第一篇內容：緒論，研究的意義和內容

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第二篇內容：系統總體方案設計

系統總體方案設計包括系統需求分析、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，正確的分析系統需求是系統開發中非常重要的步驟[29]。進一步從需求出發，才能設計出貼合實際的系統方案。

2.1 系統需求分析

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

2.1.1環境因素

適宜、穩定的豬舍環境是豬只生長的重要條件，也是提高養殖效益的重要保障。影響豬只生長的環境因素主要包括豬舍內部的小環境和豬舍所處不同地域及季節形成的大環境[30]，在本文中主要針對豬舍小環境進行討論。小環境通常包括環境溫度、相對濕度、光照強度、空氣中的有害氣體等，這些環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-內分泌系統調節產熱和散熱[31]。當環境溫度較高時，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。當環境低于豬只體溫時，豬只為增加產熱，主要表現為進食量增大。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，維持豬舍小環境的溫度穩定對于豬只的生長發育至關重要，溫度監測和調節功能必不可少。

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，與溫度協同作用，主要表現為影響豬只散熱。當環境高溫時，高濕度將增加體感溫度，會導致環境中病原微生物的繁殖，增加豬只患病風險；當環境低溫時，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，對濕度的監測和調節對豬只的生長發育也很重要。

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。同時適當的光照也有利于豬舍濕氣的揮發，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。

我國各地區所處緯度不同，光照時長不一致；隨著時間、天氣、季節等變化，光照強度也受到很大的影響。因此，設計監測環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]。若能有效監測豬舍內氨氣濃度，并及時通知飼養員進行處理，可以有效提高豬只健康率，因此監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員及時發現豬只情況。目前，豬只數量、行動軌跡、體重信息以及異常行為等都需要飼養員觀察并且手動記錄，如果能實現豬只檢測與跟蹤，并且將信息反饋給飼養員，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，需要提醒飼養員進行處理；考慮到飼養員不在現場但是需要了解豬舍環境、豬只信息參數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 系統方案設計

確立系統需求之后，進一步設計系統總體方案，需要考慮三個問題，分別是：

1、需要監測哪些指標

針對豬舍環境，需要監測溫度、濕度、氨氣濃度、光照強度；另外為方便管理還需監測是否下雨、是否發生火災、是否有行人靠近。針對豬只檢測，需要得到豬只數量、豬舍內豬只所占像素點比重。因此，系統通過傳感器技術監測7種環境指標，溫度、濕度、光照強度、氨氣濃度為數值型指標，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、選擇搭建何種系統架構

根據前述的需求分析，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據、監測環境要素、根據環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，用于轉發數據，屬于服務層；手機APP端可實時查看豬舍內各數據，并發送控制指令，屬于用戶層。

本系統將計算機視覺技術、傳感器技術、物聯網技術、云平臺技術以及手機APP相結合。通過本系統，飼養員不在現場也能通過手機APP觀察豬舍內的各項參數情況，電氣化設備可以根據環境參數自動控制也可通過手機APP手動控制。經過總結，設計的系統功能如表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周期。

(4) 每片成本幾何？低成本有利于后期的銷售推廣。

(5) 穩定性如何？穩定性強能夠降低故障率。

經過多方面比較，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公司生產的STM32F407系列單片機，該單片機片上資源豐富，能夠為后續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

物聯網設備接入方式是物聯網系統中設備端接入的通信橋梁，在整個系統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絡環境穩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、監控等。兩種方式各有優勢，但是無線接入方式的布局更加靈活，對周圍的環境要求小，不受限制，所以無線接入方式更加適合本系統。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、工業生產以及醫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、低速率的能實現雙向通信的無線通信技術[39]。它的優勢在于網絡時延短、工作安全可靠，但是其芯片成本高、開發周期長，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，但是它的網絡時延處于5s-9s之間。

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

結合系統工作特性和研發成本考慮，使用WIFI可以使設備快速接入而且能夠保證系統實時性，還能極大的節省系統的開發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以及相關指令。

選擇云平臺的首要因素是穩定性，穩定的云平臺才能為系統提供更大的幫助；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開發的工作量；最后是安全性，數據的安全性才能保證用戶能安心使用。在物聯網的大環境下，國內涌現了很多優秀的物聯網云服務平臺，其中機智云物聯網平臺、百度云、中移物聯網云平臺oneNET等都受到了廣泛的應用。

在這些云平臺中，每個都有自己的優勢。結合本系統需求，專注于物聯網自主開發的機智云平臺更符合要求。它主要提供物聯網設備、為智能硬件打造物聯網開發以及提供運維服務。它的優勢主要有：①提供多種軟件開發方式，幫助開發者設計個性APP，②降低軟件開發難度；提供多種開放的API，幫助開發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，讓開發者快速體驗到設計開發的樂趣。④集成了第三方推送平臺，并且提供一定的免費次數，可以更大程度的幫助開發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，還為專業的技術開發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，從而幫助開發者快速、順利的開發自己的物聯網系統。綜合使用成本和開發復雜度等方面，選擇了機智云物聯網平臺作為本系統的云平臺。

本篇從三個方面介紹了系統的需求分析，基于需求分析進一步提出了系統方案設計。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網平臺。

未完待續，下一篇內容：

STM32F407單片機+機智云AIoT+豬舍監測系統與系統硬件設計