当年就是靠它,拿下了三次“国家一等奖”
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2020-07-23 07:12
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ID：技术让梦想更伟大
作者:李肖遥
基于微信平台的状元猪生态养殖系统本作品是大学时期的，获得三个国家一等奖，（毕昇杯、ican杯、博创）假期整理，分享给大家。
摘要
经过查阅资料发现，如今，智能化猪场在国外早已经投入实际生产，国内近年也不断的从国外引进先进技术，提高猪肉的生产效率。但是在我国，猪肉生产往往是以个体为基本经营单位，属于传统意义上的小农经济。国外大规模的养殖技术并不适应这种国情。本系统是以传统的8位单片机作为核心平台，相对于网上传统成熟的解决方案来说，具有极高的性价比，并且运行性能可靠。传统养殖用户只要投入极少的资金，就可以升级为智能化猪场，这为我国传统猪场大规模数字化升级提供了可能。
同时本系统应用时下应用最广的社交软件微信，不仅公开猪场的养殖信息，增加消费者对食品安全的信心，还为养殖户提供了新的电商模式。我们相信，在保障食品安全的呼声越来越大的社会背景下，这个物美价廉，性能可靠，互利共赢的智能养殖系统，一经投入使用，对提高畜肉生产效率和保证食品安全将具有重大的现实意义。
关键词：AT89S51单片机；微信；智能报警；远程监测；生态养殖
第一章 前言
我国养猪业目前仍以农户散养为主，集约化和规模化的程度相当低，规模化猪场只占猪场（户）总数的0.27%，出栏量只占总出栏量的1/5。结合我国猪场国情，如何对我国猪场进行数字化升级，进而提高猪肉生产效率和保证食品安全，是一个很现实意义的课题。
目前，微信作为时下最热门的社交信息平台，也是移动端的一大入口，正在演变成为一大商业交易平台，其对营销行业带来的颠覆性变化开始显现。此外，当今食品安全成为人们关注的话题，其中猪肉作为大众消费的主要肉类食品，也备受人们关注。实现猪肉生产公开透明，扩大消费者的知情权，让消费者吃到安全放心的猪肉，是当下热议的一个话题。
本作品借鉴国外的智能化一体猪场的方案，在原有的基础上进行创新，基本上满足我国国情的需要。系统提供微信溯源，方便消费者查询猪仔信息，同时系统提供两种工作方式，方便了猪场管理者智能化管理猪场，该项目制作成本低廉、实现简易、功能健全且工作稳定，能够真正的解决目前猪场生产的一系列问题。如能广泛投入使用，必能为广大猪场经营者和广大消费者所喜爱，达到切实为民服务的宗旨，因此，具有很强的前瞻性和广阔市场价值。另外，对该项目的研究，使学生能够利用相关专业解决实际问题，能够激发学生的学习热情，使理工科的学生更加关注社会问题、更加关注人文问题，为学生的全面发展提供帮助。
第二章 系统方案设计
通过在网上及图书馆猪肉生产的资料，并且对目前存在的国外大型智能猪场的分析，我们初步设计了系统功能框图如图1所示。系统每个模块具体的功能见表1。
图1 系统功能框图表1 模块功能表
| 序号 | 核心单元 | 核心单元功能 |
|---|---|---|
| 01 | 环境监控检测 | 利用AM2320温湿度传感器，BH1750FVI数字光照传感器，MQ135空气质量传感器传感器，实现对猪猪仔适宜居住环境的全程监控 |
| 02 | GSM报警 | 温湿度异常，会像猪场管理者发送报警短信 |
| 03 | 猪仔信息统计 | 利用rfid电子耳标，对猪仔的档案进行管理 |
| 04 | 网络监控 | 利用网络通信，可登陆网站对其进行远程操控 |
| 05 | 本地监控 | 利用大光彩串口屏，可在本地对猪场进行操控 |
| 06 | 微信 | 微信公共账号智能助手，包括微官网，微社区，微服务，切实为养殖户提供养猪帮助，同时提供微信溯源法查询网站猪仔档案，便于猪场养殖透明公开 |
第三章 系统设计与实现
本作品的硬件部分主要包括：
- 环境参数采集板 ：温湿度模块，空气质量模块，光照强度模块，无线模块GSM模块。
- 网页模块控制板 ：网页控制模块，无线模块以及风扇和消毒净化开关模块。
- 屏幕核心控制板：屏幕显示模块，无线模块，步进电机模块以及风扇消毒净化开关模块。
- RFID识别板：RFID模块以及无线模块。
3.1环境参数采集板
整板的原理图如图2所示：
图2 环境参数采集板（1） 温湿度模块
猪是恒温动物，如果气温不适，猪体可通过自身的调节来保持体温，但需要消耗能量，以致影响猪的生长速度。所以本作品实时采集猪生长环境的温湿度，显示在屏幕和网页上，可以设定温湿度的允许范围，若出现温湿度的不正常，那么我们会通过GSM模块来通知业主，系统也会作出智能的调节。
（2） 空气质量模块
在猪的生长环境中，肯定会产生氨气硫化氢等有害气体，不仅不利于猪的生长发育，还会容易诱发多种疾病。所以本作品会实时采集环境的空气质量，显示在屏幕和网页上。同时，可以设定空气质量的标准范围，若出现空气质量不正常，那么我们会通过GSM模块来通知业主，系统也会作出智能的调节。
（3） 光照强度模块
光照强度对于猪的生长，饮食以及休息都有一定的影响。所以本作品会实时采集环境的光照强度，显示在屏幕和网页上。同时，可以设定光照强度允许的范围，若出现光照不正常，那么会通过GSM模块通知业主。如果是光照不足，可以通过开灯来智能调节。
温湿度模块空气质量模块以及光照强度模块的原理图如图3所示。
图3 温湿度模块 空气质量模块以及光照强度模块（4）NRF24L01无线模块
在本作品中，我们通过NRF24L01无线模块来进行各个板子之间的数据传送交流。nRF24L01是工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片。它的工作环境以及数据传送能力等性能参数都能够满足本作品的需求。NRF24L01无线模块原理图如图4所示：
图4 NRF24L01无线模块（5）GSM模块
本作品采用了GSM模块，其主控芯片是IMCom推出新款紧凑型产品SIM900A，它采用工业标准接口，工作频率为GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz。可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。
若猪场环境参数出现了不正常的情况，不利于猪的健康生长，我们为了能够及时快速的通知业主猪场环境处于不正常状态，通过GSM模块来短信通知业主，一般情况下，能够最快速直接的通知业主猪场状态。
3.2网页模块控制板
整板原理图如图5所示：
图5 网页模块控制板原理图（1） 网页控制模块
ZLSN5102嵌入式联网模块是一款RS232/485和TCP/IP直接协议转化内嵌模块。该联网模块可以方便地使得串口设备连接到以太网和Internet，实现串口设备的网络化升级。
本作品采用了ZLSN5102嵌入式联网模块，可以将环境参数采集板的实时数据显示在网页上。同时，业主可以在网页上设置适宜的环境参数，通过ZLSN5102与单片机直接的通信交流，达到业主对猪场环境的监控和智能控制的效果。
ZLSN5102嵌入式联网模块如图6所示：
图6 ZLSN5102嵌入式联网模块（2） NRF24L01无线模块
此模块同环境参数采集板相同，原理图也同图4。
（3） 风扇和供水以及灯
风扇供水以及灯都是对猪场环境参数的智能调控。
若环境温度超过了设定适宜值上限，那么系统会自动开启风扇，若低于设定适宜值下限，那么系统会自动开启取暖灯。
若环境空气质量超过了设定适宜值，那么系统会自动的开启消毒净化模块，消毒净化是通过水泵来喷洒消毒药水来实现。若环境光照强度低于系统设定的下限值，那么系统会自动的开启灯来调整光照。各实物图见图7，图8，图9，图10。
图7 风扇驱动电机 
图8 4叶风扇
图9 水泵 
图10 灯3.3屏幕核心控制板
整板原理图如图11所示：
图11 屏幕核心控制板原理图（1） 屏幕显示模块
本作品使用了一块7寸大小的彩屏。屏幕首页是用户登陆界面，业主登陆之后才能够操控屏幕。在屏幕中，业主可以查询当前猪场的环境参数，适宜环境参数的设定。另外，结合RFID技术，可以进行猪仔的档案管理。同时，还有屏幕系统后台的设置，以及金牌养猪助手提供了一系列的养猪技巧。显示屏实物图和界面图见图12，图13。
图12 
图13（2） NRF24L01无线模块，风扇，消毒净化，灯开关模块
NRF24L01无线环境参数采集板的无线相同，如图4所示。风扇，消毒净化同网页控制模块板的相同，如图7，图8，图9，图10。
（3） 步进电机模块
本作品通过屏幕对步进电机模块的控制来实现开门的功能，模块电路如图14。
图14 步进电机3.4 RFID识别板
（1） NRF24L01无线模块
本模块同环境参数采集板的无线模块相同，如图4所示。
（2） RFID识别模块
本模块是采用MF RC522芯片设计读卡电路， MF RC522是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成度的读写卡芯片。
在猪场的管理中，每一头猪都会有其特定对应的一个RFID电子标签，用以对猪进行识别，方便业主对猪的信息进行管理和查询。
第四章 软件设计
4.1屏幕显示板软件设计
屏幕在本系统中充当这控制器和显示器的作用，他可以将采集的环境参数和猪仔信息显示在屏幕上，同时用户可以通过屏幕对猪场内部的电器进行控制，这种设计方面用户全方位掌控猪仔信息。
(1) 屏幕软件设计流程图
图15 屏幕显示流程图(2) 部分主程序源代码：
4.2环境参数采集板和猪仔刷卡板子软件设计
环境参数采集板可以对猪场的环境参数进行采集，同时通过nrf24L01无线通信传送给屏幕显示板，方便屏幕采集板做下一步处理，猪仔刷卡板子主要对猪仔的编号进行识别，同时将猪仔的编号发送给屏幕采集板子，供用户编辑猪仔信息。
(1) 软件设计流程：如图16。
图16 环境参数采集流程图(2) 部分源代码：
4.3网页软件设计
网页中，通过HTML语言和卓岚软件控件，利用网络通信协议，将环境采用板子的参数反应在网页中，并且网页可以对猪场的监控和对设备的控制，通过花生壳域名解析，可以将卓岚内部服务器放置在互联网上，进而达到远程控制的目的。
(1) 网页设计流程图：如图17
图17 网页设计流程图(2)网页源代码：
（3） 网页效果图：如图18。
图18 网页效果图4.4微信
本作品在软件方面上主要形式是：网站和微信的开发网站方面，租用了服务器，自己搭建了linux的服务器环境，网站构架采用了lamp（linuxapache、php、mysql）。
网站使用php和myspl语言搭建，主要用于猪仔档案的记录。为了对猪的信息进行跟踪记录，我们对每头（每批）猪，进行二维码标记，这里通过调用 Google Chart Tools / Image Charts 的 API ，可以很方便的生成QRcode(调用地址: http://chart.apis.google.com/chart）。同时我们接入了微信平台，可以通过关键字查询猪仔的信息，即猪的档案。如图19所示。
图19 档案记录查询网站对猪场进行深度的展示，并接入猪仔档案，让每一个用户都能看到这些猪的来源、生长、环境等等一切信息，让客户放心大胆的吃这些猪肉。并且可以在线进行订购，如果有疑问或者别的问题，还可以直接和我们交流。为客户打造一个很好的交流平台。
我们还开发了微信的公众账号，开发了状元猪的微官网。包含对状元猪项目的图片介绍、文字介绍、实景拍摄。在微信上也可以进行猪仔的订购。可以通过微信的扫一扫功能，扫描我们猪仔的二维码信息，可以查询到任一阶段的猪仔情况。这里还包含状元猪的各项展示，并不是仅仅把状元猪的一切信息搬到手机上，而是从移动互联网的角度，重新定义科技生态养殖，以互联网新思维，做好生态养殖项目。界面图如图20。
图20 微信界面
图20 微信界面微信展示：
（1）微信源代码：
（2）微信二维码：扫描下面微信的二维码即可关注状元猪的微信公共账号，如图21。
图21 微信二维码第五章 系统性能测试结果及其评估
经过几个月的努力，我们团队完成了基于微信平台的可追溯猪仔成长档案的智能化猪场的制作，考虑到其现实可操作性，我们把他取名为状元猪生态养殖基地。
经过不断的调试，改进，和完善，我们的系统首先实现了微信平台的猪仔档案可溯源功能。该功能的主要内容为：当用户关注我们微信公共账号，就可以通过扫描猪仔档案生成的二维码，进而知道状元猪的一切生长信息。此外结合微信这一强大的新型电商工具，猪仔订购者可以在了解猪仔信息的同时，直接下单，向猪场管理者订购状元猪，这对传统猪场意义上的猪场贸易，具有创新性的突破！
除此之外，我们对传统的猪场也做了数字化升级，并提供两种可靠的工作模式。具体内容为:在本地工作模式中，(即屏幕)可以对猪场内部环境参数进行检测，并可以对猪场环境变化参数进行调节；在远程模式中，猪场管理者可以在网络上通过网页对猪场进行监控和控制。通过这两种工作模式，实现了对猪场的实时监控，为状元猪生长提供了有利的保证。
因此，系统预先设计的功能都已经实现，并且已经达到了预期效果，图22和图23是作品模型正面图和工作图。
图22 模型正面图
图23 模型工作图第六章 设计创新点
本系统设计理念具有先进性和创新性，本作品利用新兴社交软件微信为平台，结合单片机技术，GSM无线通信技术，传感器技术，开发出低成本，高效益的数字化智能猪场，本作品结合微信溯源，微信电商，微信物联网等模块，利用物联网思维，对传统猪场的智能管理进行了探索，初步模型显示其方案的可行性，本作品符合现代食品安全的需求，是一个不错的猪场升级解决方案
本系统是89c51作为核心平台，相对于网上传统成熟的解决方案来说，具有极高的性价比，并且运行性能可靠。传统养殖用户只要投入极少的资金，就可以升级为智能化猪场，这为我国传统猪场的数字化升级提供了可能。
本系统能够精确“感知”环境，通过各种各样的传感器来获取猪场环境参数，以精确的数据作为猪场通风保暖，消毒喂食的依据，避免仅仅依靠感觉和传统养殖方式带来的产量损失
本地控制，本地控制集多种参数于一体，不仅直观的反应当前猪场内部环境参数，还可对其进行精确控制
远程操控，手机电脑可登陆网站，各种猪场环境参数直观显示在网页上，同时，网页对猪场内部参数进行远程控制
自动报警功能，当环境参数达到设定的极限值时，猪场会向猪场管理人员发送报警短信，要求猪场管理人员尽快登陆网站，对环境参数进行调整
采用rfid技术，对猪场猪仔进行标记，有助于猪场管理者更好的管理猪仔信息。
第七章 应用前景
本系统采用采用AT89S51/52/53平台以GSM无线通信技术、传感器技术、单片机技术等为基础，并以社交通讯工具微信为平台，开发出可以保证食品安全的智能数字化猪场。
系统提供本地工作模式和远程工作模式，为传统管理者提供数字化的管理手段，并且首次提出微信溯源猪仔信息，建立公众监督食品安全体制的新方案。
由于本系统具有国外智能猪场无法比拟的性价比，可对我国农村传统猪场进行全面改良升级，此外本系统符合现代食品安全趋势的需求，对于普通消费者和猪场管理者来说，都是一个不错的双赢解决方案！！
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