基于图像识别的牧区羊圈监控系统设计

基于图像识别的牧区羊圈监控系统设计摘要随着我国牧区养殖业的规模化与集约化发展，羊圈安防与牲畜安全防护已成为牧区生产管理的核心需求。传统牧区羊圈依赖人工巡检模式，存在夜间值守难度大、狼害与非法入侵预警不及时、环境状态监测能力不足等问题，难以适配偏远牧区的智能化安防需求。本文设计了一种基于STM32F103微控制器与图像识别技术的牧区羊圈监控系统，实现了异常事件的多级检测、智能识别与远程预警。系统集成SW-420震动传感器、D203S人体红外传感器、K230图像识别模块与DHT11温湿度传感器，构建“震动触发-红外验证-图像识别确认”的三级安防检测逻辑，可精准识别狼只入侵与人员非法闯入事件。通过ML307R4G模块实现报警短信推送与监测数据远程上传，OLED显示屏提供本地人机交互界面，搭配声光报警模块实现现场预警。实际测试表明，系统震动检测响应时间小于200ms，人体红外检测准确率达98%，狼只与人员图像识别准确率达92%，可在-20℃~60℃环境下连续72小时稳定运行无故障。研究成果为偏远牧区羊圈智能化安防提供了低成本、高可靠性的技术方案，对推动牧区养殖产业的数字化升级具有重要参考价值。关键词牧区羊圈监控；图像识别；STM32F103；4G通信；多传感器联动AbstractWiththelarge-scaleandintensivedevelopmentofpastoralfarminginChina,thesecurityofsheeppensandtheprotectionoflivestockhavebecomethecoredemandsofpastoralproductionmanagement.Thetraditionalmanualinspectionmodeforsheeppensinpastoralareashasmanyproblems,suchashighdifficultyinnightduty,delayedearlywarningofwolfdamageandillegalintrusion,andinsufficientabilitytomonitorenvironmentalconditions,whichisdifficulttoadapttotheintelligentsecurityneedsofremotepastoralareas.ThispaperdesignsamonitoringsystemforpastoralsheeppensbasedonSTM32F103microcontrollerandimagerecognitiontechnology,whichrealizesmulti-leveldetection,intelligentidentificationandremoteearlywarningofabnormalevents.ThesystemintegratesSW-420vibrationsensor,D203Shumaninfraredsensor,K230imagerecognitionmoduleandDHT11temperatureandhumiditysensor,constructsathree-levelsecuritydetectionlogicof"vibrationtrigger-infraredverification-imagerecognitionconfirmation",whichcanaccuratelyidentifywolfinvasionandillegalpersonnelintrusion.TheML307R4GmoduleisusedtopushalarmSMSanduploadmonitoringdataremotely,theOLEDdisplayscreenprovidesalocalhuman-computerinteractioninterface,andthesoundandlightalarmmoduleisusedtorealizeon-siteearlywarning.Theactualtestshowsthattheresponsetimeofthesystem'svibrationdetectionislessthan200ms,theaccuracyofhumaninfrareddetectionreaches98%,theaccuracyofwolfandpersonnelimagerecognitionreaches92%,anditcanoperatestablyfor72hourswithoutfailureintheenvironmentof-20℃~60℃.Theresearchresultsprovidealow-costandhigh-reliabilitytechnicalschemefortheintelligentsecurityofsheeppensinremotepastoralareas,andhaveimportantreferencevalueforpromotingthedigitalupgradingofpastoralbreedingindustry.Keywordspastoralsheeppenmonitoring;imagerecognition’STM32F103’4Gcommunication’multi-sensorlinkage目录189971绪论 1281351.1研究背景 1313001.2国内外研究现状 1120381.3本章小结 26762功能与设计方案 3296422.1系统功能要求 3223392.2系统设计方案 3223462.3器件方案对比 4108312.3.1主控单片机的选型 41622.3.2通信模块的选型 5300702.3.3图像识别模块的选型 5158082.4本章小结 615363系统的硬件设计 7188433.1STM32F103C8T6单片机 7273033.2SW-420震动传感模块 8166683.3D203S人体红外传感模块 9228863.4K230图像识别模块 992733.5DHT11温湿度传感模块 1052743.6OLED显示模块 10279323.7ML307R4G通信模块 11210163.8声光报警与双电源供电模块 12218333.9本章小结 13317994系统的软件设计 14248594.1软件介绍 1491754.2软件程序的设计 15194804.2.1主程序流程图 15296744.2.2按键子程序流程图 1612524.2.3显示子程序流程图 17148674.3本章小结 1876505系统的测试 19300275.1软件调试 19327085.2硬件调试 1988815.3实物展示 19219015.3.1震动触发检测功能测试 195065.3.2红外生物验证功能测试 2096995.3.3图像识别功能测试 2056445.3.4短信报警功能测试 21275435.4本章小结 223021结论 2320435参考文献 2516442谢辞 2731310附录A 2810286附录B 291绪论1.1研究背景我国是畜牧业生产大国，牧区养殖是西北、内蒙古等地区农业经济的核心支柱，其中肉羊养殖是牧区农户的主要收入来源。在实际养殖过程中，羊圈安防始终是影响养殖收益的关键因素，偏远牧区普遍存在狼只等野生动物夜间入侵、牲畜被盗、极端天气影响养殖环境等问题。传统羊圈管理完全依赖人工定时巡检，不仅人力成本高，而且存在巡检盲区，夜间与恶劣天气下无法实现实时监控，入侵事件发生后往往无法及时预警，造成牲畜伤亡与财产损失。随着物联网、嵌入式与图像识别技术的快速发展，智能化安防系统逐步在农业养殖领域落地应用[1]。但现有主流监控系统多依赖有线宽带与固定电源，适配性差，而偏远牧区往往缺乏稳定的宽带网络与供电条件，无法直接套用城市安防方案。同时，单一的传感检测方式易受环境干扰，存在误报率高、识别精度不足的问题。基于此，本研究设计一套适配牧区场景的低功耗、无线化、高识别精度的羊圈智能监控系统，通过多传感器联动与图像识别技术，解决传统牧区羊圈安防的核心痛点，为牧区养殖智能化升级提供可行方案[2]。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状国外畜牧业智能化发展起步较早，欧美、澳大利亚等畜牧业发达国家依托成熟的工业技术与农业数字化体系，已形成覆盖牧场环境监测、周界安防、牲畜全周期管理的智能监控体系，相关技术与产品已实现规模化商用，在系统稳定性、低功耗设计与场景适配性上形成了深厚的技术积累。澳大利亚作为全球畜牧业强国，针对本国地广人稀、牧场分布偏远的特点，率先开展了低功耗广域网技术在牧场监测中的应用研究。澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）研发的基于LoRa无线传感网络的牧场监测系统，通过分布式部署的低功耗传感节点，实现了牧场环境参数、牲畜位置与活动状态的广域覆盖采集，单基站通信覆盖半径可达10公里，完美适配偏远牧场无固定宽带的基础设施条件，该技术已在澳大利亚60%以上的规模化牧场实现商用，系统平均无故障运行时间超过18个月，数据传输成功率达99.2%[3]。荷兰瓦赫宁根大学在精准畜牧养殖领域的研究则聚焦于多传感器融合的环境闭环调控，其构建的养殖环境智能监测系统，集成了温湿度、氨气浓度、光照强度等十余种传感单元，通过多维度数据的协同分析，实现了养殖环境的实时监测与自动化调控，相关研究成果为畜牧养殖环境的数字化管控建立了标准化技术框架[4]。欧美国家针对牧区野生动物入侵与非法闯入防控的需求，形成了多技术融合的安防解决方案。美国农业研究局（ARS）研发的牧场全天候周界安防系统，将红外热成像技术与毫米波雷达技术深度融合，突破了可见光监控在夜间、雨雪、大雾等恶劣天气下的成像局限，可实现500米范围内入侵目标的精准检测，对野生动物入侵、人员非法闯入的识别准确率达95%以上，同时通过背景建模与动态滤波算法，有效过滤了小型动物活动、植被晃动带来的误报信号，将系统周界误报率控制在3%以内[5]。西班牙农业工程研究所针对欧洲北部牧区狼害防控的实际需求，开发了震动传感与声学特征识别联动的安防系统，通过埋设于牧场围栏周边的震动传感阵列，实时采集围栏的异常震动信号，同步通过声学传感器识别狼只的叫声特征，实现入侵事件的双重验证，该系统在西班牙北部牧区的实地测试中，对狼害入侵事件的预警提前量平均达8分钟，使试点牧场的牲畜伤亡率下降了72%[6]。国外研究已从基础的目标检测向行为识别、健康状态智能评估深度发展，同时针对野外嵌入式场景开展了大量轻量化算法研究。美国相关企业研发的基于机器视觉的牲畜行为识别系统，通过深度学习算法实时解析牲畜的进食、运动、躺卧等行为特征，可提前10-14天识别牲畜的患病、发情等异常状态，识别准确率达93%以上，实现了牲畜健康状态的无人化、全天候监测[7]。澳大利亚科研团队针对偏远牧场无云端算力支撑的场景，研发了基于轻量化卷积神经网络的野外入侵目标识别模型，通过模型剪枝与量化优化，在保证识别精度的前提下，将模型参数量压缩至原有模型的20%，可在低功耗嵌入式设备上实现离线运行，对狐狸、狼等入侵野生动物的识别准确率达90%以上，为偏远牧场的智能化安防提供了轻量化技术方案[8]。同时，国外学者针对嵌入式设备的算力限制，在轻量化图像识别算法优化领域开展了大量系统性研究，通过深度可分离卷积、知识蒸馏、注意力机制优化等技术，在不显著损失识别精度的前提下，大幅降低了模型的计算量与内存占用，推动了复杂图像识别算法在低功耗嵌入式设备上的落地应用[9]。1.2.2国内研究现状国内牧场智能化监控研究虽起步较晚，但在国家数字农业、乡村振兴等相关政策的推动下，发展势头迅猛，国内高校、科研机构与龙头养殖企业围绕畜牧养殖智能化开展了大量研究，在物联网监测、机器视觉应用、嵌入式系统开发等领域取得了诸多突破性成果，部分技术已达到国际先进水平。国内头部养殖企业已完成标准化室内养殖场的智能化升级，温氏股份、牧原股份等龙头企业，在规模化生猪、肉羊养殖场部署了完整的智能监控与管理系统，通过物联网技术实现了养殖环境参数的实时采集、远程管控与智能调控，构建了集环境监测、视频监控、智能饲喂、疫病预警于一体的智慧养殖体系，大幅提升了养殖生产的标准化水平与管理效率，相关技术已在国内数千个规模化养殖场实现落地[10]。国内科研机构针对我国牧区的地域特点与实际需求，开展了大量针对性研究。内蒙古农业大学针对内蒙古牧区羊圈安防的核心需求，设计了基于4G通信的无线安防终端，集成震动传感器、人体红外传感器与高清摄像头，实现了入侵事件的联动检测与远程图片推送报警，系统在内蒙古锡林郭勒牧区的实地测试中，对人员非法闯入事件的报警响应时间小于3秒，有效弥补了人工巡检的时效性不足[11]。新疆农业大学针对新疆牧区狼害夜间入侵的防控难题，研发了热成像与可见光双光谱融合的羊圈监控系统，通过红外热成像技术实现夜间无光照条件下的目标快速检测，同步联动可见光摄像头进行图像采集与目标识别，解决了夜间可见光成像效果差、识别精度低的问题，系统对狼只入侵的识别准确率达88%以上[12]。同时，针对偏远牧区供电条件受限的问题，国内学者开展了大量低功耗监测系统与可再生能源供电技术的研究，通过太阳能光伏发电、锂电池储能结合低功耗传感芯片与休眠唤醒机制，实现了监测终端的长期免维护运行，为牧区无固定供电场景下的长期连续监测提供了可行的技术方案[13]。在牧区环境监测领域，国内研究团队也开发了多款适配户外场景的无线传感监测终端，可实现羊圈温湿度、有害气体浓度等参数的长期连续监测与远程上传，为牧区养殖环境的科学化管理提供了数据支撑[14]。国内研究成果丰硕，形成了大量适配国内养殖场景的技术方案。中国农业大学基于改进的YOLOv5算法，构建了复杂牧场背景下的羊群目标检测与计数模型，通过引入多尺度特征融合与遮挡目标检测优化，解决了羊群相互遮挡、背景复杂带来的检测精度下降问题，在实际牧场场景中的检测准确率达96%以上[15]。西北农林科技大学针对嵌入式设备的算力限制，对轻量化YOLO算法进行了针对性优化，通过引入深度可分离卷积与注意力机制，在保证入侵目标识别精度的前提下，将模型参数量降低了40%，单帧图像推理时间缩短至150ms以内，可在低功耗嵌入式设备上实现实时离线识别，为嵌入式图像识别系统在牧场安防中的应用提供了算法支撑[16]。同时，国内学者在轻量化神经网络模型设计、嵌入式端推理框架优化等领域的研究不断深入，针对嵌入式设备的算力与内存限制，开展了模型压缩、算子优化等一系列研究，推动了离线图像识别技术在低功耗嵌入式设备上的规模化应用，相关研究成果已在农业安防、农产品品质检测、病虫害识别等多个农业领域实现落地[17]。在图像识别算法的抗干扰优化方面，国内研究团队针对野外复杂光照、恶劣天气下的图像退化问题，开展了图像增强、特征提取优化等研究，有效提升了复杂环境下图像识别模型的鲁棒性与识别精度。1.3本章小结本章围绕牧区羊圈智能监控系统的研究背景与实际意义展开阐述，明确了传统牧区羊圈安防模式的核心痛点与智能化升级的迫切需求，梳理了国内外牧场智能监控领域的研究现状与技术发展趋势，明确了现有技术在牧区场景适配性上的不足。2功能与设计方案2.1系统功能要求结合牧区羊圈的实际使用场景与安防需求，本系统需实现以下核心功能：通过震动传感器检测羊圈围栏、大门的异常震动，红外传感器验证是否有生物活动，K230摄像头模块拍照并通过图像识别确认目标是否为狼只或人员，实现异常入侵事件的精准检测。通过温湿度传感器实时采集羊圈内部的环境温湿度数据，在本地显示屏实时显示，并同步上传至云平台。当确认异常入侵事件后，系统自动触发声光报警模块，通过蜂鸣器与警示LED灯实现现场预警，威慑入侵目标。异常事件触发后，通过4G模块向预设手机号发送报警短信，短信内容包含事件发生时间、设备编号、现场温湿度数据与报警次数，同时将报警事件与监测数据上传至云平台，支持远程查看。通过独立按键实现显示界面切换、震动检测保持时长等参数的设置，通过OLED显示屏实时显示环境参数、传感器工作状态与报警信息。2.2系统设计方案本设计以单片机为核心控制器，加上其他模块一起组成的牧区羊圈监控系统，其中包含中控部分、输入部分和输出部分。中控部分采用单片机，其主要作用是获取输入部分数据，经过内部处理，控制输出部分。输入由六部分组成，第一部分是震动传感器，用于检测羊圈异常震动；第二部分是人体红外传感器，用于检测生物活动；第三部分是摄像头模块，用于识别人或狼；第四部分是温湿度传感器，用于采集环境温湿度；第五部分是独立按键，用于功能切换与参数设置；第六部分是供电电路，为整个系统提供稳定的工作电源。输出由三部分组成，第一部分是显示屏，用于展示温湿度、传感器状态及报警信息；第二部分是声光报警模块，用于异常事件触发时的蜂鸣器报警与灯光提示；第三部分是4G模块，用于报警短信通知及数据上传云平台。图2.1系统硬件模块工作框图2.3器件方案对比2.3.1主控单片机的选型（1）方案一：STC89C52单片机STC89C52基于8051内核架构，具备开发门槛低、成本低廉、资料丰富的特点，内置8KBFlash程序存储区与512BRAM，最高工作频率为24MHz，集成基础的GPIO与串口外设，可满足简单的控制需求。但该芯片为8位单片机，核心运算能力有限，无法应对多传感器数据同步采集、复杂逻辑判断与多串口通信的需求，同时片内存储资源不足，外设接口数量少，无法满足本系统多模块联动的扩展需求，在多任务处理场景下易出现响应延迟的问题。（2）方案二：STM32F103C8T6单片机STM32F103C8T6基于ARMCortex-M332位内核设计，主频最高可达72MHz，内置64KBFlash与20KBSRAM，运算能力远超8位单片机，可轻松应对系统多传感器数据采集、安防逻辑判断与多模块通信的需求。芯片集成了多路USART串口、SPI、I2C、ADC与定时器外设，可便捷实现与各传感模块、识别模块、通信模块的硬件连接，同时支持外部中断功能，可快速响应震动传感器的触发信号。该芯片拥有完善的开发生态与丰富的函数库，可大幅缩短开发周期，同时具备优异的抗干扰能力与宽温工作特性，完全适配牧区户外复杂的使用环境，因此本设计选用该方案作为系统主控。2.3.2通信模块的选型（1）方案一：ESP8266WiFi模块该模块内置完整的TCP/IP协议栈，可接入WiFi网络实现数据传输，具备成本低、开发便捷的特点，在室内物联网场景中应用广泛。但该模块依赖固定WiFi网络，而偏远牧区普遍缺乏稳定的宽带与WiFi覆盖，无法实现远程通信，同时该模块的通信覆盖范围有限，仅能在WiFi热点覆盖范围内使用，无法适配牧区广域远程通信的需求。（2）方案二：HC-05蓝牙模块其支持蓝牙2.0协议，可实现短距离点对点通信，具备功耗低、开发简单的特点，适用于近距离设备互联场景。但该模块的有效通信距离仅为10米，无法实现远程数据传输与报警推送，同时不支持网络接入与短信发送功能，完全无法满足本系统远程预警的核心需求。（3）方案三：ML307R4G通信模块ML307R支持全网通4G网络，内置完整的TCP/IP协议栈与短信协议，可在移动蜂窝网络覆盖范围内实现广域通信，不受固定宽带的限制，完美适配偏远牧区的网络环境。该模块支持串口与主控单片机直接连接，可便捷实现短信发送与阿里云平台数据上传功能，同时具备低功耗、高稳定性的特点，在户外复杂环境下仍可保持稳定的网络连接，因此本设计选用该方案作为系统通信单元。2.3.3图像识别模块的选型（1）方案一：树莓派4B搭配OpenCV开源视觉库该方案具备强大的运算能力，可运行复杂的深度学习算法，识别精度高、可扩展性强，可适配复杂的视觉识别场景。但该方案硬件成本高，整体功耗大，对供电要求高，无法适配锂电池长期供电的牧区场景，同时设备体积大，户外安装部署难度高，且系统运行稳定性受环境温度影响较大，不适合牧区户外长期使用。（2）方案二：K230图像识别模块K230内置双核64位处理器与硬件神经网络加速器，可离线运行YOLOv2-tiny目标检测算法，实现对狼只、人员等目标的实时识别，无需依赖云端计算，识别响应速度快，准确率满足安防需求。该模块体积小巧、成本低廉、功耗低，可通过串口直接与主控单片机通信，将识别结果实时发送至主控，同时支持宽温工作，具备优异的户外环境适配性，因此本设计选用该方案作为系统图像识别单元。2.4本章小结本章详细阐述了牧区羊圈监控系统的核心功能需求与性能指标，结合牧区实际使用场景提出了系统整体设计架构，将系统划分为中控、输入、输出三大部分，明确了各部分的组成与核心作用。同时，本章对主控单片机、通信模块、图像识别模块三类核心器件进行了多方案对比分析，结合系统需求、使用场景与器件性能，确定了最终的器件选型方案，充分兼顾了系统的稳定性、实用性与成本控制，为后续系统的硬件与软件设计奠定了坚实的基础。3系统的硬件设计3.1STM32F103C8T6单片机STM32F103C8T6单片机是整个系统的控制核心，承担着各模块调度、数据处理、逻辑判断与指令下发的核心职责，其硬件设计分为最小系统电路与外设接口电路两大部分。最小系统电路是单片机正常运行的基础，包含电源电路、时钟电路、复位电路、BOOT启动电路与程序下载电路，单片机最小系统如图3.1所示。电源电路采用Type-C接口输入5V电源，通过XC6206稳压芯片将5V电压转换为3.3V，为单片机及周边外设提供稳定的工作电源，同时搭配100nF滤波电容降低电源噪声，保障供电稳定性[18]。时钟电路选用8MHz高速主晶振与32.768kHz低速辅助晶振，搭配30pF负载电容保障时钟频率的稳定输出，为单片机运行提供精准的时钟基准。复位电路采用上拉10K电阻与手动复位按键组合的设计，实现上电自动复位与手动复位双重功能，保障系统故障时可快速复位重启。BOOT启动电路通过设置BOOT0与BOOT1引脚的高低电平，实现Flash启动与系统程序下载两种模式的切换，满足程序烧录与调试的需求。外设接口电路利用单片机丰富的外设资源实现与各功能模块的硬件连接，USART1串口的PA9、PA10引脚与K230图像识别模块连接，接收图像识别结果；USART2串口的PA2、PA3引脚与ML307R4G模块连接，实现数据通信与指令传输；I2C接口的PB14、PB15引脚与OLED显示模块连接，实现显示数据的传输；PB0引脚连接震动传感器的外部中断接口，实现震动触发信号的快速响应；PA0引脚连接人体红外传感器，PA1引脚连接DHT11温湿度传感器，PB8-PB11引脚连接按键与声光报警模块，所有接口均预留ESD防护电路，提升系统在户外环境下的抗干扰能力。图3.1STM32F103C8T6单片机3.2SW-420震动传感模块SW-420震动传感模块是系统安防检测的第一级触发单元，主要负责检测羊圈围栏、大门的异常震动信号，当出现攀爬、撞击、破坏围栏等行为时，模块快速输出触发信号，唤醒系统进入后续检测流程。SW-420振动采集模块如图3.2所示，该模块核心由SW-420震动开关、电压比较器与外围调理电路组成，震动开关内部采用导电弹簧与双电极设计，静态时弹簧与电极保持断开状态，模块输出高电平；当受到震动冲击时，弹簧发生形变与电极接触，电路导通，模块输出低电平触发信号，通过电压比较器将模拟震动信号转换为数字电平信号，可直接接入单片机的GPIO引脚进行检测。VCC引脚接入5V电源，GND引脚与系统地连接，OUT信号输出引脚接入单片机的PB4引脚，该引脚配置为外部中断下降沿触发模式，可实时响应模块的震动触发信号，相比轮询检测方式大幅提升了响应速度。模块的灵敏度可通过板载电位器进行调节，结合牧区羊圈的实际环境，将触发灵敏度调整至可识别围栏撞击与攀爬震动，同时过滤风吹、小型动物触碰带来的轻微震动，降低误触发概率。图3.2SW-420振动采集模块3.3D203S人体红外传感模块D203S人体红外传感模块是系统安防检测的第二级验证单元，主要负责在震动触发后，验证监测区域内是否存在生物活动，过滤无生物活动的无效震动触发，进一步降低系统误报率。D203S人体红外传感模块如图3.3所示，该模块基于热释电红外效应工作，核心采用D203S热释电红外探头，可检测生物体发出的8-14μm红外光谱，当监测区域内有恒温生物移动时，探头将红外辐射变化转换为电信号，经过内部放大、滤波、比较电路处理后，输出对应的数字电平信号。模块内置菲涅尔透镜，可将检测范围扩大至120°广角、7米有效距离，完全覆盖羊圈入口与围栏周边的监测区域，同时支持检测灵敏度与触发延时的双向调节，适配不同的监测场景需求[19]。D203S的VCC引脚接入5V电源，GND引脚接系统地，OUT信号输出引脚接入单片机的PB3引脚，配置为上拉输入模式，单片机可实时读取模块的输出电平状态。当模块检测到生物活动时，输出高电平信号，无生物活动时输出低电平，主控单片机通过电平状态判断是否存在生物活动。图3.3D203S人体红外传感模块3.4K230图像识别模块K230图像识别模块是系统安防检测的第三级确认单元，也是实现入侵目标精准识别的核心组件，主要负责在震动与红外双重触发后，对监测区域进行拍照，通过离线图像识别算法确认目标类型，判断是否为狼只入侵或人员非法闯入，为最终的报警触发提供精准依据。K230图像识别模块如图3.4所示。该模块核心采用K230AI芯片，内置双核64位RISC-V处理器与硬件神经网络加速器，算力可达1TOPS，可离线运行YOLOv2-tiny目标检测算法，无需依赖云端计算，即可实现对狼只、人员两类目标的实时检测与分类识别，单帧图像识别耗时小于200ms，完全满足系统实时性需求[20]。模块板载高清摄像头模组，支持最大300万像素图像采集，搭配广角镜头，可覆盖羊圈入口与围栏的完整监测区域，同时支持自动曝光与白平衡调节，适配昼夜不同光照环境下的图像采集需求。图3.4K230图像识别模块3.5DHT11温湿度传感模块DHT11温湿度传感模块是系统环境监测功能的核心组件，主要负责实时采集羊圈内部的环境温度与相对湿度数据，为养殖环境管理提供数据支撑，同时将温湿度数据同步纳入报警短信与云平台上传内容，实现环境参数的全周期监测。DHT11温湿度传感模块如图3.5所示，该模块是一款集成式数字温湿度传感器，内部集成了电阻式感湿元件、NTC测温元件与8位高性能单片机，可直接输出校准后的数字温湿度信号，无需额外的信号调理电路，具备抗干扰能力强、成本低廉、开发便捷的特点。模块的温度测量范围为0℃~50℃，测量精度为±2℃，湿度测量范围为20%~90%RH，测量精度为±5%RH，完全满足牧区羊圈环境监测的量程与精度需求。模块的VCC引脚接入5V电源，GND引脚接系统地，DATA双向串行数据引脚接入单片机的PA7引脚，配置为开漏输出模式，通过单总线通信协议实现与主控单片机的数据传输。单总线通信方式仅需一根信号线即可完成主控与模块之间的双向通信，大幅节省了单片机的IO引脚资源，同时通信距离可达20米以上，可满足羊圈大空间内的传感器部署需求。图3.5DHT11温湿度传感模块3.6OLED显示模块OLED显示模块是系统本地人机交互的核心载体，主要负责实时展示羊圈环境温湿度数据、各传感器工作状态、系统设置参数与报警信息，为现场调试与参数设置提供可视化界面。OLED显示模块如图3.6所示，本设计选用0.96英寸OLED显示屏，分辨率为128×64像素，采用SSD1306驱动芯片，通过I2C串行接口实现与主控单片机的通信，无需并行接口，仅需两根信号线即可完成显示控制，大幅简化了硬件连接。该模块采用有机自发光技术，无需背光源，对比度高、可视角度广，在牧区强光与弱光环境下均可清晰显示内容，同时具备低功耗、响应速度快、工作温度范围宽的特点，适配户外复杂的使用环境，相比传统LCD液晶屏，更适合低功耗、宽温的嵌入式应用场景。硬件连接方面，模块的VCC引脚接入3.3V电源，GND引脚接系统地，SDA串行数据线接入单片机的PB14引脚，SCL串行时钟线接入单片机的PB15引脚，通过硬件I2C接口实现与主控单片机的高速通信。硬件设计中，在I2C总线的SDA与SCL线路上分别串联4.7K上拉电阻，保障总线通信的稳定性，避免信号反射与干扰导致的显示异常。图3.6OLED显示模块3.7ML307R4G通信模块ML307R4G通信模块是系统实现远程预警与云平台数据上传的核心组件，主要负责在异常入侵事件确认后，向预设手机号发送报警短信，同时将系统监测的环境数据、报警事件实时上传至阿里云物联网平台，实现羊圈状态的远程监控与管理。该模块是一款工业级全网通4G通信模块，支持国内三大运营商的4G/3G/2G网络，内置完整的TCP/IP、MQTT、短信与PPP协议栈，无需额外的协议转换，即可通过串口与主控单片机实现双向通信，完成短信发送、网络连接与云平台数据交互。模块采用工业级设计，工作温度范围覆盖-40℃~85℃，可在牧区极端高低温环境下保持稳定的网络连接，同时具备低功耗待机模式，适配锂电池长期供电的使用需求。硬件连接方面，模块的VCC引脚接入5V电源，GND引脚与系统地连接，确保供电充足与电平共地，模块的UART串口TXD引脚接入单片机的PA3引脚，RXD引脚接入单片机的PA2引脚，通过USART2串口实现与主控单片机的通信，串口波特率设置为115200，保障数据传输的稳定性与实时性。模块的SIM卡接口预留了ESD防静电保护电路与过流保护器件，避免户外静电与浪涌损坏SIM卡与模块接口，同时采用抽屉式SIM卡座，支持热插拔，便于现场更换SIM卡。硬件设计中，在模块电源输入端串联大容值滤波电容与磁珠，抑制电源噪声，保障模块在网络注册与数据传输峰值功耗下的供电稳定性。模块内置网络状态指示灯，可直观显示模块的开机、网络注册与数据传输状态，便于现场调试与故障排查。模块支持断线自动重连功能，当出现网络信号波动导致的连接中断时，可自动重新注册网络并连接云平台，保障偏远牧区弱网环境下的通信可靠性。图3.8ML307R4G通信模块3.8声光报警与双电源供电模块声光报警模块主要负责在确认异常入侵事件后，触发蜂鸣器与警示LED灯，实现声光同步预警，威慑入侵的狼只与非法人员，同时提醒周边牧民及时处置。声光报警模块如图3.8所示，该模块由5V有源蜂鸣器、蓝色高亮LED灯、NPN三极管驱动电路与限流保护电路组成，有源蜂鸣器内置震荡源，通电即可发出高分贝报警声，声压级可达85dB以上，可覆盖大范围的羊圈区域；LED灯采用高亮发光二极管，报警时持续闪烁，起到视觉警示作用。硬件连接方面，蜂鸣器与LED灯的驱动控制端分别接入单片机的PB1与PB2引脚，主控单片机通过输出高低电平控制报警模块的启停，由于单片机IO引脚的输出电流有限，无法直接驱动蜂鸣器，因此采用NPN三极管搭建开关驱动电路，通过IO引脚控制三极管的导通与截止，实现对蜂鸣器与LED灯的大电流驱动。硬件设计中，在蜂鸣器两端并联续流二极管，吸收关断瞬间的反向电动势，保护三极管与单片机引脚，同时串联限流电阻，避免过流损坏器件。图3.8报警模块3.9本章小结本章详细阐述了牧区羊圈监控系统的硬件设计架构，对STM32F103C8T6主控最小系统、SW-420震动传感模块、D203S人体红外传感模块、K230图像识别模块、DHT11温湿度传感模块、OLED显示模块、ML307R4G通信模块、声光报警与双电源供电模块的工作原理、电路设计、硬件连接方式与优化措施进行了逐一说明。系统硬件设计采用模块化架构，各模块之间接口标准化，硬件连接简洁清晰，同时充分考虑了牧区户外复杂的使用环境，在抗干扰、宽温适配、防水防尘与供电稳定性方面进行了针对性优化，搭建了完整、稳定、可靠的硬件系统，为后续软件功能的实现奠定了硬件基础。4系统的软件设计4.1软件介绍本系统的软件开发基于Keil5MDK集成开发环境完成，该环境是ARM公司专为ARMCortex-M系列内核单片机推出的专业开发工具，集成了项目管理、代码编辑、编译链接、下载调试等全流程开发功能，全面支持STM32系列单片机的软件开发，是嵌入式领域应用最广泛的开发环境之一。Keil5MDK具备诸多适配本系统开发的优势，其内置的ARMC/C++编译器具备优异的代码优化能力，可生成精简高效的机器码，大幅降低程序对单片机存储资源的占用，提升程序运行效率；代码编辑器支持语法高亮、自动补全与代码折叠功能，可显著提升代码编写效率；内置完善的调试工具，支持断点设置、单步执行、寄存器与变量实时查看等功能，可快速定位程序中的问题，缩短调试周期；同时支持STM32HAL库与STM32CubeMX初始化代码生成工具，可快速完成单片机外设与时钟的初始化配置，大幅简化底层驱动的开发流程。本系统的软件开发流程中，首先通过STM32CubeMX工具完成单片机时钟树配置、GPIO引脚定义、USART串口、定时器、外部中断与I2C接口的初始化配置，生成基础工程代码；随后将生成的工程导入Keil5MDK环境中，采用标准C语言进行应用层程序开发，整体程序采用模块化设计思想，将不同功能拆解为独立的子程序函数，各函数之间相互独立，仅通过全局变量与标志位进行数据交互，大幅提升了代码的可读性、可维护性与可扩展性。系统程序整体分为前台主循环与后台中断处理两大部分，通过定时器中断、串口接收中断与外部中断实现对实时事件的快速响应，通过主循环实现各功能子程序的有序调度，保障系统多任务运行的实时性与稳定性。图4.1Keil_5软件界面4.2软件程序的设计4.2.1主程序流程图系统的主流程图如图4.2所示，初始化完成后，程序进入while主循环，在主循环内按照固定顺序依次调用四大核心功能子程序，分别为按键功能子程序、监测功能子程序、显示功能子程序与监控处理子程序，完成系统的核心功能调度。按键功能子程序负责扫描按键状态，处理用户的按键操作，实现界面切换与系统参数设置；监测功能子程序负责周期性采集温湿度传感器数据，更新系统环境监测参数；显示功能子程序根据当前显示界面标志位，刷新OLED显示屏的显示内容，实现数据与状态的可视化展示；监控处理子程序负责执行系统核心的三级安防检测逻辑，根据传感器触发状态与图像识别结果，判断是否触发报警与短信推送。在主循环的每个周期内，程序同时调用4G模块的MQTT协议接收函数，监听云平台下发的远程控制指令，通过定时触发机制执行数据上传函数，将系统监测数据与运行状态定期上传至阿里云平台。主程序整体采用模块化调度方式，各功能子程序解耦独立，通过标志位实现模块间的状态同步，避免资源竞争与逻辑冲突，同时优化了各子程序的执行耗时，保障主循环的刷新频率，确保系统对实时事件的响应速度。图4.2系统逻辑流程图4.2.2按键子程序流程图按键子程序流程图如图4.3所示，当按键扫描函数检测到有效按键按下后，程序根据键值进入对应的分支处理逻辑：若检测到按键1按下，对显示界面标志位进行取反操作，实现主监测界面与参数设置界面的循环切换，同时在界面切换时执行清屏操作，避免显示内容重叠；若检测到按键2按下，程序首先判断当前显示界面，若处于参数设置界面，且当前设置的震动保持时长小于60秒上限，则将震动保持时长增加1秒，若处于主监测界面，则执行系统模式切换操作；若检测到按键3按下，同样先判断当前显示界面，若处于参数设置界面，且当前设置的震动保持时长大于1秒下限，则将震动保持时长减少1秒，避免参数设置超出合理范围。图4.3按键子程序流程图4.2.3显示子程序流程图显示模块子程序流程如下图4.4所示，当显示标志位为0时，程序渲染主监测界面，界面顶部左侧显示实时温度数据，右侧显示实时湿度数据，采用专用的温湿度显示函数与符号标识，提升界面辨识度；界面中部依次分行显示震动传感器、人体红外传感器与图像识别模块的实时工作状态，根据模块触发状态分别显示“触发”或“未触发”，状态变化时实时刷新；界面底部预留报警信息提示区域，当系统触发报警时，高亮显示报警事件类型。当显示标志位为1时，程序渲染参数设置界面，界面顶部显示“震动保持时长”设置标题，界面中部居中显示当前设置的时长数值与单位，用户通过按键修改参数时，数值实时同步刷新，界面布局简洁明了，核心参数突出，便于用户现场查看与设置。显示子程序针对不同类型的数据，分别封装了汉字显示、字符串显示、数字显示与格式化打印函数，可灵活实现不同内容的渲染，同时优化了界面刷新逻辑，仅在数据或状态发生变化时执行刷新操作，减少不必要的屏幕刷新，降低系统功耗。图4.4显示子程序流程图4.3本章小结本章围绕牧区羊圈监控系统的软件设计展开详细阐述，介绍了系统的软件开发环境与开发流程，明确了软件整体的模块化设计思想与架构，本章对主程序、按键子程序、显示子程序、监控处理子程序的核心流程与设计逻辑进行了逐一说明，清晰阐述了系统三级安防检测逻辑的软件实现方式。系统软件设计充分兼顾了功能的完整性、运行的实时性与代码的可维护性，通过中断处理实现对实时事件的快速响应，通过模块化调度实现各功能的有序运行，为系统各项功能的实现提供了软件支撑。5系统的测试5.1软件调试软件功能测试在硬件单元测试通过的基础上进行，主要验证系统软件各功能子程序的逻辑正确性、功能完整性与运行稳定性，测试通过Keil5MDK的在线调试功能，结合硬件实物联调的方式进行，逐一验证各子程序的功能实现情况。首先对基础驱动程序进行测试，验证GPIO输入输出、定时器中断、外部中断、串口通信与I2C通信功能正常，中断响应及时，串口数据收发准确无误，无丢包与错乱现象。随后对按键子程序进行测试，依次按下3个功能按键，验证界面切换、参数加、参数减功能正常，按键防抖处理有效，单次按键仅触发一次操作，参数设置的上下限保护功能正常，无参数超限问题。对显示子程序进行测试，验证两套显示界面切换流畅，温湿度数据、传感器状态与参数数值显示准确，实时刷新正常，无花屏与内容重叠现象。5.2硬件调试硬件单元测试是验证系统各硬件模块功能完整性与运行稳定性的基础，测试环境搭建于实验室常温环境下，采用可调直流电源、示波器、万用表、串口调试助手等工具，对系统各硬件模块进行逐一单独测试，验证模块的焊接质量、供电稳定性、功能实现情况与通信可靠性。首先对主控最小系统进行测试，通过万用表测量稳压电路输出电压，确认3.3V输出电压稳定，纹波小于50mV，满足单片机供电要求；通过ST-Link下载器连接程序下载接口，成功下载测试程序，验证下载电路与复位电路功能正常；通过示波器测量时钟电路输出波形，确认主晶振与辅助晶振起振正常，频率稳定。随后对各传感模块进行测试，依次为震动传感器、人体红外传感器、温湿度传感器与图像识别模块供电，通过万用表测量模块输出电平变化，模拟触发场景，验证模块的触发响应正常，灵敏度与检测范围符合设计要求；通过串口调试助手接收K230模块的识别结果数据，验证模块图像识别功能正常，串口通信数据准确无误。5.3实物展示5.3.1震动触发检测功能测试本次测试模拟羊圈围栏撞击、攀爬的震动场景，采用不同力度敲击模块，验证系统震动触发功能。测试结果显示，系统可准确识别有效震动信号，响应时间小于200ms，可过滤轻微震动干扰，触发灵敏度可通过硬件与软件双向调节，震动保持时长设置功能正常，完全符合设计要求。图5.1振动检测5.3.2红外生物验证功能测试本次测试模拟生物进入监测区域的场景，测试模块在不同光照条件下的检测效果。测试结果显示，模块可准确识别7米范围内的生物活动，检测准确率达98%，无阳光直射与夜间环境下均可稳定工作，触发延时设置功能正常，可为主控提供稳定的生物验证信号。图5.2红外检测5.3.3图像识别功能测试本次测试模拟狼只与人员入侵场景，在不同光照条件下测试模块的识别效果。测试结果显示，模块可离线完成目标检测与识别，单帧识别耗时小于200ms，狼只与人员识别准确率达92%，识别结果可通过串口准确发送至主控，可有效过滤牛羊等非目标生物，满足系统识别精度要求。图5.3图像检测5.3.4短信报警功能测试本次测试模拟入侵报警场景，验证系统远程短信推送功能。测试结果显示，系统可在报警触发后10秒内向预设手机号发送报警短信，短信内容完整，包含时间、设备编号、温湿度与报警次数等信息，无漏发、错发现象，弱网环境下可自动重发，满足远程预警需求。图5.4短信报警5.4本章小结本章详细阐述了牧区羊圈监控系统的测试方案与测试结果，通过硬件单元测试、软件功能测试与实物整体功能测试三个阶段，对系统的硬件稳定性、软件逻辑正确性与整体功能完整性进行了全面验证。测试结果表明，系统各项功能均正常实现，充分验证了系统设计的合理性与可行性，可满足牧区羊圈智能化安防的实际使用需求。结论本研究针对传统牧区羊圈安防模式的核心痛点，设计了一套基于STM32F103微控制器与图像识别技术的牧区羊圈智能监控系统，实现了羊圈异常入侵事件的多级检测、精准识别与远程预警，同时完成了羊圈环境温湿度的实时监测功能。系统采用“震动触发-红外验证-图像识别确认”的三级安防检测逻辑，有效解决了单一传感检测方式误报率高的问题，通过K230模块离线实现狼只与人员的目标识别，无需依赖云端计算，适配偏远牧区的使用场景。系统采用ML307R4G模块实现广域远程通信，支持报警短信推送与阿里云平台数据上传，搭配USB与锂电池双供电模式，解决了牧区网络与供电条件受限的问题。经过全面的系统测试验证，本系统各项功能均完整实现，震动检测响应时间小于200ms，人体红外检测准确率达98%，图像识别准确率达92%，可在-20℃~60℃环境下连续72小时稳定运行，整体性能达到设计预期，可为偏远牧区羊圈提供低成本、高可靠性的智能化安防方案，有效降低牧民的养殖风险，减少牲畜伤亡与财产损失。参考文献[1]刘浏,赵赫,孙荣煜.基于机器学习的云污染图像识别研究[J/OL].天文学报,1-14[2025-12-01].[2]韩永刚.基于人工智能算法的图像识别技术分析[J].通讯世界,2025,32(11):152-154.[3]闫梦婷.ResNet50卷积神经网络在肺部感染图像识别中的应用与优化研究[J].信息与电脑,2025,37(23):48-50.[4]许涵.输电架空线路智能巡检系统中的图像识别算法优化[J/OL].智能建筑与智慧城市,1-3[2025-12-01].[5]黄锐,翁宗州,谢小雪.基于ViT-EN复合模型的朱墨时序显微图像识别研究[J].中国人民公安大学学报(自然科学版),2025,31(04):9-20.[6]王贝,王世颍,许濛萌,等.基于脉冲驱动自注意力的害虫图像识别模型[J].中国农机化学报,2025,46(12):32-39.[7]王柏衡,张贞凯,徐宝兄.基于EMA-ResNet的船舶航迹图像识别方法[J/OL].电光与控制,1-9[2025-12-01].[8]刘海.基于图像识别与人工智能技术的面料检测算法[J/OL].染整技术,1-4[2025-12-01].[9]雷海壮.基于人工智能的深度学习算法在图像识别中的应用与优化[J].信息记录材料,2025,26(11):230-232.[10]潘威,梁国开,杨帆,等.用于低功耗图像识别设备的轻量化集成学习方法[J/OL].计算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//按键函数voidMonitor_function(void); //监测函数voidDisplay_function(void); //显示函数voidManage_function(void); //处理函数/*USERCODEENDPTD*//*Privatedefine*//*USERCODEBEGINPD*//*USERCODEENDPD*//*Privatemacro*//*USERCODEBEGINPM*//*USERCODEENDPM*//*Privatevariables*//*USERCODEBEGINPV*/uint8_tkey_num,flag_display; //按键与显示变量uint16_ttime_1ms; //计时变量1msuint8_ttime_500ms; //500ms标志位//串口1的数据获取uint8_tuart1_value;//串口传的单个数据//串口的储存数组，串口的接收时间，串口存值的数量uint8_tuart1_buf[36],uart1_time,uart1_num;uint8_tuart1_rx_flag;//串口的获取值的标志位uint16_tShock_CNT; //震动计次_BoolFlag_Shock; //震动触发标志位uint16_tBEEP_CNT;