 資源豐富與否？資源豐富有利于功能開發(fā)與驗證。

(2) 擴展性是否強？拓展性強有利于拓展更多外設資源。

(3) 開源資料多寡？開源資料多有利于縮短開發(fā)周期。

(4) 每片成本幾何？低成本有利于后期的銷售推廣。

(5) 穩(wěn)定性如何？穩(wěn)定性強能夠降低故障率。

經(jīng)過多方面比較，本設計選用資源豐富、擴展性強、開源資料較多、市場評價較好的ST公司生產(chǎn)的STM32F407系列單片機，該單片機片上資源豐富，能夠為后續(xù)的功能設計提供豐富的片上資源與外設接口。

本設計所選STM32F407系列單片機，CPU最高速度達到168Mhz，該產(chǎn)品有1MB的Flash、集成度高、可靠性強、功耗低[36]。在處理運算速度和浮點復雜運算方面性能明顯優(yōu)于MSP430、STC52單片機。之所以選擇STM32F4系列而不是STM32F1系列，是因為前者具有更豐富的片上資源，接口豐富。一旦需求增加、功能擴展，要求接入更多的傳感器或控制器件，STM32F407單片機都能輕松應對，并且向下兼容。

2.4 通信方式選型

物聯(lián)網(wǎng)設備接入方式是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中設備端接入的通信橋梁，在整個系統(tǒng)中承擔著至關重要的作用[37]，設備端接入方式主要分為有線接入以及無線接入方式。其中，有線接入方式主要應用在一些對網(wǎng)絡環(huán)境穩(wěn)定性要求較高的場所，而無線接入方式在生活場景中非常常見，例如智能家居、智能穿戴設備、監(jiān)控等。兩種方式各有優(yōu)勢，但是無線接入方式的布局更加靈活，對周圍的環(huán)境要求小，不受限制，所以無線接入方式更加適合本系統(tǒng)。常見的無線通信方式主要包括藍牙通信、Zigbee通信、NB-IOT以及WIFI通信。

藍牙是一種短距離無線通信技術，使用頻段為2.4-2.458GHZ的ISM波段[38]。它在汽車領域、工業(yè)生產(chǎn)以及醫(yī)藥領域都得到了廣泛應用，還可以連接多設備并進行信息交換。其優(yōu)勢在于通信免費、使用方便，但是傳輸距離一般在10m內，安全性也有待提高。ZigBee是一種低功耗、低速率的能實現(xiàn)雙向通信的無線通信技術[39]。它的優(yōu)勢在于網(wǎng)絡時延短、工作安全可靠，但是其芯片成本高、開發(fā)周期長，而且它也是一種適用于近距離的無線通信技術。

NB-IOT的組網(wǎng)形式是蜂窩[40]，它適用于較遠距離的戶外場所以及大面積的傳感器應用，傳輸速度在100kbps左右，但是它的網(wǎng)絡時延處于5s-9s之間。

WIFI是所有IEEE802.11標準WLAN（WirelessLocalAreaNetwork，無線局域網(wǎng)）的名稱，它的工作頻段通常在2.4GHz和5GHzISM[41]。2019年，WIFI6的出現(xiàn)使其最高速率達到11Gbps，而且網(wǎng)絡時延小于1S，系統(tǒng)實時性能得到極大保障。而且外界環(huán)境對它影響較小，空曠場景或者復雜的封閉場景都可以正常使用。

結合系統(tǒng)工作特性和研發(fā)成本考慮，使用WIFI可以使設備快速接入而且能夠保證系統(tǒng)實時性，還能極大的節(jié)省系統(tǒng)的開發(fā)成本以及后期的使用費用。

2.5 云平臺選型

云平臺是本系統(tǒng)中至關重要的一個部分，它作為設備層以及用戶層之間的通信橋梁，承擔了計算、網(wǎng)絡以及存儲的功能[42]，在云平臺中可以清楚的看到各設備的運行狀態(tài)以及相關指令。

選擇云平臺的首要因素是穩(wěn)定性，穩(wěn)定的云平臺才能為系統(tǒng)提供更大的幫助；其次是擴展性和靈活性，更多的擴展功能可以有效減少系統(tǒng)開發(fā)的工作量；最后是安全性，數(shù)據(jù)的安全性才能保證用戶能安心使用。在物聯(lián)網(wǎng)的大環(huán)境下，國內涌現(xiàn)了很多優(yōu)秀的物聯(lián)網(wǎng)云服務平臺，其中機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺、百度云、中移物聯(lián)網(wǎng)云平臺oneNET等都受到了廣泛的應用。

在這些云平臺中，每個都有自己的優(yōu)勢。結合本系統(tǒng)需求，專注于物聯(lián)網(wǎng)自主開發(fā)的機智云平臺更符合要求。它主要提供物聯(lián)網(wǎng)設備、為智能硬件打造物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)以及提供運維服務。它的優(yōu)勢主要有：①提供多種軟件開發(fā)方式，幫助開發(fā)者設計個性APP，②降低軟件開發(fā)難度；提供多種開放的API，幫助開發(fā)者將設備迅速接入云端；③提供一站式服務，在沒有真實設備以及自己開發(fā)的APP情況下，可以使用平臺提供的虛擬設備以及調試APP進行模擬，讓開發(fā)者快速體驗到設計開發(fā)的樂趣。④集成了第三方推送平臺，并且提供一定的免費次數(shù)，可以更大程度的幫助開發(fā)者進行多途徑的推送設置。

它不僅為初學者提供簡單、容易上手的教程，還為專業(yè)的技術開發(fā)者提供第三方技術支持。在使用過程中遇到困難時，該平臺還提供大量技術文檔以及活躍的技術論壇，從而幫助開發(fā)者快速、順利的開發(fā)自己的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。綜合使用成本和開發(fā)復雜度等方面，選擇了機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺作為本系統(tǒng)的云平臺。

本篇從三個方面介紹了系統(tǒng)的需求分析，基于需求分析進一步提出了系統(tǒng)方案設計。本設計選擇了以“四端”為中心的技術方案，即：服務器端-微處理器端-云端-手機APP端。經(jīng)過選型，微處理器選擇STM32F407，通信方式選擇WIFI，云平臺選擇機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺。

未完待續(xù)，下一篇內容：

STM32F407單片機+機智云AIoT+豬舍監(jiān)測系統(tǒng)與系統(tǒng)硬件設計