摘 要

我国是一个传统的畜牧业大国，而在我国的肉食品行业中，猪肉占据着重要的地位。但是我国目前整体的养猪水平较为落后，这主要是因为养猪设备的自动化程度较低、可靠性较差，无法实现精确、科学的养殖管理。所以在现有基础上，研制更加精确可靠的养猪设备具有很重要的现实意义。

本文设计的智能育肥喂饲器可以做到喂料喂水的精确化、智能化和数据化。该喂饲器能对料盘中的剩余饲料进行监测，根据剩余料量、来自猪的喂饲请求信号以及猪的食量与猪的大小的关系控制投料和水的数量，对累计饲料和累计用水进行统计，对每天各时段内每头猪的喂饲请求信号进行统计。

设计选用STM32作为控制器，选用4G网络设计通信联网模块，喂饲器通过4G全网通连接服务器，并将相关信息上传至服务器。喂饲器还移植了FreeRTOS操作系统，在此系统上开发应用程序，实现了喂饲、数据上传、命令接收等任务的并行执行，提高了响应实时性。

关键词：智能喂饲器；FreeRTOS；STM32；4G；物联网

Abstract

China is a traditional animal husbandry country, and pork occupies an important position in Chinese meat industry. However, the overall pig-raising level in China is relatively backward, which is mainly due to the low degree of automation and reliability of pig-raising equipment, which can not achieve accurate and scientific management of pig-raising. Therefore, on the basis of the existing, it is of great practical significance to develop more accurate and reliable pig-raising equipment.

The intelligent fattening feeder designed in this paper can accurately, intelligently and digitally feed fodder and water. The feeding device can monitor the remaining feed in the tray, and control the quantity of feed and water according to the surplus volume, feeding signal from pigs and the size of pigs, and count cumulative feed and cumulative water, and count the feeding request signals of each pig in each period of time.

STM32 is chosen as the controller in the design, and the program is written on Keil uVision 5 development tool. FreeRTOS operating system is added to the design to ensure that the feeder can respond to requests in real time. The feeder also designs a 4G communication network module. The feeder connects the server through the 4G network and uploads relevant information to the server.

Key Words：Intelligent feeder；FreeRTOS；STM32；4G；Internet of things

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 3

1.3 课题研究的目的和意义 4

1.4 课题的主要研究内容 4

第2章 喂饲器总体设计方案 6

2.1 总体方案 6

2.2 喂饲器工作方式设计 7

2.2.1工作模式 7

2.2.2工作时段 7

2.2.3一键下料功能 7

2.2.4工作原理 8

2.3 喂饲器面板设计 9

2.4 本章小结 9

第3章 系统硬件设计 10

3.1 系统的元件和设备的选型 10

3.1.1主控制器的选型 10

3.1.2数码管及其驱动的选型 10

3.1.3电磁水阀及固态继电器 12

3.1.4流量传感器 12

3.1.5超声波传感器 13

3.1.6步进电机及步进电机驱动器 13

3.1.7通信联网设备 13

3.2 硬件电路设计 14

3.2.1主控制器接口电路 14

3.2.2按键及显示电路 15

3.2.3电磁阀及流量传感器接口电路 16

3.2.4超声波传感器接口电路 16

3.2.5步进电机驱动电路 17

3.2.6 SIM7600原理图 17

3.3 本章小结 18

第4章 系统软件设计 19

4.1 FreeRTOS的移植 19

4.1.1移植准备 19

4.1.2 FreeRTOS移植 19

4.2 喂饲器系统软件设计 20

4.2.1主函数流程图设计 20

4.2.2按键识别任务 21

4.2.3状态管理任务 22

4.2.4饲料位上限检查任务 24

4.2.5显示任务 25

4.2.6故障通知任务 25

4.2.7看门狗任务 25

4.2.8通信任务 27

4.3本章小结 28

第5章 系统调试 29

5.1 系统调试运行结果 29

5.2 本章小结 34

第6章 总结与展望 35

6.1 工作总结 35

6.2 研究展望 35

参考文献 36

附录 A 37

致 谢 41

1. 绪论
   1. 课题研究的背景

传统养猪是从中国封建社会的小农经济下便一直存在并沿袭至今的，但是在小农经济的历史条件下主要是以家庭为单位的自给自足。随着科技进步和各行业的发展，许多新鲜事物在不断地出现，并且对旧事物造成强烈的冲击。改革开放以来，我国畜牧业得到了迅速发展，其中养猪业表现得尤为突出。据农业部2015年发布的最新统计数据显示，2014年我国畜牧业总产值超过2.9万亿元，其中生猪养殖总产值达1.2万亿元，占比超过40%，养猪业已然成为我国畜牧业的支柱产业^[1]。不管是从生猪养殖规模来看，还是从猪肉消费量来看，我国都位居世界第一，所以我国顺理成章地成为了养猪生产的世界第一大国^[2]。

当然在发展得欣欣向荣的表象之下，我国的养猪业目前还存在着很多的问题和不足。在养猪业的快速发展中，规模化养殖方式在慢慢的兴起，并且开始大范围地取代以前小而散的养殖方式，这不仅仅体现在养猪业中，我国目前的整个畜牧业基本都是这样的状况。虽然规模化养殖开始慢慢占据着主导地位，但是在这其中大部分也都还是小规模的猪场养殖，因为规模小所以大多数都是按照传统方式去养殖，这就出现了很多问题，例如饲养方法不够科学，饲料利用率很低，饲料无法被及时吃掉而腐败变质，浪费严重，这导致了投入和产出的比例严重失调，投入很大而产出很低的^[3]；而且市场的猪肉价格不稳定，波动幅度较大，使得农村的散养户和城镇小规模饲养者养殖积极性下降^[4]。

目前，我国人口老龄化程度较大，从而导致劳动力短缺，因此人工成本也大大提高，这也间接地加大了养殖成本。而且现在的年轻人也因为受到传统观念的影响，普遍不愿意从事养猪行业。同时采用人工的方式去管理猪场有着许多缺点，首先就是人工养殖会增加人和猪的接触，这会大大增加猪被人体携带的病菌病毒感染生病的可能性；其次，通过人工观察到的数据主观性强，不利于精确、稳定、连续地记录；而且通过人工控制存在时效性差、占用人力资源和生产效率低等缺点。所以，大规模的猪场必须考虑到这些因素，减少人工方式的喂饲和管理，如何大范围地使用现代化设备来替代人工是大规模猪场当前急需解决的问题。只有选择了好的养猪设备，才能促进生产，提高养猪效益。

目前市面上已经出现了很多的养猪设备，自动给料、机械清粪，包括自动化环境控制系统等都开始出现。因为饲料成本占保育育肥阶段养猪成本的70%以上，所以喂饲器的选择就很重要。当料盘中的饲料过多，没有被及时吃完或者清理掉，饲料就会霉变，猪再吃霉变的饲料就可能会影响到健康问题，所以如何让每头猪都得到所需的适量饲料，又不造成饲料剩余，导致霉变和浪费，是设计和挑选喂料器时要考虑到的问题^[5]。选择好的喂饲器能克服季节对养猪的不利因素、改善传统养殖的自由采食、自由饮水等问题,使猪健康、无污染、快速高效生长。但是目前国内市场上所使用的设备还普遍存在着可靠性较差、精确度不高等问题，

“物联网”的问世，为生活带来了太多“智能”的要素。物联网技术和产业异军突起，成为新一轮产业革命的重要发展方向和世界产业格局重构的重要推动力量。在农业领域，物联网也已经“登堂入室”，畜牧业是整个农业生产中规模化程度最高，技术、设备与资金投入相对集中的领域之一，在一批致力于畜牧业物联网技术基础研究的科研院所、创新型研发企业的推动下，中国畜牧业物联网技术取得了初步的进展。畜牧业物联网技术应用为畜牧产业的转型升级带来了新的动力，猪场也在不断与物联网融合，如饲养智能监控、云端畜禽的生活情形、设备的使用监视等，为猪场在科学生产、生产分析等方面提供很大的帮助，提升养殖综合效益^[6][7]。

• 1. 国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

在20世纪下半叶，世界上超过半数的猪肉都是来自于发达国家，世界上的养猪强国，也都基本是发达国家。据统计，在养猪强国中，美国在1975年到2005年期间，养猪场的个数从65万个左右减少至7万个左右；荷兰在2006年拥有的养猪场缩减到两万多个；同样的，丹麦的养猪场到2009年也只有14000个左右^[8]。虽然这些养猪强国在养猪场的数目上都在持续缩减，但是养猪场的养殖规模却在不断扩大，大规模的养猪场取代了小规模养猪场，行业的整体产能不降反升，生猪年总出栏量反而增加了。大规模的猪场，如果只依靠人力去饲养和管理，那效率会十分的低下，而机械化设备正好可以解决这一问题，大量机械设施设备的应用，大大地提高了养猪场的生产效率和经济效益。所以大规模养猪场数量的快速增长，也带动了国外生猪养殖的自动化和工厂化的快速发展。

自动饮水器、机械投料装置、刮粪机等，最开始也只是有这些简单的机械设备在猪场中使用，但是随着产业的快速发展，猪场环境控制自动化、高精度微量饲料配料系统、饲料自动喂饲线、脂肪测定仪、种猪个体喂饲技术和缝隙地板下水冲除粪设施等都快速出现并得到推广应用。

物联网技术作为新一代信息技术的重要组成部分，也越来越多地应用于畜牧业中。早在20世纪80年代，荷兰、美国、德国和英国等发达国家已经开始建立一些自动化程度较高的精准畜禽养殖场。荷兰于20世纪80年代建立了数字化奶牛场；以色列阿菲金公司1984年研究出阿菲牧管理系统；西班牙Agritee软件公司1989年开发了奶牛肉牛管理软件，实际开始畜牧业物联网技术应用^[9]。近几年，信息化养殖技术在国外已经广泛应用于提高畜禽养殖业的管理水平。国外养殖业在精细养殖上已经有了不少研究，如绵羊行为自动分类、基于RFID技术的农场管理、奶牛产奶量数据采集和养猪场的自动精细饲喂系统等。

Velos智能化母猪管理系统，是由荷兰Nedap公司的科研人员在奶牛饲养管理系统的基础上自主研发出来的。Velos系统出现后就开始在欧洲广泛应用，经过不断地改进，现在已经是非常成熟的产品了，它解决了现代集约化高密度养猪与提高母猪福利的矛盾问题，并提高了管理的效率。现在的Velos系统通过给母猪安装电子耳标，能自动识别、记录母猪信息，系统主要包括了精确喂饲系统、母猪发情鉴定系统和智能化分离系统。精确喂饲系统可以控制单头母猪进入喂饲系统，系统通过识别确定投料量，能做到个性化、精确化喂饲，这样可以避免饲料浪费，使得母猪饲料成本节约高达35%；母猪发情鉴定系统通过昼夜检测探访公猪的母猪，并且监控整个访问过程、自动记录探访数据，最终判断母猪是否发情，这不仅节约了人工，还提高了判断的准确性；智能化分离系统会自动识别单只母猪，并将该只母猪的相关数据与人为设定的标准作比较，从而判定该只母猪是否应该被分离，系统能全自动完成整个分离流程，无需人工协助。Velos智能化母猪管理系统真正实现了母猪的智能化饲养，它是养猪设备发展的一个革命性标志^[10]。

1.2.2国内研究现状

在我国养猪的历史是非常悠久的，有一句流传的古话说“猪为六畜之首”，这也充分说明猪在我国劳动人民心中占有很重要的地位。虽然近几年来一直在提倡均衡饮食，因为猪肉脂肪含量高，所以专家都建议应多食用蛋白质含量较高而脂肪含量较低的鸡鸭鱼牛肉等，以此来适当代替对猪肉的需求，但是目前来看，猪肉仍然是我国人民的主要肉食。我国的养猪业也从改革开放以来得到了迅猛的发展，现在我国已经是世界第一养猪大国，但是养猪大国不是养猪强国，从整体上来看，我国的养猪业还远远落后于拥有先进技术的美国等养猪强国，目前我国养猪业还有许多问题亟待解决。

目前我国养猪业主要有三种生产方式。第一种是传统的农户家庭养猪生产，这种一般是每户以此为家庭的副业来饲养1-5头，粗放式地喂养，猪肉主要是供应给农村和城镇；第二种是专业户养猪生产，饲养规模一般是几十头到上百头，这就属于小规模的猪场了，这需要一定的资金和人力的投入，修建的有专门的养猪场，具有了一定的专业性，这种生产的猪肉主要供应给中小型城市；第三种是工厂化养猪生产，规模都能达到几千头甚至几万头，这就是大规模的猪场了，这需要很强的专业性，投入也很大，必须配有专业的设备和专业的管理人员，所饲养的猪也都是优良品种，猪肉精瘦，主要是供应给国内的大型城市或者用作港口出口活猪^[11]。据统计，我国散养户从2003年10677.9万个减少至2009年6459.9万个，减少约40%。2015年，大约有500万散户退出了养殖业。这说明，我国养猪业散养户逐渐退出历史舞台，规模向中小规模聚集，将更利于国家政策实施及监管^[12]。

我国的养猪设备行业也在伴随着养猪业的发展而快速发展，经过了改革开放30多年来的持续发展，从起初基本上什么样的机械设备都没有，到后来能够自主生产出成套化的养猪机械设备，再到近些年能够将自动化、电子技术等先进技术融合应用到养猪设备上，我国的养猪设备行业已经发展成为了我国养猪业现代化的重要支撑。但是在设备的品种门类、设备的自动化和智能化程度等方面，我国和国外养猪设备发达国家还有不小的差距^[13]。当然我国有很多诸如广东广兴牧业机械设备有限公司、广东省现代农业装备研究所这样的单位走在科技研发的前沿，致力于我国养猪设备的研发和生产。

有关于物联网技术在我国畜牧业当中的应用，尽管我国畜牧业物联网技术的研究顺应了养殖模式的转型与政府监管的要求，从软、硬件的开发到解决方案的实施，形成了一批产品，获得了一批自主知识产权，得到了不同程度的应用，但从物联网系统的技术环节本身而言，中国畜牧业物联网技术的应用与产品的开发还处于初级研究阶段^[6]。目前来说有以下几个问题摆在我们面前：

1. 基础的技术标准与规范还不够完善，亟待修订；
2. 对畜牧业物联网的认知度不高，现有的畜牧业物联网技术在畜牧业上的应用还存在着局限性；
3. 关键的技术与产品非常匮乏，现有的技术与产品还远远满足不了市场多样化的需求。
   1. 课题研究的目的和意义

目前来看，我国的养猪业在向规模化、集约化的发展方向大跨步迈进，所以养猪业对养猪设备的需求也在快速增长。但是由于我国对于养猪设备的使用和研究都起步较晚，与国外养猪设备发达国家还有很大差距，所以在国内养猪设备市场出现了供不应求的情况。对于智能喂饲器这一养猪设备来说，因为饲料成本占了养猪成本的十分之七以上，所以喂饲器的选择就十分地重要了。好的喂饲器能够大大地减少饲料的浪费，从而提高饲料的转化效率，如果中国的养猪喂饲水平能够达到欧美水平，那么中国每年可以节约近5000万吨粮食，相当于2亿多人的口粮^[14]。在这样的情况下，国内的一些大企业就会选择从国外引进先进的智能喂饲设备，但是进口的这些设备非常昂贵，这无疑大大增加了投入的成本。

所以在这样的背景之下，研究设计智能育肥喂饲器就具有非常重要的现实意义。本课题设计的智能育肥喂饲器可以做到喂料喂水的精确化、智能化和数据化，可以解决难以准确统计用水成本、饲料成本，料盘中的饲料因无法及时吃掉而腐败变质，无法精细化统计每头猪的吃食情况等问题。

• 1. 课题的主要研究内容

本课题设计的是一个基于FreeRTOS的物联网智能育肥喂饲器，该喂饲器能对料盘中的剩余饲料进行监测，根据剩余料量、来自猪的喂饲请求信号以及猪的食量与猪的大小的关系控制投料和水的数量，对累计饲料和累计用水进行统计，对每天各时段内每头猪的喂饲请求信号进行统计，并将相关信息通过物联网上传服务器。

课题的主要研究内容如下：

第1章 绪论。主要介绍了我们国家养猪行业的背景和发展趋势，同时论述了国内外的养猪行业的发展状况和对智能养猪设备的研究现状，同时提出了课题研究智能喂饲器的目的与意义。最后阐述了本文的主要研究内容。

第2章 喂饲器总体设计方案。确定了喂饲器的总体结构和各个模块的功能，分析实际情况，对喂饲器的工作方式进行了设计。最后设计出了喂饲器的操作面板。

第3章 系统硬件设计。依据总体设计方案以及实际情况，完成了硬件的选型。接着根据选型的结果，对主要硬件的电路进行设计，完成了硬件设计工作。

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