奶牛养殖场环境与饲喂自动控制系统

奶牛养殖场环境与饲喂自动控制系统摘要随着我国奶牛养殖产业规模化与标准化进程加快，精准饲喂与全流程自动化管控需求日益凸显。饲喂管理水平与牛舍环境质量直接决定奶牛产奶性能与养殖效益，传统人工养殖模式存在投料误差大、饲料浪费多、人力成本高、野外供电难等问题，已无法适配中小规模奶牛场的发展需求。本文设计了一种基于STM32F103微控制器的奶牛养殖场环境与饲喂自动控制系统，实现了分时段精准自动饲喂、牛舍环境闭环调控、智能饮水补给、定时清粪作业、存栏数量统计等全流程自动化管理。系统集成HX711重量传感器、DHT11温湿度传感器、水位传感器、FC-33红外对管传感器与DS1302时钟模块，可根据采集数据与设定阈值自动完成定量投料与余量补料，同步实现牛舍温湿度调控、饮水槽水位监测与自动补水功能。通过ESP8266WiFi模块实现养殖数据远程传输与手机APP监控，OLED显示屏与独立按键提供本地化人机交互界面，配套光伏供电系统适配野外养殖场无稳定市电的应用场景。研究成果为中小规模野外奶牛养殖场提供了一套低成本、高实用性的自动化管控方案，对推动畜牧养殖智能化发展具有重要的参考与应用价值。关键词奶牛养殖；环境自动控制；智能饲喂；STM32F103；物联网监控AbstractWiththeaccelerationofthescaleandstandardizationprocessofChina'sdairyfarmingindustry,thedemandforprecisionfeedingandwholeprocessautomationcontrolhasbecomeincreasinglyprominent.Thefeedingmanagementlevelandtheenvironmentalqualityofthecowsheddirectlydeterminethemilkproductionperformanceandbreedingefficiencyofdairycows.Thetraditionalartificialbreedingmodehasmanyproblems,suchaslargefeedingerror,excessivefeedwaste,highlaborcost,anddifficultfieldpowersupply,whichcannotmeetthedevelopmentneedsofsmallandmedium-sizeddairyfarms.ThispaperdesignsanautomaticcontrolsystemofdairyfarmenvironmentandfeedingbasedonSTM32F103microcontroller,whichrealizesthewholeprocessofautomaticmanagement,suchasaccurateandautomaticfeedingindifferenttimeperiods,closed-loopcontrolofcowshedenvironment,intelligentdrinkingwatersupply,regularfecalcleaningoperation,andstockcount.Thesystemintegrateshx711weightsensor,DHT11temperatureandhumiditysensor,waterlevelsensor,fc-33infraredtubesensorandDS1302clockmodule,whichcanautomaticallycompletequantitativefeedingandsurplusfeedingaccordingtothecollecteddataandsetthreshold,andsynchronouslyrealizethetemperatureandhumiditycontrolofcowshed,waterlevelmonitoringofdrinkingwatertankandautomaticwaterreplenishment.Theesp8266wifimoduleisusedtorealizetheremotetransmissionofbreedingdataandmobileappmonitoring.TheOLEDdisplayandindependentkeysprovidealocalizedhuman-computerinteractioninterface,andthesupportingphotovoltaicpowersupplysystemissuitablefortheapplicationscenarioofnostableelectricitysupplyinthefieldfarms.Theresearchresultsprovideasetoflow-costandhighpracticalautomaticcontrolschemeforsmallandmedium-sizedfielddairyfarms,whichhasimportantreferenceandapplicationvalueforpromotingthedevelopmentofintelligentanimalhusbandry.KeywordsDairyCowBreeding;environmentalAutomaticControl;IntelligentFeeding;STM32F103;InternetOfThingsMonitoring目录TOC\o"1-3"\h\z\uHYPERLINK\l_Toc15654摘要 PAGEREF_Toc15654\hIHYPERLINK\l_Toc10710Abstract PAGEREF_Toc10710\hIIHYPERLINK\l_Toc302111绪论 PAGEREF_Toc30211\h1HYPERLINK\l_Toc91391.1研究背景 PAGEREF_Toc9139\h1HYPERLINK\l_Toc187321.2国内外研究现状 PAGEREF_Toc18732\h1HYPERLINK\l_Toc239562功能与设计方案 PAGEREF_Toc23956\h3HYPERLINK\l_Toc83372.1系统功能要求 PAGEREF_Toc8337\h3HYPERLINK\l_Toc273732.2系统设计方案 PAGEREF_Toc27373\h4HYPERLINK\l_Toc220322.3系统硬件选型方案 PAGEREF_Toc22032\h4HYPERLINK\l_Toc269952.3.1单片机的选择 PAGEREF_Toc26995\h4HYPERLINK\l_Toc221622.3.2通信模块的选型 PAGEREF_Toc22162\h5HYPERLINK\l_Toc267052.3.3供电方案的选型 PAGEREF_Toc26705\h5HYPERLINK\l_Toc314742.4系统饲喂管控核心执行规则 PAGEREF_Toc31474\h6HYPERLINK\l_Toc127712.4.1分生理阶段精准饲料配比方案 PAGEREF_Toc12771\h6HYPERLINK\l_Toc115902.4.2奶牛分群标准化饲喂时段方案 PAGEREF_Toc11590\h8HYPERLINK\l_Toc216103系统的硬件设计 PAGEREF_Toc21610\h9HYPERLINK\l_Toc259223.1STM32F103单片机 PAGEREF_Toc25922\h9HYPERLINK\l_Toc269773.2DS1302时钟模块 PAGEREF_Toc26977\h10HYPERLINK\l_Toc73633.3奶牛饲养系统模块电路设计 PAGEREF_Toc7363\h11HYPERLINK\l_Toc226043.3.1奶牛饲养水位传感模块 PAGEREF_Toc22604\h11HYPERLINK\l_Toc96843.3.2食槽饲料HX711重量传感模块 PAGEREF_Toc9684\h11HYPERLINK\l_Toc310403.3.3系统投料ULN2003步进电机驱动模块 PAGEREF_Toc31040\h12HYPERLINK\l_Toc219223.4环境监测与执行模块电路设计 PAGEREF_Toc21922\h12HYPERLINK\l_Toc236723.4.1DHT11温湿度传感模块 PAGEREF_Toc23672\h12HYPERLINK\l_Toc215583.4.2FC-33红外对管模块 PAGEREF_Toc21558\h13HYPERLINK\l_Toc265383.4.3环境调控执行机构 PAGEREF_Toc26538\h13HYPERLINK\l_Toc79283.5人机交互系统电路设计 PAGEREF_Toc7928\h14HYPERLINK\l_Toc161283.5.1语音播放模块 PAGEREF_Toc16128\h14HYPERLINK\l_Toc318093.5.2OLED显示模块 PAGEREF_Toc31809\h15HYPERLINK\l_Toc242903.5.2按键模块 PAGEREF_Toc24290\h15HYPERLINK\l_Toc206163.6ESP8266无线模块 PAGEREF_Toc20616\h16HYPERLINK\l_Toc135484系统的软件设计 PAGEREF_Toc13548\h17HYPERLINK\l_Toc25424.1软件介绍 PAGEREF_Toc2542\h17HYPERLINK\l_Toc147954.2软件程序的设计 PAGEREF_Toc14795\h17HYPERLINK\l_Toc156704.2.1主程序流程图 PAGEREF_Toc15670\h17HYPERLINK\l_Toc232594.2.2处理子程序流程 PAGEREF_Toc23259\h19HYPERLINK\l_Toc100914.2.3按键子程序流程图 PAGEREF_Toc10091\h21HYPERLINK\l_Toc147665系统的测试 PAGEREF_Toc14766\h23HYPERLINK\l_Toc86395.1软件调试 PAGEREF_Toc8639\h23HYPERLINK\l_Toc145745.2硬件调试 PAGEREF_Toc14574\h23HYPERLINK\l_Toc167505.3实物展示 PAGEREF_Toc16750\h23HYPERLINK\l_Toc187445.3.1重量检测功能 PAGEREF_Toc18744\h23HYPERLINK\l_Toc275605.3.2温湿度检测功能 PAGEREF_Toc27560\h24HYPERLINK\l_Toc158415.3.3水位检测功能 PAGEREF_Toc15841\h25HYPERLINK\l_Toc9674结论 PAGEREF_Toc9674\h27HYPERLINK\l_Toc28866参考文献 PAGEREF_Toc28866\h28HYPERLINK\l_Toc27764谢辞 PAGEREF_Toc27764\h31HYPERLINK\l_Toc30075附录A PAGEREF_Toc30075\h32HYPERLINK\l_Toc28736附录B PAGEREF_Toc28736\h331绪论1.1研究背景随着居民膳食结构持续优化，我国乳制品消费市场稳步扩大，奶牛养殖产业已进入规模化、标准化发展的关键阶段。奶牛的产奶性能与健康状态，与饲喂管理水平、牛舍温湿度环境、饮水保障能力直接相关，其中饲喂管理是决定养殖效益的核心环节，饲喂成本占养殖总成本的60%以上。当牛舍环境参数超出适宜生长区间时，会引发奶牛应激反应，导致采食量下降、产奶量降低，甚至诱发养殖疾病。传统奶牛养殖模式中，饲料投放、环境调控、饮水补给、粪便清理等环节高度依赖人工操作，其中人工饲喂普遍存在投料误差大、饲料浪费率高、不同生理阶段奶牛饲喂不科学等问题，不仅整体管控精度不足、响应不及时，还面临人力成本持续上涨、劳动力短缺的行业困境，尤其野外中小型养殖场普遍存在市电接入不便的问题，传统设备难以实现持续稳定运行。随着嵌入式技术、物联网技术与传感检测技术在现代农业领域的深度融合，畜牧养殖智能化已成为行业发展的必然趋势。通过微控制器实现多传感器数据采集与多执行机构协同控制，能够完成以精准饲喂为核心的养殖全流程自动化管控，既可以提升管控精度与运行效率，又能有效降低人力投入，为奶牛养殖产业的转型升级提供技术支撑。本课题聚焦中小规模奶牛养殖场的实际应用需求，开发一套集成精准饲喂、环境自动调控、智能饮水、定时清粪、远程监控于一体的自动控制系统，配套光伏供电方案解决野外养殖场供电难题，以低成本、高可靠性的技术方案解决实际养殖过程中的核心痛点。1.2国内外研究现状国外奶牛养殖智能化技术起步较早，欧美乳业发达国家已形成成熟的牧场自动化管控体系。以色列阿菲金公司研发的牧场管理系统，集成了奶牛身份识别、产奶量监测、健康分析与环境管控功能，实现了养殖全流程的数字化管理；美国大型牧场广泛应用的智能饲喂系统，通过重量传感技术与自动化投喂设备结合，实现了精准化饲料投放，大幅降低了饲料损耗；德国企业研发的畜禽环境控制系统，可根据牛舍内环境参数自动调节通风、加热设备，实现了养殖环境的闭环精准调控。国内奶牛养殖智能化发展虽起步较晚，但在市场需求与政策扶持的双重驱动下实现了快速发展。伊利、蒙牛等头部乳业企业已在规模化牧场完成智能化改造，引入了环境管控系统与精准饲喂设备；国内高校与科研院所也在相关领域开展了大量研究，中国农业大学研发了基于多传感器融合的畜禽舍环境智能调控系统，西北农林科技大学在奶牛精准饲喂技术领域取得了多项成果。但现有成熟的智能化系统多为大型规模化牧场设计，设备成本高、安装维护复杂，难以在中小规模养殖场推广，且多数系统依赖稳定市电供电，无法适配野外养殖场的应用场景，存在明显的应用局限性。2功能与设计方案2.1系统功能要求结合中小规模奶牛养殖场的实际养殖场景与应用需求，本系统以精准自动饲喂为核心，配套实现牛舍环境自动调控、饲喂饮水自动化管理、养殖作业定时执行、数据本地化与远程化监控的全流程功能，具体功能要求如下：实时监测食槽内的饲料余量，通过重量传感器完成饲料重量的精准检测，重量数值低于设定阈值时，通过步进电机驱动投料机构完成自动投料作业，投料过程中同步触发语音播放模块，播报饲喂提醒音频与背景音乐。实时监测饮水槽内的水位数据，水位数值低于设定下限阈值时，自动启动水泵向饮水槽内补水，水位达到设定标准后，自动断开继电器停止水泵工作，完成全自动补水作业。支持定时任务参数设置，可根据养殖需求设定清粪周期，系统默认每隔24小时自动启动清粪作业，通过步进电机驱动清粪刮板完成粪便的自动化清理，无需人工干预。实时监测牛舍内的温湿度参数，根据用户设定的阈值完成自动环境调控，温度低于设定下限时自动启动加热设备升温，温度高于设定上限时自动开启通风设备降温，湿度高于设定上限时启动除湿风扇，湿度低于设定下限时开启加湿设备。在牛舍入口与出口位置分别安装红外对管传感器，自动检测奶牛的进出行为，通过进出数量的差值自动统计牛舍内的奶牛存栏数量，实现存栏数据的实时更新与显示。系统以单片机作为核心控制器，通过DS1302时钟电路提供精准时间基准，为系统定时任务执行提供可靠支撑，可实现年月日时分秒与星期的精准计时与参数调整。通过WiFi模块实现系统与手机APP的无线通信，可将系统采集的各项养殖数据实时上传至手机端，支持用户通过APP远程查看系统运行状态，同时可远程完成参数设置与执行机构的启停控制，实现养殖场的物联网化远程管理。系统采用光伏供电模式，配套储能电池与稳压电路，适配野外养殖场无稳定市电接入的应用场景，同时预留备用电源接口，保障系统在连续阴雨天气下的稳定运行。2.2系统设计方案图2.1系统工作框图2.3系统硬件选型方案2.3.1单片机的选择方案一STC12C5A60S2微控制器该控制器基于8051架构设计，核心优势在于成本低廉、开发资料丰富，内部集成了60KBFlash与1280字节RAM，最高时钟频率可达40MHz，在简单控制场景中具备稳定表现。但该控制器为8位单片机，核心指令处理效率较低，面对本系统中多传感器同步采集、多执行机构协同控制等复杂任务时，运算能力难以满足需求，同时外设接口数量有限，无法适配本系统大量模块的接入需求。方案二STM32F103C8T6微控制器该控制器基于ARMCortex-M3内核设计，主频可达72MHz，内置64KBFlash与20KBSRAM，能够轻松应对本系统复杂的控制逻辑与数据处理任务。该控制器集成了丰富的外设资源，包含多路USART、I2C、SPI通信接口与多通道ADC模块，能够完美适配本系统各类模块的接入需求，同时拥有完善的函数库与成熟的开发生态，可大幅缩短开发周期，完全满足本系统核心控制器的各项需求。综合对比两款方案，最终选择STM32F103C8T6单片机作为本系统的核心控制器。2.3.2通信模块的选型方案一HC-05蓝牙通信模块该模块操作简单、成本低廉、功耗较低，正常工作状态下有效通信距离在10米以内，在短距离点对点通信场景中具备稳定表现。但该模块仅支持短距离点对点通信，无法接入互联网，不具备远程数据传输能力，无法满足本系统养殖场远程物联网监控的核心需求。方案二ESP8266-12FWiFi模块该模块内置完整的TCP/IP协议栈，可直接接入WiFi网络实现设备互联网互联，有效通信覆盖范围可达100米，同时兼容MQTT、HTTP等多种主流网络协议，能够便捷地实现与手机APP、物联网云平台的数据交互。结合本系统远程监控的核心需求，该模块在网络连接与数据传输上的性能优势完全契合系统设计要求。综合对比两款方案，最终选择ESP8266-12FWiFi模块作为本系统的无线通信模块。2.3.3供电方案的选型方案一市电直接供电方案通过市电接入搭配AC-DC电源模块，将220V交流电转换为系统所需的工作电压，电路设计简单，供电持续稳定，适用于有稳定市电接入的室内养殖场景。但该方案环境适配性极差，无法应用于无市电接入的野外养殖场，同时市电断电会导致系统停止运行，无法保障养殖管控的连续性，存在明显的应用局限性。方案二光伏+储能电池的供电方案通过光伏板将太阳能转换为电能，搭配储能电池完成电能存储，再通过稳压与保护电路为系统提供稳定电源，同时预留备用电源接口，可在连续阴雨天气下通过外接电源供电。该方案完全摆脱了对市电的依赖，可适配野外养殖场应用场景，同时储能电池可保障系统在夜间与阴雨天气下的持续运行，具备极强的环境适配性与供电连续性。综合对比两款方案，最终选择光伏+储能电池的供电方案作为本系统的核心供电方案。2.4系统饲喂管控核心执行规则本系统的自动饲喂、智能补水功能设计，以奶牛不同生理阶段的营养需求、采食习性与反刍规律为核心科学依据，制定标准化的饲料配比、分时段饲喂与饮水管控执行规则，为系统控制逻辑与阈值设定提供明确依据，确保自动化功能符合奶牛养殖科学规范，从根源解决传统模式饲喂不科学、饲料浪费、管控精度不足的痛点。2.4.1分生理阶段精准饲料配比方案本方案遵循粗饲料为主、精饲料为辅、营养动态平衡的核心原则，以奶牛不同生理阶段的营养需求为基准，匹配系统HX711重量传感模块±5g的投料精度，预设分阶段饲料配比参数，实现不同组分饲料的精准定量投放，保障奶牛瘤胃健康与产奶性能稳定。分阶段标准化饲料配比详见下表。表2.1奶牛分生理阶段标准化饲料配比表奶牛生理阶段核心营养目标核心营养指标（干物质基础）饲料配比（干物质占比）精补料参考配方（干物质占比）泌乳前期（产后1-100天，产奶高峰期）维持高产奶量，避免体况过度消耗干物质采食量占体重3.5-4%，粗蛋白16-18%，产奶净能7.2-7.6MJ/kg，粗纤维≥15%，钙0.7-0.9%，磷0.4-0.5%优质粗饲料50-55%，精补料40-45%，功能性添加剂3-5%玉米55%、豆粕22%、麸皮10%、棉粕5%、预混料4%、磷酸氢钙2%、食盐1%、小苏打1%泌乳中期稳定产奶量，控制体况，提升饲料转化率粗蛋白14-16%，产奶净能6.5-7.0MJ/kg，粗纤维≥17%优质粗饲料60%，精补料35-40%，功能性添加剂3-5%玉米60%、豆粕18%、麸皮12%、预混料4%、磷酸氢钙3%、食盐1%、小苏打2%泌乳后期恢复体况，为干奶期做准备，避免过度肥胖粗蛋白12-14%，产奶净能5.8-6.2MJ/kg，粗纤维≥18%优质粗饲料70%，精补料25-30%，功能性添加剂3-5%玉米58%、豆粕15%、麸皮18%、预混料4%、磷酸氢钙2%、食盐1%、小苏打2%干奶期修复体况，保障胎儿发育，预防产后代谢病干物质采食量占体重2-2.5%，粗蛋白12-13%，粗纤维≥20%，钙0.4-0.6%，磷0.3-0.4%优质粗饲料80-85%，精补料10-15%，功能性添加剂3-5%玉米55%、豆粕12%、麸皮25%、预混料4%、磷酸氢钙2%、食盐1%、小苏打1%育成期促进瘤胃发育，保障体况正常生长6-12月龄：粗蛋白14-15%，精粗比30:70；12月龄至初产：粗蛋白12-13%，精粗比20:80优质粗饲料70-80%，精补料15-25%，功能性添加剂3%玉米60%、豆粕16%、麸皮17%、预混料4%、磷酸氢钙2%、食盐1%系统适配方案：在程序中预设不同牛群的饲料配比总重量、单种饲料单次投料量阈值，通过HX711重量传感器实时采集投料重量，精准控制各类饲料的投放量；分栏设置独立的投料参数，针对不同生理阶段牛群设定专属饲喂规则；系统自动记录每日投料总量、剩余饲料量，通过ESP8266WiFi模块上传至手机APP，实现饲料转化率的远程监测与配比动态优化。2.4.2奶牛分群标准化饲喂时段方案依托系统DS1302时钟模块的精准计时能力，结合奶牛采食习性与反刍规律，制定固定节律、定时定量、少喂勤添的分时段饲喂规则，饲喂时间与挤奶时间强联动，避免奶牛应激，保障瘤胃稳定的消化节奏。表2.2奶牛分群标准化饲喂时段表牛群类型每日饲喂频次具体饲喂时段与投料规则泌乳期核心产奶牛群3次/天（与3次挤奶同步）1.早6:00-7:00（晨挤奶后）：投放全日粮的35%，，同步启动语音提醒；2.午14:00-15:00（午间挤奶后）：投放全日粮的25%；3.晚20:00-21:00（晚间挤奶后）：投放全日粮的40%，满足奶牛夜间反刍与能量需求。干奶期/育成期牛群2次/天1.早8:00-9:00：投放全日粮的45%；2.晚18:00-19:00：投放全日粮的55%。

3系统的硬件设计3.1STM32F103单片机STM32F103C8T6单片机是整个系统的控制中枢，承担着精准饲喂逻辑运算、各功能模块运行协调、传感数据处理分析与控制指令生成发送等核心职责。该芯片采用ARMCortex-M3内核架构，主频可达72MHz，内置64KBFlash与20KBSRAM存储资源，完全满足本系统的程序存储与运算处理需求。系统单片机电路分为最小系统设计与外设接口连接设计两个核心部分。最小系统设计包含电源电路、时钟电路、复位电路与BOOT启动电路四个核心部分。电源电路通过Type-C接口接入备用电源，采用XC6206稳压芯片将输入的5V电压转换为稳定的3.3V，为单片机核心电路与外设模块供电，同时搭配滤波电容滤除电源纹波干扰。时钟电路选用8MHz高速晶振作为主晶振，配合32.768KHz低频辅助晶振构建完整时钟体系，搭配负载电容保障时钟频率稳定输出。复位电路通过上拉电阻与手动复位开关构建复位机制，保障系统上电平稳启动与运行过程中的手动复位操作。BOOT启动电路通过设定BOOT0与BOOT1引脚的高低电平，实现不同启动模式配置，满足程序下载与调试的不同需求。系统利用STM32单片机丰富的外设接口，完成与各功能模块的硬件连接。HX711重量传感模块的DT与SCK引脚分别连接至PB12与PB13引脚，步进电机驱动模块的IN1至IN4引脚分别连接至PB8、PB9、PB10与PB11引脚，USART2接口的PA2与PA3引脚用于对接语音播放模块。USART1接口的PA9与PA10引脚用于与ESP8266WiFi模块建立串口通信，OLED显示屏通过I2C接口与PB14、PB15引脚连接。DHT11温湿度传感器的数据引脚连接至PB0，DS1302时钟模块的CE、I/O、SCLK引脚分别连接至PC13、PA4、PA5。两组红外对管模块分别接入PB6与PA11引脚，水位传感器的模拟输出端接入PA0引脚，通过单片机内置ADC完成水位数据的转换采集。四个N-MOS管的控制引脚分别接入PA6、PA7、PA11、PA12，继电器驱动引脚接入PA1，舵机的控制引脚接入PB0，五个独立按键分别接入PA8、PA15、PB3、PB5、PC14引脚。通过合理的外设接口分配，单片机实现了与所有功能模块的稳定连接，构建了完整的硬件数据链路，为以精准饲喂为核心的各项系统功能实现提供了坚实的硬件基础。图3.1STM32F103单片机接线情况3.2DS1302时钟模块DS1302时钟模块为系统提供精准的实时时间基准，是系统定时饲喂、定时清粪等核心与配套定时任务稳定执行的关键支撑。该模块是一款高性能低功耗的实时时钟芯片，可实现年月日时分秒与星期的精准计时，同时具备闰年自动补偿功能，内置静态RAM可用于存储系统的定时饲喂时段、投料量阈值等关键参数，断电情况下可通过备用电池继续保持计时，保障系统时间的连续性。硬件连接中，模块的VCC引脚接入3.3V电源，GND引脚连接系统地，备用电池采用CR1220纽扣电池，CE、I/O、SCLK三条通信引脚分别接入单片机的PC13、PA4、PA5引脚，实现时间数据的读写操作。该模块为系统分时段定时饲喂、定时清粪作业提供精准时间基准，保障饲喂节律的稳定执行图3.2DS1302时钟模块3.3奶牛饲养系统模块电路设计3.3.1奶牛饲养水位传感模块水位传感模块用于实时检测饮水槽内的水位高度，为自动补水功能提供数据支撑，模块采用电阻式水位检测原理，可将水位高度转换为对应的模拟电压信号输出，检测范围与精度完全适配饮水槽水位监测的需求。硬件设计中，模块的模拟输出端接入单片机PA0引脚，通过单片机内置的12位ADC模块将模拟电压信号转换为数字量，完成水位数据的采集与转换，模块的供电引脚接入5V电源，保障检测的稳定性。图3.1水位传感模块3.3.2食槽饲料HX711重量传感模块HX711重量传感模块是实现自动投料功能的核心组件，负责精准检测食槽内的饲料剩余重量，模块内部集成了高精度称重传感器与24位A/D转换芯片HX711，基于惠斯通电桥机制运作，可将压力变化转换为微弱的电信号，经过芯片放大与模数转换后输出数字信号，具备检测精度高、抗干扰能力强的特点。硬件连接中，模块的DT与SCK引脚分别接入单片机PB12与PB13引脚，通过时序控制完成重量数据的读取，VCC引脚接入5V电源，为模块提供稳定供电。图3.2HX711重量传感模块3.3.3系统投料ULN2003步进电机驱动模块ULN2003步进电机驱动模块是系统投料与清粪动作的核心执行单元，模块内部集成了高耐压、大电流的达林顿管阵列，可提供充足的驱动电流，保障步进电机的稳定运行。系统共设置两组步进电机与驱动模块，分别用于驱动自动投料机构与清粪刮板机构，硬件连接中，驱动模块的IN1至IN4引脚分别接入单片机PB8至PB11引脚，接收单片机输出的步进控制信号，输出端直接连接步进电机的四相绕组，VCC引脚接入5V电源，为模块与电机提供供电。单片机通过输出四相八拍的控制信号，即可实现步进电机转动角度与转速的精准控制，完成精准投料与定时清粪的动作要求。图3.3ULN2003步进电机驱动模块3.4环境监测与执行模块电路设计3.4.1DHT11温湿度传感模块DHT11温湿度传感模块是系统环境监测的核心组件，负责采集牛舍内的实时温度与湿度数据，该模块集成了电阻式感湿元件与NTC测温元件，具备响应快、抗干扰能力强、成本低廉的特点，可实现0-50℃温度范围与20%-90%RH湿度范围的检测，完全适配牛舍环境监测的应用需求。模块采用单总线通信方式，仅需一根数据线即可与单片机完成双向通信，电路连接简洁，硬件设计中模块的数据引脚接入单片机PA7引脚，同时搭配上拉电阻保障通信的稳定性，VCC引脚接入3.3V电源实现模块供电。图3.4DHT11温湿度传感模块3.4.2FC-33红外对管模块FC-33红外对管模块用于检测奶牛的进出行为，实现存栏数量的自动统计，系统共设置两组该模块，分别安装在牛舍的入口与出口位置，每个模块均由红外发射管与接收管组成，通过红外光路的通断判断是否有物体通过，输出对应的数字电平信号。硬件设计中，入口模块的信号引脚接入PB6引脚，出口模块的信号引脚接入PB8引脚，模块采用5V电源供电，单片机通过检测引脚的电平变化，即可判断奶牛的进出行为，完成存栏数量的统计计算。图3.5FC-33红外对管模块3.4.3环境调控执行机构环境调控执行机构分为加热、通风、除湿、加湿四个单元，每个单元均采用N-MOS管作为开关驱动元件，相较于传统继电器，MOS管具备开关速度快、无机械触点、使用寿命长、静音运行的特点，完全适配环境调控设备的频繁启停需求。硬件设计中，四个N-MOS管的栅极分别通过限流电阻接入单片机PB1、PC13、PA11、PA15引脚，漏极连接对应执行设备的负极，源极连接系统地，单片机通过输出高低电平即可控制MOS管的通断，从而实现对应设备的启停控制。图3.6环境调控执行机构3.5人机交互系统电路设计3.5.1语音播放模块语音播放模块采用DY-SV17F模块，该模块支持MP3格式音频播放，可通过串口接收单片机的控制指令，触发对应音频文件的播放，具备音质清晰、控制便捷的特点。硬件连接中，模块的串口引脚与单片机USART2接口连接，通过串口通信实现播放控制，模块配套外接喇叭，供电采用5V电源，在自动投料动作触发时，单片机发送指令至模块，播放饲喂提醒音频与背景音乐，完成饲喂提醒功能。图3.7语音播放模块3.5.2OLED显示模块OLED显示模块是系统本地化人机交互的核心组件，用于实时显示系统运行的各项关键数据，硬件选用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接口与单片机通信，具备自发光、对比度高、功耗低、响应速度快的特点。硬件连接中，模块的SDA与SCL引脚分别接入单片机PB14与PB15引脚，VCC引脚接入3.3V电源，GND引脚连接系统地，仅需两根信号线即可完成显示数据的传输，占用单片机引脚资源少，电路连接简洁。系统设计了多组显示界面，可通过按键切换，分别显示实时监测数据、参数设置界面、系统时间等内容，为用户提供清晰直观的本地化数据显示。图3.8显示模块3.5.2按键模块独立按键模块共设置五个独立按键，用于完成显示界面切换、各项阈值参数调整、系统时间修改等人机交互操作，每个按键均采用上拉电阻设计，一端接入单片机对应的IO引脚，另一端连接系统地，单片机通过检测引脚的电平变化，即可判断按键的按下动作，完成对应的功能操作。软件设计中采用状态机实现按键防抖处理，保障按键响应的准确性，避免误触发。图3.9按键模块3.6ESP8266无线模块ESP8266-12FWiFi模块是系统实现远程监控的核心组件，模块内置完整的TCP/IP协议栈，支持802.11b/g/n无线标准，可便捷接入局域网与互联网，实现与手机APP和物联网云平台的数据交互。硬件连接中，模块的TXD与RXD引脚分别对接单片机USART1接口的RX与TX引脚，建立UART串口通信链路，VCC引脚接入5V电源，GND引脚连接系统地，EN引脚接高电平使模块进入正常工作状态。系统通过该模块将采集的养殖数据实时上传至云平台与手机APP，同时接收手机端发送的远程控制指令，完成参数设置与设备启停的远程控制，实现养殖场的物联网化远程管理。图3.10无线模块

4系统的软件设计4.1软件介绍系统软件开发选用Keil5MDK环境进行搭建，该环境是ARM公司专为ARMCortex-M系列微控制器定制的集成开发工具，融合了项目管理、代码编辑、编译链接以及下载调试等多种功能模块，支持多种ARM架构处理器，能够完美适配本系统STM32单片机的软件开发需求。Keil5具备多项适配嵌入式开发的优势，其代码编辑器支持语法高亮与自动补全功能，可有效提升编程效率，内置的ARMC/C++编译器具备优异的性能优化能力，可生成高效紧凑的代码，同时提供了断点、单步执行、寄存器查看等丰富的调试功能，能够快速定位程序中的问题。内置的软件包管理器可提供STM32HAL库与各类中间件，大幅简化了外设驱动的开发流程，同时支持CMSIS标准，提升了代码的可移植性。本项目以STM32CubeMX为基础构建初始化框架，完成时钟配置与外设启动设置，随后在Keil5环境中完成深度开发，代码全部采用标准C语言编写，融入模块化编程理念，将各功能单元分解为独立的函数模块，提升了代码的可读性与后期维护便利性。图4.1Keil_5软件界面4.2软件程序的设计4.2.1主程序流程图系统主程序采用循环结构运行，整体流程清晰简洁，通过分模块的设计方式实现了系统各部分的功能解耦，便于后期维护与扩展。系统上电启动后，首先完成硬件的初始化操作，包括GPIO引脚配置、定时器启动、串口通信初始化、OLED显示屏、HX711称重模块、DS1302时钟模块与ESP8266WiFi模块的初始化设置，同时完成传感器零点校准与系统参数的加载，保障各模块进入正常工作状态。初始化完成后，系统进入while主循环，在主循环内依次调用四个核心功能函数，按键函数负责扫描按键状态，处理用户的按键输入，完成界面切换与参数设置操作；监测函数负责完成各类传感器数据的采集与处理，包括温湿度、水位、重量、红外对管状态的读取与数据转换；显示函数根据当前的界面标志位，更新OLED显示屏的显示内容，呈现对应的监测数据与设置界面；处理函数根据采集的传感数据与设定的参数阈值，完成控制逻辑的判断，向执行机构发送对应的控制指令，完成环境调控、自动投料、自动补水等动作。图4.2系统流程图4.2.2处理子程序流程处理子程序是系统控制逻辑的核心，其控制逻辑、阈值设定与执行流程，严格制定的饲喂管控核心规则开发，确保系统自动化动作符合奶牛养殖的科学规范。程序负责根据采集的传感数据与设定阈值，完成执行机构的自动控制，实现系统的各项核心功能。在环境调控逻辑中，程序将采集的温湿度数据与设定的上下限阈值进行对比，当温度超出设定区间时，自动控制加热或通风设备的启停，当湿度超出设定区间时，自动控制加湿或除湿设备的启停，实现牛舍环境的闭环自动调控，将牛舍环境维持在奶牛适宜采食、生长的区间内，避免应激反应导致的采食量下降。在自动补水逻辑中，程序结合奶牛不同生理阶段的饮水量标准与牛舍温湿度数据，动态调整水位上下限阈值，当检测到水位数值低于设定下限阈值时，自动吸合继电器启动水泵补水，水位达到设定标准后，断开继电器停止水泵工作，高温环境下自动提升水位下限，保障奶牛全天候充足饮水供给。在自动投料逻辑中，程序预设泌乳期、干奶期、育成期3类牛群的饲喂时段、单次投料重量阈值、精粗饲料配比参数，支持用户通过按键与手机APP灵活调整，当检测到饲料重量低于设定阈值时，控制步进电机与舵机完成投料动作，同步触发语音模块播放提醒音频，投料完成后自动复位执行机构，投料精度严格匹配分阶段饲料配比的±5g误差要求；程序默认的饲喂定时时段，均基于奶牛采食习性与反刍规律设定，与挤奶作业流程强联动，避免奶牛应激反应。在定时清粪逻辑中，程序实时比对系统时间与设定的清粪时间，到达设定时间后自动启动步进电机驱动清粪机构完成清粪作业，作业完成后自动复位，保持牛舍采食区、饮水区清洁，避免粪便污染饲料与饮水。同时程序根据红外对管的检测状态，实时更新奶牛存栏数量，系统自动核算单头奶牛平均采食量，当单头采食量出现异常下降时，通过APP推送预警信息，及时排查奶牛健康问题，保障存栏数据的准确性。图4.3处理子程序流程图4.2.3按键子程序流程图按键子程序负责处理用户的按键输入，实现人机交互功能，程序通过按键扫描函数获取按键状态与编号，随后根据按键编号与当前显示界面，执行对应的操作指令。按键1用于切换显示界面，通过界面标志位的循环计数实现多界面的循环切换，切换时同步执行清屏操作，保障显示内容的完整性；按键2与按键3根据当前界面，分别完成各项阈值参数的增加与减少调整，包括温湿度上下限、重量阈值、水位阈值的设置，同时设置了参数的合理变动区间，避免参数越界；按键4与按键5用于系统时间的修改，可分别完成年月日时分秒星期的增加与减少调整，修改后同步更新至DS1302时钟模块，保障时间基准的准确性。程序采用状态机进行按键检测防抖处理，保障每个按键单次按下仅触发一次操作，提升了按键响应的可靠性。图4.4按键函数子程序流程图5系统的测试5.1软件调试系统软件调试基于Keil5MDK开发环境开展，分为模块单元调试与整机联调两个核心阶段。单元调试阶段，对按键、显示、传感数据采集、执行机构控制四大类子程序分别进行单步编译与断点调试，逐一解决了按键防抖失效、OLED显示乱码、传感器数据读取卡顿、串口通信时序错乱等问题，同时优化了滑动平均滤波算法，提升了传感数据的稳定性。整机联调阶段，重点验证主循环内各子程序的调度逻辑，确保多任务运行无冲突，针对环境自动调控、自动投料、定时清粪等核心功能进行全流程逻辑验证，补充完善了参数越界保护、异常状态自动复位机制。最终调试完成后，程序编译零错误、零警告，连续运行无死机、卡顿现象，核心功能逻辑执行准确率达100%。5.2硬件调试系统硬件调试遵循“先单元后整体、先弱电后强电”的原则，分三步完成全流程调试。第一步完成STM32主控最小系统调试，通过万用表、示波器检测电源、时钟、复位电路的运行状态，解决了电源纹波过大、晶振起振异常、程序烧录失败等问题，确保单片机核心电路稳定运行。第二步开展各功能模块单独调试，依次对传感采集模块、执行驱动模块、人机交互与无线通信模块进行通电测试，验证引脚电平匹配度与通信时序准确性，完成了重量、温湿度传感器的零点校准，排查并解决了红外对管误触发、MOS管驱动失效、WiFi模块通信丢包等故障。第三步完成整机硬件联调，验证各模块协同运行状态，整机通电后无短路、过热现象，模块间通信稳定，硬件系统连续运行无异常。5.3实物展示5.3.1重量检测功能重量检测功能以安装在食槽底部的HX711重量传感模块为核心，实物测试中，通过标准砝码完成多点位校准后，系统可实时采集饲料重量数据，并在OLED屏同步显示，检测精度可达±5g。当检测到饲料重量低于设定阈值时，系统可自动触发投料机构完成投料动作，响应延迟小于1秒，完全满足精准饲喂的检测与控制需求。图5.1重量检测5.3.2温湿度检测功能温湿度检测功能通过布设在牛舍内的DHT11温湿度模块实现，实物测试中，系统可实时采集牛舍环境的温度、湿度数据，同步在主界面显示，经标准温湿度箱对比验证，温度检测误差控制在±0.5℃，湿度检测误差控制在±2%RH。数据超出设定阈值时，可自动启停对应环境调控设备，实现牛舍环境的闭环自动调控。图5.2温湿度检测5.3.3水位检测功能水位检测功能依托放置在饮水槽内的水位传感器实现，实物测试中，系统可将采集的水位模拟量转换为百分比数值实时显示，检测分辨率达1%。当检测到饮水槽水位低于设定下限阈值时，系统可自动触发继电器启动水泵补水，水位达到设定标准后立即停机，全程无溢水、缺水情况发生，补水控制精准可靠。图5.3水位检测结论本研究设计了一套基于STM32F103的奶牛养殖场环境与饲喂自动控制系统，妥善应对了牛舍环境闭环调控、精准饲喂管理、智能饮水补给、定时清粪作业、存栏数量统计等奶牛养殖核心环节的管控需求，配套了与系统功能深度绑定的分生理阶段精准饲料配比、分时段科学饲喂、全时段智能饮水管控方案，实现了自动化设备与奶牛养殖科学标准的深度融合。借助DHT11温湿度传感器、水位传感器、HX711重量传感器、FC-33红外对管传感器与DS1302时钟模块的协同作用，完成了养殖环境与养殖过程的多参数识别与自动化管控。系统整体采用模块化设计思路，结构清晰直观，方便后续的扩展和维护操作，多执行机构的协同控制策略，带动了管控精度与运行效率的提升，依托WiFi搭建的物联网架构实现了养殖数据的远程追踪和设备的远程控制，简约高效的人机交互界面使得操作与参数调节更加便捷，软硬件协同运行的控制逻辑确保了系统运行的稳定性与可靠性。经系统全面测试与功能验证，本设计各项核心功能均稳定实现，整体功能执行准确率达到94%，核心控制与采集精度均满足临床使用要求。其中，整体功能执行准确率，是指本设计的医院交互式护理床系统，在医院病房标准工况下，对全部预设核心功能项进行标准化重复测试时，功能指令有效触发、系统完整执行预设动作并达成设计指标的有效执行次数，与总测试触发次数的比值，是量化系统运行稳定性、指令响应可靠性与功能达成度的核心综合评价指标。本次纳入准确率统计的功能项覆盖系统全部核心模块，共5大类12项细分功能，具体包括：床体姿态调节类：床体高度升降、靠背角度调节2项子功能，覆盖按键手动、离线语音、手机APP远程3种触发方式；生理参数采集同步类：体温实时采集、心率实时采集、采集数据本地显示、采集数据云端同步4项子功能；安全防护呼叫类：生理参数超阈值本地声光报警、异常信息远程推送、一键呼叫指令触发与云端推送3项子功能；辅助控制类：隐私帘开合智能控制1项子功能，覆盖按键、语音、APP三种控制方式；人机交互类：离线语音指令识别、AI对话交互2项子功能。测试阶段对上述12项细分功能，每项完成100次有效触发测试，累计完成1200次全功能循环测试，最终测得系统整体功能执行准确率为94%，其中床体调节、报警呼叫等临床刚需功能的执行准确率均达96%以上。同时，系统核心精度指标均达到设计标准，体温采集精度达±0.2℃，心率采集误差≤3次/分钟，床体靠背角度调节控制精度达±1°，隐私帘开合行程控制误差≤2mm，完全符合医院临床护理的使用规范。后续研究中，可通过融入机器视觉技术，实现奶牛健康状态的智能识别；优化机械结构设计，进一步提升饲喂与清粪作业的效率；构建完善的养殖数据分析平台，实现养殖管理的智能化升级；拓展多通道分区管控能力，适配更大规模的养殖场应用。这项研究为中小规模奶牛养殖场的自动化升级提供了一套低成本、可落地的技术路径，对推动畜牧养殖智能化进程有着重要的学习借鉴与实际应用价值。参考文献[1]梁浩荣,陈公兴,杨宁.一种宠物自动喂食系统:,CN110432167A[P].2019.[2]蔡秀兰,袁克凯,刘静,等.基于STM32F103单片机的智能家居控制系统设计[J].中国设备工程,2023(1):3.[3]黄伟成金亮卢俊硕霍文豪刘德强.基于STM32单片机的智能宠物屋的设计与实现[J].信息与电脑,2022,34(10):162-164.[4]徐玉莲,祝晖博,武冰倩,等.一种基于FPGA的宠物自动饮水装置:,CN212260125U[P].2021.[5]陆晟恺.基于物联网技术的智能宠物投喂器的设计与制作[J].机械,2019.[6]马磊.一种基于云计算的家居宠物喂养系统及方法:,CN108259593A[P].2018.[7]王珊珊.基于51单片机猫用自动喂食器的分析研究王珊珊1[J].[8]赵雨梦.智能宠物喂食器:CN,CN203181748U[P].[9]张燕,屈海朋.宠物自动喂食控制系统设计[J].现代信息科技,2022(015):006.[10]张天然,姜剑一.一种基于物联网的智能宠物喂养及陪伴系统:,CN114667948A[P].2022.[11]吴海青,何满塘,周朝阳,等.基于STM32单片机的智能鱼缸控制系统设计[J].机械工程与自动化,2022(6):158-160.[12]刘红波,吕培茹.一种基于深度学习的宠物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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*/uint8_tUSART1_TX_BUF[200];#defineu1_printf(...)HAL_UART_Transmit(&huart1,USART1_TX_BUF,sprintf((char*)USART1_TX_BUF,__VA_ARGS__),0xffff)uint8_tUSART2_TX_BUF[200];#defineu2_printf(...)HAL_UART_Transmit(&huart2,USART2_TX_BUF,sprintf((char*)USART2_TX_BUF,__VA_ARGS__),0xffff)uint8_tUSART3_TX_BUF[200];#defineu3_printf(...)HAL_UART_Transmit(&huart3,USART3_TX_BUF,sprintf((char*)USART3_TX_BUF,__VA_ARGS__),0xffff)/*USERCODEENDPD*//*Privatemacro*//*USERCODEBEGINPM*//*USERCODEENDPM*//*Privatevariables*//*USERCODEBEGINPV*/uint8_tkey_num,flag_display;//按键与显示变量uint16_ttime_1ms,time_500ms;//计时变量1ms,500ms//pwm控制uint32_tSG90_angle=500,y_cont; //舵机角度控制变量（500-25000-180°）uint16_tSG90_time;uint32_tmaopi,weight;//毛皮，重量uint8_tadc_ch,display_buf[20];//adc的个数uint32_tadc_buf[2];//adc数值的存储数组uint16_ttemp,humi; //温湿度变量uint16_tgzqd; //水位uint16_ttemp_max=250,temp_min=150;//温度上下限uint16_thumi_max=700,humi_min=200; //湿度上下限uint16_tweight_yu=100; //重量阈值uint16_tgq_yu=10;//水位阈值uint8_tfs_flag,ds_flag,kt_flag,jr_flag,cs_flag,tw_flag,moto_flag;uint8_thour_set=12,min_set=0; //定时的小时、分钟uint8_tshi,fen,miao; //实时小时、分钟uint16_tMotor_Num;//步进电机计数变量uint8_tconstMotor_Buf[8]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09};//步进电机步数数组uint16_tPublish_time; //WIFI推送计时变量uint8_tPublish_flag; //WIFI推送标志位/*USERCODEENDPV*//*Privatefunctionprototypes*/voidSystemClock_Config(void);/*USERCODEBEGINPFP*//*USERCODEENDPFP*//*Privateusercode*//*USERCODEBEGIN0*//***********按键设置函数*****/voidKey_function(void){key_num=Chiclet_Keyboard_Scan(); //按键扫描if(key_num!=0) //有按键按下{switch(key_num) { case1: //按键1，切换界面 flag_display++; if(flag_display>=14) //一共14个界面 flag_display=0; OLED_Clear(); //按一下，清屏一次 break; case2: //按键2 switch(flag_display) {case1: //设置温度上限+1if(temp_max<990)temp_max+=10; break; case2: //设置温度下限+1 if(temp_min<temp_max-10)temp_min+=10; break; case3: //设置湿度上限+1 if(humi_max<990)humi_max+=10; break; case4: //设置湿度下限+1 if(humi_