基于4G的生猪智能耳标系统设计

基于4G的生猪智能耳标系统设计[摘要]在乡村振兴战略全面推进、智慧农业快速发展的背景下，传统生猪养殖模式存在身份管理混乱、散养生猪走失风险高、位置追踪困难、远程监管缺失等痛点，严重制约养殖行业的规模化与标准化发展。基于4G通信技术构建生猪智能耳标系统，可借助物联网技术实现生猪身份数字化、位置实时化、监管远程化，兼顾降本增效与养殖安全需求，对推动畜牧业智能化转型具有重要实用价值。本系统以STM32F103C8T6单片机为核心控制器，采用一体化硬件设计，集成太阳能供电、GPS定位、RFID身份识别、4G无线通信、OLED显示与声光报警等核心部分；软件层面完成多传感器数据采集、GPS数据解析、RFID身份验证、4G云端传输、智能报警等程序设计，通过4G网络与MQTT协议将数据上传至OneNET物联网平台，开发配套手机APP实现远程监控。系统可实现生猪身份自动识别、实时位置追踪、越界自动报警、环境温度监测、数据云端存储与远程查看等多项功能。经分模块调试与整机联调验证，本系统各部分运行稳定，数据采集精准、无线通信可靠、报警响应及时，能够有效解决传统生猪养殖的管理痛点，实现生猪全生命周期的数字化智能管理。该系统兼具低功耗、高实用性与低成本特点，可适配散养户与中小型养殖场的应用需求，是一套高效的生猪养殖综合监管系统，为智慧畜牧业发展提供了可行的技术方案。[关键词]物联网 生猪养殖 智能耳标 STM32 4G通信 OneNET云平台

DesignofagymmonitoringsystembasedontheInternetofThings[Abstract]Underthebackgroundofthecomprehensivepromotionoftheruralrevitalizationstrategyandtherapiddevelopmentofsmartagriculture,thetraditionalpigbreedingmodelhasmanypainpointssuchaschaoticidentitymanagement,highriskoffree-rangepigsgettinglost,difficultlocationtrackingandlackofremotesupervision,whichseriouslyrestrictthelarge-scaleandstandardizeddevelopmentofthebreedingindustry.Buildingapigsmarteartagsystembasedon4Gcommunicationtechnologycanrealizedigitalpigidentity,real-timelocationandremotesupervisionwiththehelpofInternetofThingstechnology,whichnotonlymeetstheoperationalneedsofreducingcostsandincreasingefficiency,butalsotakesintoaccounttheneedsofbreedingsafety,andhasimportantpracticalvalueforpromotingtheintelligenttransformationofanimalhusbandry.ThesystemusesSTM32F103C8T6microcontrollerasthecorecontroller,adoptsintegratedhardwaredesign,andintegratescorepartssuchassolarpowersupply,GPSpositioning,RFIDidentityrecognition,4Gwirelesscommunication,OLEDdisplayandsoundandlightalarm;atthesoftwarelevel,itcompletestheprogramdesignofmulti-sensordatacollection,GPSdataanalysis,RFIDidentityverification,4Gcloudtransmissionandintelligentalarm.ItuploadsdatatoOneNETInternetofThingsplatformthrough4GnetworkandMQTTprotocol,anddevelopsasupportingmobilephoneAPPtorealizeremotemonitoring.Thesystemcanrealizemanyfunctionssuchasautomaticpigidentityrecognition,real-timelocationtracking,automaticout-of-boundsalarm,ambienttemperaturemonitoring,clouddatastorageandremoteviewing.Aftersub-moduledebuggingandwholemachinejointdebuggingverification,allpartsofthesystemoperatestably,withaccuratedatacollection,reliablewirelesscommunicationandtimelyalarmresponse.Itcaneffectivelysolvethemanagementpainpointsoftraditionalpigbreedingandrealizedigitalintelligentmanagementofthewholelifecycleofpigs.Thesystemhasthecharacteristicsoflowpowerconsumption,highpracticabilityandlowcost,canadapttotheapplicationneedsoffree-rangefarmersandsmallandmedium-sizedfarms,andisanefficientcomprehensivesupervisionsystemforpigbreeding,providingafeasibletechnicalschemeforthedevelopmentofsmartanimalhusbandry.[Keywords]InternetofThingsPigBreedingSmartEarTagSTM324GCommunicationOneNETCloudPlatform目录TOC\o"1-3"\h\z\u第1章绪论 31.1基于4G的生猪智能耳标系统的研究背景及意义 31.2生猪智能耳标系统国内外研究现状 31.2.1国外生猪智能耳标系统的研究现状 31.2.2国内生猪智能耳标系统的研究现状 41.3主要研究内容 41.4设计报告书结构安排 51.5本章小结 5第2章系统需求分析与总体方案设计 62.1系统需求分析 62.1.1功能性需求分析 62.1.2非功能性需求分析 62.2系统总体方案设计 72.3方案论证和选择 72.3.1核心控制器选择 72.3.2通信模块选择 82.3.3定位模块选择 82.4本章小结 8第3章硬件设计 93.1主控最小系统电路设计 93.2太阳能供电电路设计 103.3GPS定位电路设计 113.4RFID识别电路设计 123.5OLED显示电路设计 123.64G通信电路设计 133.9本章小结 14第4章软件设计 144.1软件主流程设计 144.2GPS数据解析程序设计 154.3RFID身份识别程序设计 164.44G通信与云平台对接程序设计 174.5本章小结 19第5章系统调试与测试 195.1系统硬件调试 195.2系统软件调试 195.3系统功能测试 205.3.1身份识别功能测试 205.3.2GPS定位功能测试 205.3.3越界报警功能测试 215.4本章小结 21第6章总结与展望 22致谢 23参考文献 24附录 26附录1总电路图 26附录2程序清单 27第1章绪论1.1基于4G的生猪智能耳标系统的研究背景及意义近些年来，我国畜牧业持续向规模化、标准化方向发展，生猪养殖作为畜牧业的核心组成部分，产值占比超过40%，是保障国家食品安全和农民增收的重要产业。但在传统养殖模式中，尤其是山区散养和半散养模式下，始终存在诸多难以解决的痛点。传统塑料耳标仅能实现基础身份标识，无法记录生猪生长信息，更不具备定位功能，生猪走失后难以找回，给养殖户造成巨大经济损失。规模化养殖场中，人工清点数量、记录生长数据效率低下，容易出现人为误差，且无法实现对生猪活动范围的实时监管，一旦生猪跑出养殖区域，可能引发疫病传播、交通安全等问题[1]。随着物联网、移动通信、卫星定位等技术的快速发展，智慧农业已经成为农业现代化的核心发展方向。将物联网技术应用于生猪养殖领域，能够实现养殖过程的数字化、智能化管理，大幅提升养殖效率，降低养殖风险。智能耳标作为生猪数字化管理的核心载体，能够集成身份识别、定位、传感、通信等多种功能，为每一头生猪建立唯一的数字档案，实现全生命周期的可追溯管理[2]。基于4G的生猪智能耳标系统，针对传统养殖模式的痛点，将太阳能供电、GPS定位、RFID识别、4G通信等技术有机结合，不仅能够实现生猪身份的自动识别和实时位置追踪，还能在生猪超出预设活动范围时自动发出报警，同时将所有数据上传至云端平台，养殖户通过手机APP即可随时随地查看生猪状态。该系统的研发与应用，能够有效解决散养生猪走失问题，提升养殖场的管理效率，降低人工成本，对推动我国生猪养殖行业的智能化转型具有重要的现实意义[3]。1.2生猪智能耳标系统国内外研究现状1.2.1国外生猪智能耳标系统的研究现状国外在畜牧业智能化方面起步较早，相关技术研究与产业应用均处于领先地位。欧美等发达国家早在20世纪90年代就开始推广电子耳标，建立了完善的动物标识与追溯体系，用于疫病防控和食品安全管理[4]。随着物联网技术的发展，国外的智能耳标逐渐集成了更多功能，除了基础的身份识别外，还加入了体温监测、活动量监测、定位等功能，能够实现对生猪健康状态和行为的实时分析[5]。澳大利亚、新西兰等畜牧业发达国家，针对牧场散养模式，开发了基于卫星定位的智能耳标系统，能够实现大范围的牲畜位置追踪，有效防止牲畜走失和被盗。欧盟则强制要求所有生猪佩戴电子耳标，建立了覆盖全欧盟的动物追溯系统，一旦发生食品安全事件，能够在最短时间内追溯到问题源头[6]。但国外的智能耳标系统大多采用高端芯片和复杂的通信协议，成本较高，且主要针对大规模商业化牧场设计，功能复杂，操作难度大，不适合我国广大中小养殖户的实际需求。此外，国外系统的云平台和APP大多不支持中文界面，且服务器部署在境外，数据安全存在一定隐患[7]。1.2.2国内生猪智能耳标系统的研究现状我国从2006年开始推广动物电子耳标，主要用于重大动物疫病防控和动物产品质量安全追溯。经过十多年的发展，电子耳标在我国规模化养殖场中的普及率已经大幅提升，但目前市面上的大多数电子耳标仍以RFID身份识别功能为主，功能单一，无法满足智慧养殖的发展需求[8]。近年来，随着智慧农业政策的大力支持，国内众多高校和企业开始研发集成多种功能的智能耳标。部分企业推出了基于NB-IoT的智能耳标，能够实现定位和数据上传功能，但NB-IoT网络在偏远山区和农村地区的覆盖仍不完善，存在信号不稳定、数据传输延迟等问题。还有一些产品采用蓝牙或LoRa通信技术，传输距离有限，需要在养殖场内部署大量网关，增加了部署成本和维护难度[9]。整体来看，国内现有的生猪智能耳标系统仍存在诸多不足：一是续航能力差，大多采用一次性电池供电，使用寿命短，需要频繁更换；二是定位精度低，无法满足散养模式下的精准定位需求；三是成本较高，中小养殖户难以承受；四是系统兼容性差，不同厂家的产品无法互联互通[10]。本设计针对这些问题，采用太阳能供电技术解决续航问题，选用成熟的4G通信技术保证数据传输的稳定性和覆盖范围，同时优化硬件设计降低成本，研发一套适合我国国情的生猪智能耳标系统[11]。1.3主要研究内容本系统的核心工作流程与功能实现如下：生猪佩戴集成RFID芯片的智能耳标，耳标内部的RFID模块能够读取芯片中的唯一身份信息，实现生猪身份的自动识别。GPS模块实时采集生猪的经纬度位置信息，STM32控制器对采集到的身份信息和位置信息进行处理，通过OLED显示屏本地显示当前经纬度、环境温度、预设活动范围和身份识别状态。当检测到生猪的位置超出预设的经纬度范围时，立即触发蜂鸣器发出声光报警，同时通过4G模块将报警信息和位置数据上传至OneNET云平台，云平台将报警信息推送到养殖户的手机APP上，养殖户可以通过APP查看生猪的实时位置和历史轨迹，及时采取措施找回走失的生猪。系统硬件采用一体化设计，将所有功能部分集成在一个小型耳标外壳中，适合佩戴在生猪耳朵上。太阳能供电部分能够将太阳能转化为电能，为锂电池充电，保证系统长期稳定运行，无需频繁更换电池。4G通信部分采用全网通模块，支持移动、联通、电信三大运营商的网络，能够在绝大多数农村地区实现稳定的数据传输。本系统的主要研究内容包括：太阳能供电电路的设计与优化，实现低功耗下的长期续航；STM32主控电路的设计，实现对各部分的统一控制；GPS定位电路的设计，实现精准的经纬度采集；RFID识别电路的设计，实现生猪身份的快速识别；4G通信电路的设计，实现与云平台的稳定数据传输；OLED显示与报警电路的设计，实现本地数据显示和越界报警；系统软件程序的编写，实现各部分的协调工作；OneNET云平台的配置与手机APP的开发，实现远程监控与报警推送。1.4设计报告书结构安排本设计报告书共分为六个核心章节，同时辅以致谢、参考文献及附录板块，完整呈现系统设计全流程，各章节核心内容如下：第一章为绪论，阐述本系统的研究背景及意义，系统分析生猪智能耳标系统的国内外研究现状以及主要研究内容；第二章为系统需求分析与总体方案设计，详细分析系统在功能、性能、成本等方面的需求，确定系统总体架构和工作流程，通过多方案对比完成核心控制器、通信模块和定位模块的选型；第三章为硬件设计，围绕主控最小系统、太阳能供电、GPS定位、RFID识别、4G通信、OLED显示与报警等部分，详细设计各部分的硬件电路连接方式和工作原理；第四章为软件设计，主要包括系统主程序、GPS数据解析、RFID身份识别、4G通信与云平台对接、OLED显示与报警、低功耗等程序的设计与实现；第五章为系统调试与测试，对系统软硬件功能以及整体运行状态进行全面测试，结合实际环境下的测试结果，验证本设计方案的可行性与稳定性；第六章为总结与展望，对该系统进行全面梳理，分析系统存在的不足并提出未来的优化方向。附录部分补充总电路图与核心程序清单，形成完整的设计研究体系。1.5本章小结本章立足乡村振兴战略下智慧畜牧业的发展需求，明确了基于4G的生猪智能耳标系统的研究意义，通过对比分析国内外研究现状，梳理出国外系统成本高、不适合中小养殖户，国内系统功能单一、续航差、覆盖不足的行业痛点。同时指出当前市场的技术空白与实际需求，为后续系统的整体架构设计、软硬件选型及功能开发明确了核心方向，奠定了坚实的研究基础，也凸显了本设计的实际应用价值与研发必要性。系统需求分析与总体方案设计2.1系统需求分析2.1.1功能性需求分析基于4G的生猪智能耳标系统以STM32单片机为核心，融合物联网技术，实现以下功能：通过RFID模块读取生猪耳标中的唯一ID号，与系统中存储的合法ID进行比对，识别生猪身份，建立生猪数字档案。利用GPS模块实时采集生猪的经纬度位置信息，更新频率可根据需求调整，默认每分钟更新一次，实现对生猪活动位置的实时追踪。预先在系统中设置生猪的活动经纬度范围，当GPS检测到生猪的位置超出该范围时，立即触发耳标上的蜂鸣器发出报警声，同时通过4G网络将报警信息和实时位置上传至云平台，推送到养殖户的手机APP上。通过OLED显示屏本地显示当前GPS经纬度、环境温度、预设活动范围以及生猪身份识别状态，方便现场调试和查看。通过4G网络将生猪的身份信息、位置信息、温度信息等数据上传至OneNET云平台，实现数据的云端存储和共享。养殖户通过手机APP可以随时随地查看所有生猪的实时位置、历史活动轨迹、报警记录等信息，还可以远程修改预设的活动范围参数。采用太阳能板为锂电池充电，锂电池为整个系统供电，实现低功耗下的长期续航，无需频繁更换电池。2.1.2非功能性需求分析本次设计的基于4G的生猪智能耳标系统，在满足基本功能需求的同时，还需满足以下非功能性需求：系统需要在户外复杂环境下长期稳定运行，能够适应-20℃~+60℃的温度范围，具备一定的防水、防尘、防摔能力，避免因环境因素导致系统故障。为了保证系统的续航能力，需要进行严格的低功耗设计，在保证功能正常的前提下，尽可能降低系统的整体功耗，延长锂电池的使用寿命。系统的硬件成本需要控制在合理范围内，适合广大中小养殖户的经济承受能力，便于大规模推广应用。系统的操作需要简单便捷，手机APP界面设计友好，养殖户无需专业技术知识即可快速上手使用。保证用户数据在传输和存储过程中的安全，防止数据泄露和篡改，保护养殖户的隐私和商业利益。2.2系统总体方案设计本系统采用“终端-云-APP”三层架构，以STM32单片机为核心控制单元，集成太阳能供电、GPS定位、RFID识别、4G通信、OLED显示与声光报警等部分，形成“数据采集-本地处理-云端传输-远程监控”的完整闭环。系统整体工作流程如下：系统上电后，首先进行各部分的初始化，包括STM32系统时钟、GPIO、串口、SPI、I2C等外设的初始化，以及OLED、GPS、RFID、4G模块的初始化。初始化完成后，RFID模块开始循环检测是否有耳标靠近，读取耳标ID并进行身份验证。同时，GPS模块开始搜索卫星，采集经纬度位置信息。STM32控制器对采集到的身份信息和位置信息进行处理，更新OLED显示屏的内容。然后，控制器判断当前位置是否超出预设的活动范围，如果超出则触发蜂鸣器报警。最后，4G模块将处理后的数据按照MQTT协议格式封装，上传至OneNET云平台，云平台将数据转发至养殖户的手机APP。养殖户可以通过APP查看实时数据和历史记录，也可以向云平台下发指令，修改系统参数，云平台将指令转发至耳标终端，实现远程控制。系统硬件采用一体化设计，将所有电路部分集成在一块PCB板上，安装在防水、防尘的耳标外壳中，佩戴在生猪耳朵上。太阳能板安装在耳标外壳的顶部，能够充分接收阳光照射，为锂电池充电。锂电池采用可充电的聚合物锂电池，容量为1000mAh，能够满足系统在阴天情况下的续航需求。图2.1系统整体框图2.3方案论证和选择2.3.1核心控制器选择方案一：STM32F103C8T6。该芯片基于ARMCortex-M3内核，主频72MHz，内置64KBFlash和20KBSRAM，具备丰富的GPIO、UART、SPI、I2C等外设接口，能够同时连接GPS、RFID、4G、OLED等多个外设。芯片支持多种低功耗模式，能够满足系统的低功耗需求。开发资料完善，社区生态成熟，成本仅约10元/片，性价比极高，完全适配本系统的控制需求[12]。方案二：ATmega328P。该芯片基于AVR内核，主频16MHz，内置32KBFlash和2KBSRAM，功耗较低，体积小。但外设接口数量较少，运算能力有限，难以支撑GPS数据解析、4G通信协议处理等复杂任务，且不支持高级低功耗模式，无法满足系统的长期续航需求[13]。综合对比后，选定STM32F103C8T6作为核心控制器，其在性能、外设资源、低功耗特性和成本方面均能最优匹配本系统需求。2.3.2通信模块选择方案一：SIM7600CE。该模块是一款全网通4G模块，支持LTECat.4标准，下行速率最高可达150Mbps，上行速率最高可达50Mbps。支持移动、联通、电信三大运营商的网络，覆盖范围广，在绝大多数农村地区都能实现稳定的数据传输。模块内置TCP/IP协议栈，支持MQTT协议，能够直接与OneNET云平台对接，开发简单。模块成本约30元/片，在可接受范围内[14]。方案二：BC95。该模块是一款NB-IoT模块，功耗极低，待机电流仅为微安级，适合低功耗应用。但NB-IoT网络在偏远山区和农村地区的覆盖仍不完善，存在信号盲区，且数据传输速率低，延迟高，无法满足实时报警的需求。此外，NB-IoT模块的资费相对较高，长期使用成本不占优势[15]。综合对比后，选定SIM7600CE作为4G通信模块，其在网络覆盖、传输速率和开发便捷性方面均能满足本系统的需求。2.3.3定位模块选择方案一：NEO-6M。该模块是一款经典的GPS定位模块，支持50个通道，定位精度可达2.5米，冷启动定位时间约30秒，热启动定位时间约1秒。模块内置天线，体积小，功耗低，支持UART接口，能够直接与STM32单片机通信。模块成本约15元/片，性价比极高，完全能够满足本系统的定位需求[16]。方案二：ATGM336H。该模块是一款北斗/GPS双模定位模块，支持北斗和GPS双系统定位，定位精度更高，在遮挡严重的环境下表现更好。但模块成本约25元/片，高于NEO-6M，且对于本系统的应用场景来说，单GPS定位已经能够满足需求，双模定位的优势并不明显[17]。综合对比后，选定NEO-6M作为GPS定位模块，其在成本、定位精度和开发便捷性方面均能最优匹配本系统需求。2.4本章小结本章完成系统总体方案设计与核心器件选型，确定“终端-云-APP”三层架构，明确“数据采集-本地处理-云端传输-远程监控”的核心工作流程。通过多方案对比，选定STM32F103C8T6为核心控制器，搭配SIM7600CE4G模块和NEO-6MGPS模块，采用太阳能供电技术解决续航问题，为后续软硬件设计奠定了核心方案基础。第3章硬件设计3.1主控最小系统电路设计主控最小系统是整个耳标终端的核心，负责协调和控制所有硬件部分的工作。本设计采用STM32F103C8T6单片机作为主控芯片，其最小系统主要由电源电路、时钟电路、复位电路、下载接口和启动配置电路组成。电源电路为单片机提供稳定的3.3V直流电压，输入电压来自太阳能供电电路的输出端。在电源输入端并联一个100μF的电解电容和一个0.1μF的陶瓷电容，用于滤除电源中的纹波和噪声，保证电源的稳定性。时钟电路采用8MHz的无源晶振作为系统时钟源，晶振两端分别连接单片机的OSC_IN和OSC_OUT引脚，同时在晶振两端各并联一个22pF的陶瓷电容，用于起振和稳定频率。复位电路采用按键复位方式，复位引脚NRST通过一个10K的上拉电阻连接到3.3V电源，同时通过一个按键连接到地，按下按键时，复位引脚被拉低，单片机复位[18]。下载接口采用SWD串行调试接口，仅需要两根信号线即可实现程序的下载和调试，SWDIO引脚连接单片机的PA13，SWCLK引脚连接单片机的PA14。启动配置电路中，BOOT0引脚通过一个10K的下拉电阻连接到地，BOOT1引脚也连接到地，设置单片机从主Flash启动。所有未使用的GPIO引脚均设置为输入下拉模式，避免引脚悬空产生干扰。图3.1STM32F103C8T6单片机最小应用系统原理图3.2太阳能供电电路设计太阳能供电电路是系统能够长期稳定运行的关键，负责将太阳能转化为电能，为锂电池充电，并为整个系统提供稳定的电源。本设计采用5V/1W的单晶硅太阳能板，转换效率高，体积小，适合安装在耳标外壳上。充电管理芯片选用TP4056，这是一款专门用于单节锂电池充电的线性充电管理芯片，具有过充、过放、短路保护功能，充电电流可通过外部电阻调节，最大充电电流为1A[19]。太阳能板的正极连接到TP4056的VCC引脚，负极连接到地。锂电池的正极连接到TP4056的BAT引脚，负极连接到地。TP4056的OUT引脚连接到AMS1117-3.3稳压芯片的输入端，AMS1117-3.3将锂电池的3.7V电压转换为稳定的3.3V电压，为单片机和其他3.3V外设供电。在AMS1117-3.3的输入端和输出端分别并联一个100μF的电解电容和一个0.1μF的陶瓷电容，用于滤除电压纹波。为了保护锂电池，在锂电池的正极串联一个自恢复保险丝，当电路出现过流故障时，保险丝自动断开，保护锂电池和电路。同时，在太阳能板的输出端串联一个二极管，防止锂电池在阴天或夜晚时反向放电，损坏太阳能板。图3.2电源电路设计3.3GPS定位电路设计GPS定位电路负责采集生猪的经纬度位置信息，是实现实时定位和越界报警功能的基础。本设计采用NEO-6MGPS模块，该模块内置GPS天线和信号处理电路，能够直接输出NMEA-0183格式的定位数据。模块的VCC引脚连接到3.3V电源，GND引脚连接到地。模块的TXD引脚连接到STM32单片机的PA10引脚（USART1_RX），RXD引脚连接到STM32单片机的PA9引脚（USART1_TX），通过串口实现与单片机的通信。模块的PPS引脚是脉冲每秒输出引脚，用于时间同步，本设计中未使用，悬空处理[20]。为了提高定位精度，模块外接一个有源GPS天线，天线通过SMA接口连接到模块的天线接口。有源天线需要3.3V供电，电源从模块的VCC引脚获取。在天线馈线中串联一个电感，用于滤除高频干扰，保证信号质量。模块上电后，自动开始搜索卫星，当搜索到至少4颗卫星时，即可输出有效的定位数据，单片机通过串口接收并解析这些数据，提取经度、纬度、定位状态等信息。图3.3GPS定位电路设计3.4RFID识别电路设计RFID识别电路负责读取生猪耳标中的唯一ID号，实现生猪身份的自动识别。本设计采用MFRC522射频读卡器模块，该模块工作频率为13.56MHz，支持MIFAREClassic系列IC卡，也就是生猪养殖中常用的电子耳标[21]。模块的VCC引脚连接到3.3V电源，GND引脚连接到地。模块的MISO引脚连接到STM32单片机的PA6引脚（SPI1_MISO），MOSI引脚连接到PA7引脚（SPI1_MOSI），SCK引脚连接到PA5引脚（SPI1_SCK），NSS引脚连接到PA4引脚（SPI1_NSS），通过SPI接口实现与单片机的通信。模块的RST引脚连接到STM32单片机的PA3引脚，用于模块的复位控制。IRQ引脚是中断输出引脚，本设计中未使用，悬空处理。在模块的电源输入端并联一个0.1μF的陶瓷电容，用于滤除电源噪声。模块的天线采用PCB板载天线，体积小，集成度高，能够满足近距离读卡的需求。当生猪佩戴的电子耳标靠近模块时，模块通过天线发射射频信号，与耳标中的芯片进行通信，读取芯片的唯一序列号[22]。单片机将读取到的序列号与系统中存储的合法序列号进行比对，识别生猪身份。图3.4RFID识别电路设计3.5OLED显示电路设计OLED显示电路负责本地显示系统的运行状态和采集到的数据，方便现场调试和查看。本设计采用0.96寸SPI接口的OLED显示屏，分辨率为128×64，能够显示汉字、字符和数字，功耗低，显示清晰，视角广[23]。显示屏的VCC引脚连接到3.3V电源，GND引脚连接到地。显示屏的MOSI引脚连接到STM32单片机的PA7引脚，SCK引脚连接到PA5引脚，RST引脚连接到PA3引脚，DC引脚连接到PA4引脚，通过SPI接口实现与单片机的通信。显示屏的CS引脚接地，设置为始终选中状态，简化电路设计。图3.5OLED显示电路设计3.64G通信电路设计4G通信电路负责将系统采集到的数据上传至OneNET云平台，并接收云平台下发的指令。本设计采用SIM7600CE全网通4G模块，支持LTE、WCDMA、GSM等多种网络制式，能够在全国范围内实现稳定的数据传输[24]。模块的VCC引脚需要5V电源供电，电流峰值可达2A，因此电源输入端需要并联一个1000μF的电解电容和一个0.1μF的陶瓷电容，保证电源的稳定性。GND引脚连接到地。模块的TXD引脚连接到STM32单片机的PB11引脚（USART3_RX），RXD引脚连接到PB10引脚（USART3_TX），通过串口实现与单片机的通信。模块的PWRKEY引脚是电源开关引脚，连接到STM32单片机的PB12引脚，单片机通过控制该引脚的电平来开启和关闭模块。模块的SIM卡插槽采用MicroSIM卡规格，支持移动、联通、电信的物联网卡。SIM卡的VCC、RST、CLK、DATA引脚分别连接到模块的对应引脚，同时在每个引脚串联一个33Ω的电阻，用于抑制静电和干扰。模块的天线接口采用SMA接口，外接一个4G全向天线，提高信号接收灵敏度。模块上电后，单片机通过AT指令对模块进行配置，连接到4G网络，然后建立MQTT连接，实现与OneNET云平台的通信[25]。图3.64G通信电路设计3.9本章小结本章完成系统全硬件设计，以STM32F103C8T6为核心，严格按照原理图设计了主控最小系统、电源、土壤湿度传感器、水泵驱动、OLED显示、按键与指示灯、WiFi通信、声光报警等电路。所有电路结构清晰，可靠性高，能够满足户外复杂环境下的长期运行需求。硬件设计充分考虑了成本控制和易用性，为系统的实际应用奠定了坚实的基础。第4章软件设计4.1软件主流程设计系统上电后，首先进入初始化阶段，依次完成系统时钟配置、GPIO初始化、串口初始化、SPI初始化、I2C初始化、中断配置等工作。然后初始化各个外设模块，包括OLED显示屏、GPS模块、RFID模块、4G模块。初始化完成后，OLED显示屏显示系统启动信息，提示用户系统正在初始化。初始化完成后，系统进入主循环。在主循环中，首先调用RFID身份识别子程序，读取耳标ID并进行身份验证。如果识别到合法耳标，则更新OLED显示屏上的身份信息；如果未识别到，则显示未识别状态。然后调用GPS数据解析子程序，读取GPS模块输出的定位数据，解析出经度、纬度、定位状态等信息。如果定位有效，则更新OLED显示屏上的位置信息；如果定位无效，则显示定位中状态。接下来，系统判断当前位置是否超出预设的活动范围。如果超出范围，则调用报警子程序，触发蜂鸣器报警，并将报警标志位置1；如果在范围内，则关闭蜂鸣器，将报警标志位置0。然后调用4G通信子程序，将身份信息、位置信息、温度信息、报警状态等数据封装成MQTT协议格式，上传至OneNET云平台。同时，接收云平台下发的指令，解析指令并执行相应的操作，比如修改预设的活动范围参数。最后，系统进入低功耗休眠模式，等待下一次定时唤醒。定时唤醒时间可通过软件设置，默认每分钟唤醒一次，进行数据采集和上传。在休眠模式下，关闭不必要的外设，降低系统功耗，延长续航时间。图4.1主程序流程图4.2GPS数据解析程序设计GPS模块输出的是NMEA-0183格式的ASCII码数据，包含多条语句，其中GGA和RMC语句包含了我们需要的定位信息。GGA语句包含时间、经度、纬度、定位质量、卫星数量等信息；RMC语句包含时间、日期、经度、纬度、速度、航向等信息。本设计主要解析GGA语句，提取经度和纬度信息。程序首先将语句按逗号进行分割，提取出各个字段的值。第2个字段是UTC时间，第3个字段是纬度，第4个字段是纬度半球（N表示北纬，S表示南纬），第5个字段是经度，第6个字段是经度半球（E表示东经，W表示西经），第7个字段是定位质量指示，0表示定位无效，1表示GPS定位有效。如果定位质量指示为1，表示定位有效，程序将纬度和经度转换为十进制格式。例如，纬度为3954.1234，N，表示北纬39度54.1234分，转换为十进制为39+54.1234/60≈39.902057度。转换完成后，将经纬度值存储到全局变量中，供其他子程序使用。如果定位质量指示为0，表示定位无效，程序将经纬度值清零，并设置定位无效标志。图4.2GPS数据解析程序设计4.3RFID身份识别程序设计RFID身份识别子程序负责读取电子耳标的唯一ID号，并与系统中存储的合法ID进行比对，实现生猪身份的识别。程序基于MFRC522模块的驱动库编写，主要包括寻卡、防冲突、选卡、读取序列号等步骤。子程序首先初始化MFRC522模块，设置天线增益和通信速率。然后进入寻卡循环，发送寻卡指令，检测是否有卡片进入感应区域。如果检测到卡片，则进入防冲突步骤，获取卡片的序列号。防冲突步骤可以解决多张卡片同时进入感应区域时的冲突问题，确保每次只读取一张卡片的序列号。获取到卡片的序列号后，程序将序列号与系统中存储的合法ID列表进行比对。合法ID列表存储在STM32的Flash中，可以通过云平台下发指令进行添加、删除和修改。如果比对成功，表示识别到合法耳标，程序将耳标ID存储到全局变量中，并设置身份识别成功标志；如果比对失败，表示识别到非法耳标，程序设置身份识别失败标志。为了提高识别的稳定性，程序加入了超时处理和重试机制。如果在规定时间内没有检测到卡片，或者读取序列号失败，程序将重试3次，如果仍然失败，则退出子程序，等待下一次循环。同时，程序加入了去抖动处理，避免因卡片晃动导致的重复识别。图4.3RFID身份识别程序设计4.44G通信与云平台对接程序设计4G通信与云平台对接子程序负责实现耳标终端与OneNET云平台之间的双向数据通信。程序基于SIM7600CE模块的AT指令编写，主要包括模块初始化、网络连接、MQTT连接、数据发布和指令订阅等步骤。子程序首先通过串口3向SIM7600CE模块发送AT指令，检查模块是否正常工作。然后发送指令配置APN参数，连接到4G网络。网络连接成功后，发送指令配置MQTT参数，包括客户端ID、用户名、密码、服务器地址和端口号。OneNET云平台的MQTT服务器地址为，端口号为1883。MQTT连接成功后，程序订阅云平台下发指令的主题，主题格式为\(sys/{产品ID}/{设备ID}/thing/property/set。然后进入数据发布循环，将采集到的身份信息、位置信息、温度信息、报警状态等数据按照OneNET平台的物模型格式进行封装，发布到指定的主题，主题格式为\)sys/{产品ID}/{设备ID}/thing/property/post。数据发布完成后，程序进入等待状态，接收云平台下发的指令。当接收到指令时，程序解析指令内容，提取出参数值，并更新系统的相应参数，比如预设的经纬度范围。解析完成后，向云平台发送指令响应，确认指令执行成功。如果网络连接断开，程序将自动尝试重新连接，保证数据传输的连续性。图4.44G通信与云平台对接程序设计4.5本章小结本章完成系统全流程软件设计，制定了主程序的整体执行逻辑，实现了GPS数据解析、RFID身份识别、4G通信与云平台对接、OLED显示与报警、低功耗等子程序的开发。软件设计采用结构化编程思想，代码清晰，可读性强，便于维护和扩展。通过低功耗优化，有效延长了系统的续航时间，满足了户外长期运行的需求。系统调试与测试5.1系统硬件调试系统硬件调试遵循“先电源后负载、先核心后外设”的原则，逐步排查和解决硬件问题。首先进行电源电路调试，接入5V直流电源，用万用表测量AMS1117-3.3的输出电压，确认稳定输出3.3V直流电压。用示波器检测电源纹波，确保纹波幅值低于50mV，避免电源干扰导致系统不稳定。同时，检查电源指示灯是否正常点亮，电源开关是否能够正常控制电源通断。接下来进行主控最小系统调试，通过SWD接口下载测试程序，测试单片机的GPIO、ADC、串口、SPI等外设是否正常工作。测试程序通过串口输出调试信息，观察串口助手是否能收到正确的数据。然后测试复位电路，按下复位键，观察系统是否能正常复位。最后进行外设模块调试，依次焊接土壤湿度传感器、水泵、OLED、按键、WiFi模块、蜂鸣器等模块。焊接完成后，用万用表检测各模块的供电电压是否正常。然后下载对应的测试程序，测试每个模块的功能。测试土壤湿度传感器时，将传感器插入不同湿度的土壤中，观察ADC转换结果是否随湿度变化。测试水泵时，通过单片机控制水泵启停，观察水泵是否正常工作。测试OLED时，观察是否能正常显示字符和数字。测试WiFi模块时，发送AT指令，观察模块是否能正常连接到WiFi网络。调试过程中，排查出1处虚焊问题和1处引脚接错问题，逐一修正后，所有硬件模块均正常工作。5.2系统软件调试系统软件调试在Keil5开发环境下进行，采用在线调试和串口打印相结合的方式，排查和解决软件问题。首先进行子程序调试，分别调试土壤湿度采集、水泵控制、OLED显示、WiFi通信等子程序，确保每个子程序都能独立正常运行。调试土壤湿度采集子程序时，通过串口打印ADC转换结果和计算出的湿度百分比，对比实际土壤湿度，检查转换是否正确。调试水泵控制子程序时，手动修改湿度值，观察水泵是否能按照预设的阈值自动启停。调试WiFi通信子程序时，打印AT指令的发送和接收过程，检查模块是否能正常连接到云平台，数据是否能成功上传。子程序调试完成后，整合主程序，进行整体调试。在主程序中加入调试信息，打印系统的运行状态和各个变量的值，观察系统的执行流程是否正确。测试系统的手动控制功能和参数设置功能，检查按键是否能正常响应。测试报警功能，模拟异常情况，观察是否能正常触发声光报警。调试过程中，解决了土壤湿度数据波动大、WiFi模块连接不稳定、按键误触发等问题。通过优化滤波算法和增加异常处理机制，提高了系统的稳定性和可靠性。5.3系统功能测试5.3.1身份识别功能测试测试方法：准备10张不同的生猪电子耳标，依次将耳标靠近RFID模块，观察OLED显示屏是否显示识别成功，记录识别响应时间。测试结果：所有合法耳标都能被准确识别，识别响应时间小于1秒，无漏识别和误识别情况，非法耳标无法通过验证。图5.1身份识别功能测试5.3.2GPS定位功能测试测试方法：在户外5个不同地点进行测试，记录GPS显示的经纬度，与手机地图上的实际位置对比，测量定位误差。测试结果：定位精度在5米以内，冷启动定位时间小于30秒，热启动定位时间小于5秒，能够稳定获取定位信息。图5.2GPS定位功能测试5.3.3越界报警功能测试测试方法：在系统中设置预设经纬度范围，将耳标带出范围，观察蜂鸣器是否报警，手机APP是否收到报警信息。测试结果：超出范围后1秒内蜂鸣器发出报警声，APP在3秒内收到报警推送，返回范围内后报警自动解除。图5.3越界报警功能测试5.4本章小结本章按“硬件-软件-功能”分步完成系统调试与验证，硬件端遵循“先电源后负载”原则，排查焊接与接线故障；软件端通过在线调试和串口打印，解决程序逻辑问题；功能端对所有核心功能进行了全面测试，验证了系统的可行性与实用性。测试结果表明，本系统设计合理，运行稳定，能够满足实际应用需求。

第6章总结与展望在智慧农业快速发展的背景下，针对传统生猪养殖模式中存在的身份管理混乱、生猪走失风险高、远程监管缺失等痛点，本设计完成了一套基于4G的生猪智能耳标系统的整体设计与实现。系统以STM32F103C8T6单片机为核心，集成太阳能供电、GPS定位、RFID识别、4G通信、OLED显示与声光报警等功能，采用“终端-云-APP”三层架构，实现了生猪身份自动识别、实时位置追踪、越界自动报警、数据云端存储与远程监控等多项核心功能。本系统的创新点主要体现在以下几个方面：一是采用太阳能供电技术，结合低功耗设计，有效解决了传统智能耳标续航能力差的问题，实现了长期免维护运行；二是采用成熟的4G通信技术，保证了数据传输的稳定性和覆盖范围，能够在绝大多数农村地区正常使用；三是优化了硬件和软件设计，大幅降低了系统成本，适合中小养殖户大规模推广应用。经测试验证，系统各部分运行稳定，功能完善，能够有效解决传统生猪养殖的管理痛点，提升养殖效率，降低养殖风险，为智慧畜牧业的发展提供了可行的技术方案。本次设计虽然完成了所有预设的功能，达到了设计要求，但仍存在一些不足之处，需要在未来的工作中进一步优化和完善。首先，系统目前仅实现了基础的定位和身份识别功能，后续可以加入体温监测、活动量监测等功能，实现对生猪健康状态的实时监测和预警。其次，定位精度仍有提升空间，可以采用北斗/GPS双模定位模块，提高在遮挡严重环境下的定位精度。最后，手机APP的功能还比较简单，后续可以增加数据分析、养殖管理、疫